北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
前 言
锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备为确保安全稳定生产对锅炉的自动控制十分重要其中汽水位是一个非常重要的被控变量由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型具有非线性不稳定性时滞等特点传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制其控制效果还可以进一步提高而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型只需要操作人员的经验知识及操作数据鲁棒性强非常适合用于非线性滞后系统的控制但其静态性能不能令人满意限制了它的应用为消除模糊控制的稳态误差采用Fuzzy-PID控制是常用的一种方式，所以本论题具有一定的现实意义。
Fuzzy-PID复合控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法。这种控制方法常见的一种是Fuzzy-PI 双模控制形式。这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PI 调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误差作用。因此把模糊控制和PID 调节器相结合以增加稳态控制性能。
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第1章 锅炉相关控制与前景
第1.1节 概述
锅炉是石油化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备。它所产生的高压蒸汽既可以作为驱动透平的动力源，又可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率方向发展。如某装置中的一个废热锅炉，能产生10.8MPa的高压蒸汽，蒸发量为181t/h，水在汽包的停留时间为10min。另一个辅助锅炉每小时能产生220吨3.8Mpa的高压蒸汽，水在汽包中停留的时间只有1min。
锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，其蒸汽发生系统主要由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
工作时，燃料与热空气按一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。形成高压的过热蒸汽，经负荷设备控制，供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。
第1.2节 锅炉设备的控制任务
锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力与温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：
（1）锅炉汽包水位的控制。被控变量是汽包水位中，控制变量是给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。这是保证了锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要
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指标。
（2）锅炉燃烧系统的控制。有三个被控变量：蒸汽压力（或负荷）、烟气成分（经济燃烧指标）和炉膛负压。可选用的控制变量也有三个：燃料量、送风量和引风量。组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济必和锅炉的安全运行；使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。
（3）过热蒸汽系统的控制。被控变量为过热蒸汽温度，控制变量为减温器的喷水量国。使过热器出口温度保持在允许的范围内，并保证管壁温度不超出工艺允许的温度。 （4）锅炉水处理过程的控制。这部分主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。通常应用程序控制，确保水处理和树脂再生正常交替运行。
第1.3节 研究状况
1.3.1汽包水位控制系统的发展
锅炉设备主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、送风量、引风量；主要输出变量包括水位、过热蒸汽及压力等，鉴于锅炉本身的复杂性，对锅炉实施控制时存在以下难点：一，系统存在严重耦合，如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位，还会影响过热蒸汽温度等；二，存在不确定时滞，如燃料量的变化对蒸汽温度、压力、汽包水位等影响有不同的滞后，减温水量的变化对过热器出口蒸汽温度的影响有较大的滞后，这些时滞的大小还随负荷状况的变化而变化。所以说，锅炉是一个多输入多输出且变量相互耦合并具有不确定时滞的复杂控制对象，传统多采用PID控制方式，PID具有结构简单、容易实现、鲁棒性强和能实现无差调节的特点，但常规PID控制是线性的，适应于小惯性、小滞后的过程，当把常规的PID控制应用于非线性、大时滞、参数不确定的情况下时，很难获得满意的效果。
近年来，锅炉自动化研究主要集中在三个方面：一，传统PID控制领域，作用其他方法和PID控制相结合来改善PID控制效果；二，利用人工智能和计算机科学最新技术，开发模糊控制系统、人工神经网络控制系统、专家控制系统等；三，针对锅炉的强耦合性，开发解耦控制系统。
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1.3.2 模糊控制在汽包水位控制中的应用与前景
模糊控制作为经典的智能控制算法，在面对不同的控制领域都有着很强的优势。但同时，它们又存在着自身无法解决的问题。同样，常规的PID控制也存在着一些难以独立解决的问题，综合两者优势，进行有效精确的控制是近年来锅炉汽包水位控制的一个趋势。
从20世纪40年代美国创立控制论以来，自动控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段。世界各国控制理论界也都在探索建立新一代的控制理论，以解决复杂系统的控制问题。近年来，把传统控制理论与模糊逻辑、专家系统、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合，充分利用人类控制知识对复杂系统进行控制，逐渐形成了智能控制理论的雏形。
近年来，锅炉热工过程控制理论的研究工作已经为其在火电厂中的应用奠定了应有的基础，计算机技术的应用为先进控制的应用提供的强有力的硬件和软件平台。今后热工自动化的研究方向应注意以下几个方面的研究秘开发.
1)实际控制工程中，要求控制器简单，计算时间短，而目前先进控制策略往往结构复杂，计算用时很长，而且大部分还只是处于实验室仿真，并未真正投入生产，所以将其推向实际应用是今后努力的方向之一。
2)应积极开发与控制匹配的先进优化监控软件和系统。
3)开发锅炉成套软件和装置，具有良好的产业化前景和广阔的市场容量。
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第2章 锅炉汽包水位的控制
汽包水位是锅炉正常运行的重要指标。保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。水位的过高、过低都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不得的影响。首先水位过高会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。如以此过热蒸汽被用户用来带动汽轮机，则因汽包内的水量较少，而负荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，有可能汽包内的水将全部汽化，尤其对大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。所以，必须对汽包水位进行严格的控制。
第2.1节 汽包水位的动态特性
决定汽包水位的除了汽包中（包括循环水管）储水量的多少外，也与水位下气泡水位与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。在影响汽包水位的诸多因素中，以锅炉蒸发量（蒸汽流量D）和给水流量W为主。下面侧重讨论给水流量与蒸汽流量作用下的水位变化的动态特性。
（1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道的特性。
图2.1 给水流量作用下水位阶跃响应曲线
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