蒸汽锅炉液位控制系统设计及MATLAB模拟
摘 要
蒸汽锅炉液位控制系统是发电厂中的一个重要的热工控制系统，其任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中液位位保持在一定的范围内，实现机组安全经济运行。 蒸汽锅炉液位控制系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。
串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。
在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本文中体现。
本文主要是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行，并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。
但是，传统PID控制器参数的整定是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定规则来确定的，不能进行在线调整，难以适应锅炉汽包水位这样一个复杂多变的控制系统，其控制效果往往难以满足要求。
因此，本文最后应用模糊控制技术，设计了一种二输入三输出模糊自整定PID控制器，对锅炉汽包水位进行控制，实现了PID参数的自适应调节。利用MATLAB对控制系统进行仿真。结果表明，该控制器自整定能力及鲁棒性比传统 PID控制器更强，响应速度快、精度高，同时对虚假水位有较好的控制效果。
关键词：蒸汽锅炉液位； 三冲量； PID 控制； 模糊控制； MATLAB 仿真 目 录
I
蒸汽锅炉液位控制系统设计及MATLAB模拟
摘 要 .............................................................................................................................................. I 目 录 .............................................................................................................................................. I 前 言 ............................................................................................................................................. 1 第一章 概述 ............................................................................................................................... 3
1.1 工业锅炉系统概述 ...................................................................................................... 3 1.2 锅炉的工艺流程简介 .................................................................................................. 4 1.3 锅炉设备的调节任务 .................................................................................................. 4 第二章 锅炉汽包水位控制对象与控制指标 ........................................................................... 6
2.1 锅炉汽包水位的特性 .................................................................................................. 6 2.2 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 ............................................................ 6 2.3 汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性 ............................................................. 7 2.4 燃料量B扰动下汽包水位的动态特性 ..................................................................... 8 第三章 汽包水位控制方案 ....................................................................................................... 9
3.1 单冲量控制方式 .......................................................................................................... 9 3.2 双冲量控制方式 ........................................................................................................ 10 3.3 三冲量控制方式 ........................................................................................................ 11 第四章 三冲量控制系统PID设计 ........................................................................................ 13
4.1 常规 PID 控制的基本理论 ..................................................................................... 13
4.1.1 PID控制器简述 ................................................................................................ 13 4.1.2 PID控制器的结构 ............................................................................................ 13 4.1.3 PID控制器的分类 ............................................................................................ 14 4.2 常用PID参数整定方法 ........................................................................................... 16 4.3 串级PID控制 ........................................................................................................... 17
4.3.1串级PID控制原理 ........................................................................................... 17 4.3.2串级控制系统的参数整定 ................................................................................ 18 4.4 PID控制的特点及智能整定PID参数 .................................................................... 19
4.4.1 PID控制的优缺点 ............................................................................................ 19 4.4.2智能整定 PID 参数 ......................................................................................... 20
第五章 三冲量串级PID控制的MATLAB 仿真 ................................................................. 21
5.1 仿真的目的和意义 .................................................................................................... 21 5.2 仿真软件功能概述 .................................................................................................... 21 5.3 锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真 ................................................... 22 第六章 模糊控制原理 ............................................................................................................. 25
6.1 模糊控制的基本概念 ................................................................................................ 25 6.2 模糊控制器的工作原理 ............................................................................................ 28 6.3 模糊控制器的优缺点 ................................................................................................ 31 6.4 模糊PID控制器 ....................................................................................................... 32
6.4.1模糊 PID 控制器的基本形式 ......................................................................... 32 6.4.2模糊 PID 控制器的设计步骤 ......................................................................... 33
第七章 汽包水位模糊控制器设计及仿真 ............................................................................... 35
7.1 输入输出变量 ............................................................................................................ 35 7.2 隶属度函数 ................................................................................................................ 36 7.3 模糊规则表 ................................................................................................................ 38 7.4 合成推理算法 ............................................................................................................ 42
II
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7.5 参数的自整定算法 .................................................................................................... 44 7.6 MATLAB 仿真研究 ................................................................................................. 45
7.6.1模糊逻辑控制器模块的建立 ............................................................................ 45 7.6.2系统仿真模型的建立 ........................................................................................ 47 7.7 模糊自整定PID控制与常规PID控制仿真比较 ..................................................... 48
7.7.1 无扰动作用时 ................................................................................................... 48 7.7.2 加入蒸汽流量扰动时 ....................................................................................... 49 7.7.3 加入给水扰动时 ............................................................................................. 50 7.7.4 时间常数改变时 ............................................................................................. 50
第八章 总结 ............................................................................................................................... 51 参考文献 ..................................................................................................................................... 52 致谢 ............................................................................................................................................. 54 完成人员分工及签名 ................................................................................................................. 55
III
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前 言
锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使大多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。同时，锅炉工作过程中各项指标的调节难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点，所以如何改善对锅炉的控制，保证其正常工作，提高效率一直是人们关注的焦点。而汽包液位是锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证液位在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。
现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅，这都对汽包液位控制系统提出了更高的要求。汽包液位过高，会影响汽包内汽液分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。
目前，对汽包液位位控制大多采用常规PID控制方式，从控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。常用的蒸汽锅炉液位调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。
串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。
然而，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果也不是最理想。
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蒸汽锅炉液位控制系统设计及MATLAB模拟
模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。
模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。
基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。
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