本發(fā)明涉及鍋爐液位控制設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體而言，涉及一種鍋爐液位的控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
：燒結(jié)余熱的利用是采用燒結(jié)環(huán)冷煙氣鍋爐經(jīng)過回收采集到的煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電。具體來講就是結(jié)合余熱發(fā)電技術(shù)，把余熱鍋爐釋放出的熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)組，使汽輪機(jī)組進(jìn)行做功，最后產(chǎn)生電力的新型節(jié)能技術(shù)。它與傳統(tǒng)的火力發(fā)電技術(shù)相比，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在不消耗外部能源，不排放污染氣體、污染粉塵與其他有害氣體的前提下，使余熱能源有效的利用，這將成為我國工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)與處理工業(yè)排污的解決辦法，在節(jié)能減排與改善污染環(huán)境下將做出巨大貢獻(xiàn)。燒結(jié)余熱鍋爐按照工藝系統(tǒng)來分可以分成兩部份：煙氣以及汽水系統(tǒng)。煙氣部分是循環(huán)風(fēng)機(jī)抽取由燒結(jié)環(huán)冷機(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，?jīng)過除塵系統(tǒng)，分別進(jìn)入鍋爐過熱器、上蒸發(fā)器、下蒸發(fā)器、省煤器等進(jìn)行成分換熱，再次送回至燒結(jié)環(huán)冷機(jī)繼續(xù)冷卻燒結(jié)礦掉。汽水流程為：由能源系統(tǒng)供給的純水，經(jīng)除氧給水泵，由鍋爐純水槽經(jīng)副級(jí)省煤器，送入除氧器熱力除氧；鍋爐給水經(jīng)過除氧后，通過給水泵，經(jīng)省煤器，直接送入爐頂?shù)钠唤o水和汽包內(nèi)已有的水混合成爐水，通過連接管路和熱水循環(huán)送往上下兩級(jí)蒸發(fā)器，生成的汽水混合物從上集箱的汽水連通管送入汽包，飽和蒸汽從設(shè)于汽包內(nèi)的汽水分離器中分離出來，送往過熱器過熱，并利用減溫器使蒸汽溫度達(dá)到要求后，送入管網(wǎng)；分離出來的水，再次進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。從每種意義上說，鍋爐汽水流程也是一個(gè)閉路循環(huán)。如何將余熱鍋爐的汽包液位、蒸汽溫度、壓力以及循環(huán)水泵給水和煙氣的流量控制得當(dāng)，是對(duì)于被控對(duì)象的主要控制目標(biāo)。(1)汽包液位控制對(duì)于鍋爐汽包液位的控制是鍋爐控制的重中之重，保證汽包液位調(diào)節(jié)在±區(qū)間，可以保證最大蒸發(fā)面積，保持持續(xù)的產(chǎn)氣量，增加發(fā)電產(chǎn)量，同時(shí)又可以保障鍋爐運(yùn)行安全。(2)蒸汽溫度和壓力控制鍋爐生產(chǎn)工藝的一個(gè)重要參數(shù)就是蒸汽溫度。過熱的蒸汽會(huì)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行帶來不利的影響，甚至?xí)p壞過熱器爐管道，由于現(xiàn)行的鍋爐金屬強(qiáng)度安全系數(shù)多為下限設(shè)計(jì)，溫度過高或者大大超過了設(shè)定溫度將會(huì)影響設(shè)備的使用年限。但同時(shí)，為了可以使鍋爐發(fā)揮出最大的效率，還是必須將蒸汽溫度穩(wěn)定在鍋爐的額定進(jìn)氣溫度附近。(3)給水量控制鍋爐控制的另一個(gè)重要因素就是給水量的控制。一般的，由汽包液位來決定給水量的大小，液位上升時(shí)，要減少給水量，而液位下降時(shí)，就需要增大給水。需要注意的是給水量的頻繁調(diào)整會(huì)導(dǎo)致汽包液位的上下波動(dòng)，如果波動(dòng)過于頻繁，也不利于鍋爐的產(chǎn)氣量，影響產(chǎn)量，劇烈頻繁的波動(dòng)甚至?xí)绊戝仩t的安全運(yùn)行。(4)燒結(jié)煙氣流量控制燒結(jié)余熱工藝生產(chǎn)的熱源來自于燒結(jié)礦進(jìn)入環(huán)冷機(jī)后進(jìn)行冷卻時(shí)產(chǎn)生的煙氣。燒結(jié)在生產(chǎn)過程中存在很大的波動(dòng)性。直接導(dǎo)致高溫?zé)煔獾牟环€(wěn)定。由于燒結(jié)煙溫是無法進(jìn)行調(diào)整的，所以當(dāng)煙溫下降時(shí)，適當(dāng)?shù)募哟鬅煔饬髁?，?duì)于保持熱量的損失。鍋爐的安全生產(chǎn)與制造理想蒸汽的重要指標(biāo)是鍋爐汽包液位。液位的高低將直接影響鍋爐運(yùn)行的安全與效率。當(dāng)液位過低時(shí)，有可能破壞水冷壁，甚至?xí)疱仩t爆炸。當(dāng)液位過高時(shí)，將影響汽水分離，使得蒸汽含水量大大增加，破壞汽輪機(jī)葉片，嚴(yán)重時(shí)使之破損與斷裂。所以，保持液位的相對(duì)穩(wěn)定是燒結(jié)余熱發(fā)電生產(chǎn)中是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[5-7]。在以往的燒結(jié)余熱鍋爐控制中，經(jīng)常采用PID等傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。由于燒結(jié)熱源隨燒結(jié)生產(chǎn)不斷變化，造成余熱鍋爐汽包液位頻繁大幅度波動(dòng)。因此，只使用傳統(tǒng)PID來控制余熱鍋爐液位，PID三個(gè)參數(shù)為固定值，控制效果不是很好。采用參數(shù)模糊自整定PID控制方法能夠有效的解決液位變化造成參數(shù)變化的控制問題，通過控制器的在線參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)余熱鍋爐的液位控制，從而實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、最優(yōu)的鍋爐汽包液位。目前在燒結(jié)余熱鍋爐液位控制方面，國內(nèi)的燒結(jié)廠大多都仍是采用傳統(tǒng)的PID來進(jìn)行控制，而這種控制有其固有的缺陷——不能完全實(shí)時(shí)的根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的變化來進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，對(duì)液位頻繁大幅度變化沒有很好的解決辦法。甚至有些部分企業(yè)在沒有找到穩(wěn)定的控制訪法時(shí)，采取使用人工干預(yù)，手動(dòng)調(diào)節(jié)，使余熱鍋爐液位保證在合理的范圍內(nèi)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的在于提供一種鍋爐液位的控制系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中鍋爐液位控制不穩(wěn)定的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種鍋爐液位的控制方法，包括：將鍋爐的液位變送器發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)與預(yù)設(shè)信號(hào)進(jìn)行比較，確定鍋爐的運(yùn)行誤差；將運(yùn)行誤差通過模糊控制器進(jìn)行多次數(shù)模轉(zhuǎn)化得到輸出量，輸出量用于控制調(diào)節(jié)閥的開度以使鍋爐的液位在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，輸出量在輸出之前，控制方法還包括對(duì)輸出量的自整定步驟，自整定步驟包括：根據(jù)運(yùn)行誤差輸出鍋爐的響應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線對(duì)輸出量進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步地，運(yùn)行誤差包括液位誤差和液位誤差變化率，自整定步驟包括：當(dāng)|e|的數(shù)值處于第一預(yù)設(shè)值時(shí)，鍋爐輸出響應(yīng)位于響應(yīng)曲線的第一值域時(shí)，增加Kp的數(shù)值，減少KD的值，使KI為零；或者當(dāng)|e|和|ec|的數(shù)值處于第二預(yù)設(shè)值時(shí)，鍋爐輸出響應(yīng)位于響應(yīng)曲線的第二值域時(shí)，減小Kp的值；或者當(dāng)|e|的數(shù)值處于第三預(yù)設(shè)值時(shí)，鍋爐輸出響應(yīng)位于響應(yīng)曲線的第三值域時(shí)，增加KP和KI的值；其中，e為液位誤差；ec為液位誤差變化率；KP為比例控制量系數(shù)；KI為積分控制量；KD為積分控制系數(shù)。進(jìn)一步地，輸出量通過以下公式獲得：u(k)＝KPe(k)+KI∑e(k)+KDec(k)，其中，e為液位誤差；ec為液位誤差變化率；KP為比例控制量系數(shù)；KI為積分控制量；KD為積分控制量系數(shù)；k屬于整數(shù)。進(jìn)一步地，數(shù)模轉(zhuǎn)化包括對(duì)運(yùn)行誤差構(gòu)建模糊集與模糊關(guān)系，通過模糊集與模糊關(guān)系計(jì)算輸出量。進(jìn)一步地，在模糊集與模糊關(guān)系計(jì)算出輸出量的步驟中包括：通過模糊集與模糊關(guān)系形成決策矩陣，通過決策矩陣確定輸出量。進(jìn)一步地，模糊關(guān)系可通過以下公式獲得：R＝R1∪R2∪R3∧∪Rk，其中，RK＝(ei×ecj)T×Kpk，RK為模糊子集；Kpk為第k次鍋爐進(jìn)行自整定的控制量系數(shù)；i＝1，2，…，m，m屬于整數(shù)；j＝1，2，…，n，n屬于整數(shù)；k＝1，2，…，L，L屬于整數(shù)；ei為變送器發(fā)送的第i次的液位誤差的實(shí)時(shí)信號(hào)；ecj為變送器發(fā)送的第j次的液位誤差變化率的實(shí)時(shí)信號(hào)。進(jìn)一步地，模糊集可通過以下公式獲得：KW＝(e×ec)oR，其中，KW為Kp、KI、KD中的一個(gè)；R為模糊關(guān)系；KP為比例控制量系數(shù)；KI為積分控制量；KD為積分控制系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種鍋爐液位的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的控制方法為上述的控制方法，控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)閥、汽包裝置，調(diào)節(jié)閥與汽包裝置通過管路相連接，制系統(tǒng)還包括液位變送器和模糊控制器，液位變送器與模糊控制器電連接。進(jìn)一步地，液位變送器用于對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并獲取實(shí)時(shí)信號(hào)，模糊控制器通過將實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化以控制調(diào)節(jié)閥的開度。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，鍋爐液位的控制方法包括：將鍋爐的液位變送器發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)與預(yù)設(shè)信號(hào)進(jìn)行比較，確定鍋爐的運(yùn)行誤差。將運(yùn)行誤差通過模糊控制器進(jìn)行多次數(shù)模轉(zhuǎn)化得到輸出量，輸出量用于控制調(diào)節(jié)閥的開度以使鍋爐的液位在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。采用模糊控制器對(duì)變送器發(fā)送檢測(cè)到的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行多次的模糊變換，使得鍋爐中的運(yùn)行誤差得到實(shí)時(shí)調(diào)整，提高鍋爐控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力，增加了鍋爐系統(tǒng)的控制效果。附圖說明構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)示意圖；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的流程示意圖；圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)示意圖；圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位單沖量控制系統(tǒng)框圖；圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位雙沖量控制系統(tǒng)框圖；圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位前饋-串級(jí)三沖量控制原理圖；圖7示出了圖6中鍋爐汽包液位前饋-串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖；圖8示出了現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐汽包液位PID控制器原理結(jié)構(gòu)圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的模糊控制器的控制系統(tǒng)組成框圖；圖10示出了圖9中的模糊規(guī)則庫框圖；圖11示出了圖9中的模糊控制器的實(shí)施例一的流程圖；圖12示出了圖9中的模糊控制器的實(shí)施例二的流程圖；圖13示出了圖9中的模糊控制器的實(shí)施例三的流程圖；圖14示出了圖9中的模糊控制器的PID參數(shù)模糊自整定控制器流程圖；圖15示出了圖9中的模糊控制器的輸出響應(yīng)曲線圖；圖16示出了圖9中的模糊控制器的模糊變換流程圖；以及圖17示出了圖9中的模糊控制器的模糊自整定PID控制器的流程圖；圖18示出了控制量KP、KI、KD的隸屬度曲線圖。具體實(shí)施方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。需要說明的是，本申請(qǐng)的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對(duì)象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本申請(qǐng)的實(shí)施方式例如能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤?。此外，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。為了便于描述，在這里可以使用空間相對(duì)術(shù)語，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個(gè)器件或特征與其他器件或特征的空間位置關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解的是，空間相對(duì)術(shù)語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構(gòu)造上方”或“在其他器件或構(gòu)造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構(gòu)造下方”或“在其他器件或構(gòu)造之下”。因而，示例性術(shù)語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或處于其他方位)，并且對(duì)這里所使用的空間相對(duì)描述作出相應(yīng)解釋?，F(xiàn)在，將參照附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。然而，這些示例性實(shí)施方式可以由多種不同的形式來實(shí)施，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為只限于這里所闡述的實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，提供這些實(shí)施方式是為了使得本申請(qǐng)的公開徹底且完整，并且將這些示例性實(shí)施方式的構(gòu)思充分傳達(dá)給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在附圖中，為了清楚起見，有可能擴(kuò)大了層和區(qū)域的厚度，并且使用相同的附圖標(biāo)記表示相同的器件，因而將省略對(duì)它們的描述。結(jié)合圖9至圖17所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種鍋爐液位的控制方法。該方法包括將鍋爐的液位變送器發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)與預(yù)設(shè)信號(hào)進(jìn)行比較，確定鍋爐的運(yùn)行誤差；將運(yùn)行誤差通過模糊控制器進(jìn)行多次數(shù)模轉(zhuǎn)化得到輸出量，輸出量用于控制調(diào)節(jié)閥的開度以使鍋爐的液位在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。在本實(shí)施例中，采用模糊控制器對(duì)變送器發(fā)送檢測(cè)到的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行多次的模糊變換，使得鍋爐中的運(yùn)行誤差得到實(shí)時(shí)調(diào)整，提高鍋爐控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力，增加了鍋爐系統(tǒng)的控制效果。其中，輸出量在輸出之前，控制方法還包括對(duì)輸出量的自整定步驟，自整定步驟包括：根據(jù)運(yùn)行誤差輸出鍋爐的響應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線對(duì)輸出量進(jìn)行調(diào)整。運(yùn)行誤差包括液位誤差和液位誤差變化率，自整定步驟包括：當(dāng)|e|的數(shù)值處于第一預(yù)設(shè)值時(shí)，鍋爐輸出響應(yīng)位于響應(yīng)曲線的第一值域時(shí)(圖15中Ι區(qū)域所示)，增加Kp的數(shù)值，減少KD的值，使KI為零；或者當(dāng)|e|和|ec|的數(shù)值處于第二預(yù)設(shè)值時(shí)(圖15中Ⅱ區(qū)域所示)，鍋爐輸出響應(yīng)位于響應(yīng)曲線的第二值域時(shí)，減小Kp的值；或者當(dāng)|e|的數(shù)值處于第三預(yù)設(shè)值時(shí)(圖15中Ⅲ區(qū)域所示)，鍋爐輸出響應(yīng)位于響應(yīng)曲線的第三值域時(shí)，增加KP和KI的值；其中，e為液位誤差，ec為液位誤差變化率，KP為比例控制量系數(shù)；KI為積分控制量，KD為積分控制系數(shù)。進(jìn)一步地，輸出量通過以下公式獲得：u(k)＝KPe(k)+KI∑e(k)+KDec(k)，其中，e為液位誤差，ec為液位誤差變化率，KP為比例控制量系數(shù)，KI為積分控制量，KD為積分控制量系數(shù)，k屬于整數(shù)。數(shù)模轉(zhuǎn)化包括對(duì)運(yùn)行誤差構(gòu)建模糊集與模糊關(guān)系，通過模糊集與模糊關(guān)系計(jì)算輸出量。在模糊集與模糊關(guān)系計(jì)算出輸出量的步驟中包括：通過模糊集與模糊關(guān)系形成決策矩陣，通過決策矩陣確定輸出量。模糊關(guān)系可通過以下公式獲得：R＝R1∪R2∪R3∧∪Rk，其中，RK＝(ei×ecj)T×Kpk，RK為模糊子集；Kpk為第k次鍋爐進(jìn)行自整定的控制量系數(shù)；i＝1，2，…，m，m屬于整數(shù)；j＝1，2，…，n，n屬于整數(shù)；k＝1，2，…，L，L屬于整數(shù)；ei為變送器發(fā)送的第i次的液位誤差的實(shí)時(shí)信號(hào)；ecj為變送器發(fā)送的第j次的液位誤差變化率的實(shí)時(shí)信號(hào)。模糊集可通過以下公式獲得：KW＝(e×ec)oR，其中，KW為Kp、KI、KD中的一個(gè)；R為模糊關(guān)系；KP為比例控制量系數(shù)；KI為積分控制量；KD為積分控制系數(shù)。上述控制方法還可以用于鍋爐液位的控制系統(tǒng)中，即根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種鍋爐液位的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的控制方法為上述實(shí)施例中的控制方法，控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)閥、汽包裝置，調(diào)節(jié)閥與汽包裝置通過管路相連接，制系統(tǒng)還包括液位變送器和模糊控制器，液位變送器與模糊控制器電連接。具體地，常見的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般情況下，在耗氣量與進(jìn)水量相等的情況下，汽包液位指向正常值。在保持進(jìn)水量恒定的情況下，蒸汽量發(fā)生變化增大或減少時(shí)，鍋爐汽包液位相應(yīng)的上升或者下降；相應(yīng)的，在保持蒸汽耗氣量恒定的情況下，進(jìn)水量改變時(shí)，汽包的液位值也會(huì)隨之產(chǎn)生改變。實(shí)際控制中，調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)液位高低的變化程度進(jìn)行開大與關(guān)小閥門，使液位固定在指定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。由控制系統(tǒng)框圖2所示可知，系統(tǒng)的被控對(duì)象是鍋爐汽包，系統(tǒng)輸出量是鍋爐汽包液位參數(shù)，該參數(shù)經(jīng)差壓變送器使測(cè)量得到的液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，電流信號(hào)由負(fù)反饋再與給定的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后將差值傳送到調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)的控制器為調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器按照差值，并采用一定的控制規(guī)則，對(duì)調(diào)節(jié)閥發(fā)出控制指令，使調(diào)節(jié)閥完成相應(yīng)動(dòng)作。常見的調(diào)節(jié)器為氣關(guān)式與氣開式，工程上常采用氣關(guān)式作為安全保證，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)為給水變化與蒸汽變化，即給水壓力變化與蒸汽負(fù)荷變化。關(guān)于鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析：鍋爐汽包液位控制的任務(wù)是，在保持汽包液位處于標(biāo)準(zhǔn)值范圍的情況下，是給水量的變化與蒸汽量的變化一致。對(duì)于燒結(jié)余熱鍋爐尤其重要，因?yàn)闊Y(jié)熱源及其不穩(wěn)定，對(duì)于蒸發(fā)量的擾動(dòng)非常頻繁。鍋爐汽包液位控制就是要把汽包液位穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中主被控量設(shè)為鍋爐汽包液位，副控制量設(shè)為蒸汽調(diào)節(jié)閥與給水調(diào)節(jié)閥，其作用為改變進(jìn)水量。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。給水流量的變化與蒸汽流量的改變是汽包液位產(chǎn)生波動(dòng)的直接原因，控制器會(huì)將反饋回來的液位信號(hào)值與初始的給定值進(jìn)行比較，然后將傳輸回來的誤差施加到調(diào)節(jié)控制器上，從而達(dá)到改變給水閥的大小來調(diào)節(jié)液位高度的目的。鍋爐汽包液位受到多種影響，比如常見的給水與蒸汽影響，以及汽水系統(tǒng)內(nèi)汽水混合物的體積變化影響。鍋爐液位汽包不僅是液位下氣泡的體積，還體現(xiàn)了整個(gè)水路管路的體積?？偟膩碚f，其液位變化主要受以下方面影響：第一，蒸汽量的壓力波動(dòng)；第二，蒸汽量的負(fù)荷擾動(dòng)；第三、給水母管壓力的波動(dòng)以及給水閥開度的變化等相關(guān)的給水?dāng)_動(dòng)；第四、燃料發(fā)熱源的變化。把汽包的體積分為三個(gè)部分，即水體積VW、蒸汽蒸發(fā)面上下的體積VS與VD，特別的，蒸汽面以下的汽水混合體積由VW和VS組成。由于蒸汽負(fù)荷的波動(dòng)會(huì)帶來汽包壓力的擾動(dòng)，而壓力的浮動(dòng)可歸結(jié)于蒸汽負(fù)荷中，故汽包壓力產(chǎn)生的影響可略。熱源的波動(dòng)雖然對(duì)液位有影響，但由于有較大的滯后性，可略去不算。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)與化簡，汽包液位的動(dòng)態(tài)特征方程可表示為以下形式：式中：H為汽包液位；T1、T2為時(shí)間系數(shù)，單位為s；TW給水量的時(shí)間系數(shù)，單位為s；TD蒸汽量的時(shí)間系數(shù)，單位為s；KW給水量的放大倍數(shù)；KD蒸汽量的放大倍數(shù)。由公式(1)可知，鍋爐汽包液位的主要控制因素來源于蒸汽量與給水量的擾動(dòng)，將其分為兩種情況討論，即只有內(nèi)部擾動(dòng)的給水量下的動(dòng)態(tài)特性，與只有外部擾動(dòng)的蒸汽量下的動(dòng)態(tài)特性。給水量數(shù)值變化擾動(dòng)下鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)給水量發(fā)生變化，而蒸汽量的值恒等不變，那么，鍋爐汽包液位調(diào)節(jié)對(duì)象的微分方程如下所示：對(duì)式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：T1T2S2H(S)+T1SH(s)＝TwSUW+Kwuw(3)汽包液位被控量在給水流量擾動(dòng)下的傳遞函數(shù)可由式(3)變化得到：在現(xiàn)實(shí)工程中，對(duì)于蒸汽壓力不大于2.0MPa的中壓鍋爐，給水量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)較小，可不做計(jì)算，因此(4)式可簡化為：式中，為反應(yīng)速度，即給水流量按單位流量變化時(shí)液位的變化速度，mm/s(t/h)。從式(5)得到，在給水?dāng)_動(dòng)的情況下，汽包液位簡單可視為一個(gè)積分環(huán)節(jié)與一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的。蒸汽量數(shù)值變化擾動(dòng)下鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)設(shè)定蒸汽量的數(shù)值發(fā)生變化，而給水量的數(shù)值不變的情況下，由式(3.1)，鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性微分方程可表示為：對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：T1T2S2H(S)+T1SH(s)＝-[TDSUD(S)+KDuD(S)](7)蒸汽蒸發(fā)量擾動(dòng)下汽包液位被控對(duì)象的傳函為：上式可等效為兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的和：式中：K2＝(KDT2-TD)/T1，Ta＝TD/K1。變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)和儀器儀表的選擇，實(shí)際工程中變動(dòng)器的型號(hào)采用DDZ2組合儀表，流量計(jì)的量程為150t/h，液位變送器的量程為300毫米水柱，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為4-20mADC。蒸汽流量孔板αp、給水電磁流量計(jì)αw、差壓液位變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)αm分別為：調(diào)節(jié)閥采用線性閥，增益為受鍋爐自身容量、調(diào)節(jié)幅度以及負(fù)荷變化速度的影響，鍋爐汽包液位控制可以分為以下三種方式：只針對(duì)汽包液位控制的單沖量給水控制系統(tǒng)；液位作為主控制信號(hào)，蒸汽耗氣量擾動(dòng)作為副控制信號(hào)的雙沖量給水控制系統(tǒng)，以及在雙沖量給水控制的基礎(chǔ)上加入給水量壓力擾動(dòng)控制的三沖量控制系統(tǒng)。單沖量控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。該系統(tǒng)是典型的單回路，負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)反饋信號(hào)為鍋爐汽包液位，變送器通過轉(zhuǎn)換將電子信號(hào)發(fā)送至控制器，控制器通過將測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，得出的差值發(fā)送給調(diào)節(jié)器，通過對(duì)調(diào)節(jié)器給水量大小的改變控制，來保持鍋爐汽包液位的數(shù)值高度范圍。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，在“虛假液位”不嚴(yán)重的情況下應(yīng)用。缺點(diǎn)：在產(chǎn)生“虛假液位”時(shí)，調(diào)節(jié)器往往會(huì)進(jìn)行反向操作，這樣會(huì)造成，當(dāng)外界負(fù)荷變大時(shí)，調(diào)節(jié)器則關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥；當(dāng)外界負(fù)荷變小時(shí)，調(diào)節(jié)器則開大給水調(diào)節(jié)閥。這樣會(huì)造成液位波動(dòng)很大，難以平息擾動(dòng)帶來的干擾，而且，給水閥的反應(yīng)也相對(duì)緩慢。雙沖量控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示。和單沖量相比，加入了蒸汽擾動(dòng)信號(hào)，將其作為汽包液位控制的主要擾動(dòng)，并將蒸汽流量作為系統(tǒng)的校正信號(hào)，此時(shí)，形成汽包液位的雙沖量控制系統(tǒng)。把蒸汽擾動(dòng)經(jīng)過處理作用在給水調(diào)節(jié)閥上，使得給水量與蒸汽量同步進(jìn)行變化，這樣可以補(bǔ)償“虛假液位”帶來的困擾，減少為之引起的方向誤操作，并且可令給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作及時(shí)。雙沖量控制系統(tǒng)優(yōu)劣如下：優(yōu)點(diǎn)：由于引入了蒸汽擾動(dòng)信號(hào)，使得控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度高于單沖量控制系統(tǒng)。缺點(diǎn)：雖然加入了蒸汽擾動(dòng)信號(hào)作為調(diào)節(jié)補(bǔ)償信號(hào)，但當(dāng)給水側(cè)發(fā)生擾動(dòng)變化時(shí)，系統(tǒng)就和單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一致了，依舊無法抵消“虛假液位”帶來的困擾，并且給水閥的工作特性有可能是非線性的，這樣會(huì)給靜態(tài)補(bǔ)償造成很大壓力。由于雙沖量控制系統(tǒng)依舊無法減少“虛假液位”帶來的干擾，考慮加入給水量擾動(dòng)信號(hào)作為以汽包液位為主沖量控制信號(hào)，給水?dāng)_動(dòng)和蒸汽流量擾動(dòng)為副沖量控制信號(hào)的三沖量控制系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)可分為前饋-串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)與前饋-反饋三沖量控制系統(tǒng)，以前饋-串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象進(jìn)行論述，所謂“前饋-串級(jí)”，即將相比蒸汽擾動(dòng)信號(hào)的給水?dāng)_動(dòng)信號(hào)作為前饋信號(hào)，將加法器放在控制器與調(diào)節(jié)器的中間，其控制原理圖和控制系統(tǒng)框圖分別如圖6和圖7所示。通過引入三個(gè)沖量信號(hào)作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主副控制信號(hào)，使得“虛假液位”的影響大大減少，當(dāng)系統(tǒng)外界負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，使用前饋-串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)能是液位基本保持無差?？刂破鞯姆N類經(jīng)歷了多次更迭，但由于PID控制器其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)踐運(yùn)用豐富、理論研究深入，使得其成為工業(yè)控制領(lǐng)域里使用最為廣泛的控制器。加上PID控制器適用性極強(qiáng)，并且對(duì)于調(diào)節(jié)效果也得到了廣泛的認(rèn)可。PID控制器的歷史分為兩個(gè)階段：其一是1940s年代，PID控制器被設(shè)計(jì)出來，并初步應(yīng)用在工業(yè)中。隨后，1980s年代末微積分技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)志著PID控制器形成了固定的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也將PID控制器的繼續(xù)發(fā)展進(jìn)入了下一個(gè)階段，PID控制器進(jìn)化為一種魯棒性強(qiáng)，穩(wěn)定并且使用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的控制器。PID控制器的發(fā)展，絲毫沒有受到現(xiàn)如今各種新控制策略的出現(xiàn)和發(fā)展的影響。正因如此，這些技術(shù)的發(fā)展更進(jìn)一步的推動(dòng)了PID控制器的持續(xù)完善。例如，這些新的策略與PID控制器相結(jié)合的設(shè)計(jì)，使PID控制器的生命力持續(xù)加強(qiáng)，并且發(fā)展速度加快。相反，隨著科技與計(jì)算機(jī)時(shí)代的來臨，對(duì)于控制的要求變得非常高，所以，對(duì)于PID控制器更高、更精并且能具備自整定的能力。PID控制器簡單來講，是由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)進(jìn)行線性疊加組合而成的控制系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制器原理如圖8所示。PID控制器的控制規(guī)律為：式中：U(t)為控制器輸出e(t)為控制器輸入，是系統(tǒng)給定值和被控對(duì)象輸出值的差，即e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)為系統(tǒng)參考輸入，y(t)為系統(tǒng)輸出，也稱偏差信號(hào)：Kp為控制器的比例系數(shù)；Ti為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；Td為控制器的微分時(shí)間常數(shù)；對(duì)公式(10)進(jìn)行拉普拉斯變換后，可以得到：對(duì)公式(10)進(jìn)行拉普拉斯變換后，可以得到：經(jīng)過進(jìn)一步變換，PID控制器的傳函如下：下面對(duì)PID控制器三個(gè)部分的變化對(duì)被控對(duì)象的影響進(jìn)行簡要闡述：(1)比例調(diào)節(jié)部分比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)Kp的選擇要適度，過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，過小會(huì)達(dá)不到控制要求，所以要選擇適中的比例系數(shù)，這樣才能有效減少誤差，并且加快調(diào)節(jié)速度，減少過度時(shí)間。值得注意的是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。(2)積分調(diào)節(jié)部分由于比例調(diào)節(jié)系數(shù)無法消除穩(wěn)態(tài)靜差，加入了積分環(huán)節(jié)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。積分時(shí)間調(diào)節(jié)系數(shù)Ti越大，積分控制調(diào)節(jié)越弱，相應(yīng)地，積分時(shí)間越小，控制效果越顯著，但有可能產(chǎn)生劇烈振蕩。所以，適當(dāng)?shù)姆e分調(diào)節(jié)系數(shù)會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)完成消除靜差的目的。(3)微分調(diào)節(jié)部分微分調(diào)節(jié)系數(shù)Td主要用來加快系統(tǒng)響應(yīng)的作用，可以反映誤差信號(hào)的變化趨勢(shì)，適當(dāng)?shù)奈⒎终{(diào)節(jié)系數(shù)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及調(diào)節(jié)時(shí)間。由于計(jì)算采用的是非連續(xù)的離散采樣控制，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要把連續(xù)的PID控制控制算法轉(zhuǎn)化為，計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的離散控制方法，得出PID的位置式控制算法，以配合計(jì)算機(jī)的使用，對(duì)式(10)進(jìn)行處理后得到：位置式PID控制算法是全量輸出，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量很大，要對(duì)e(k)進(jìn)行逐次累加，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，計(jì)算機(jī)輸出的u(t)將大幅度變化，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置也發(fā)生大幅度變化。這種情況在生產(chǎn)實(shí)踐中往往是不允許的，尤其可能會(huì)導(dǎo)致某些場合發(fā)生重大安全事故，因而誕生了增量式PID算法，其算法如下所示：△u(k)＝KP△e(k)+Ki△e(k)+Kd[△e(k)-△e(k-1)](14)增量式PID控制對(duì)比位置式PID控制的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。一旦計(jì)算發(fā)生故障，控制系統(tǒng)可以保持原值，使得計(jì)算機(jī)的故障對(duì)系統(tǒng)的影響比較少。而且增量式的計(jì)算方法不是采用歷史的所有數(shù)據(jù)，這也減少了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，增加了運(yùn)算速度，能夠相對(duì)容易的實(shí)現(xiàn)控制要求。在長期的理論實(shí)踐與實(shí)際應(yīng)用中，以上兩種PID控制方式依然無法滿足當(dāng)前控制的要求，其重要的原因在于，系統(tǒng)的PID參數(shù)一旦設(shè)定好，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)變更，以適應(yīng)新的控制環(huán)境的要求。既然常規(guī)的PID控制器無法改變由于外界擾動(dòng)帶來的困擾，那么，為了實(shí)現(xiàn)更高的控制指標(biāo)與適應(yīng)更復(fù)雜的控制環(huán)境，人們漸漸將視線轉(zhuǎn)移到了一個(gè)新的領(lǐng)域—智能控制。模糊控制是典型的非線性控制，它可以應(yīng)用到不完全明確被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的控制環(huán)境中，由于鍋爐汽包液位控制是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，無法精確的獲得其數(shù)學(xué)模型，故此，模糊控制就是一個(gè)很好的控制方法。經(jīng)過時(shí)間的推移，模糊控制得到了長足的發(fā)展，日益成為工業(yè)、民用常用的控制方式。如圖9所示，模糊控制器主要分為以下幾部分：模糊控制器：此為模糊控制的核心，如虛線表示。它主要由知識(shí)庫與模糊推理組成。通過模糊規(guī)則推理產(chǎn)生的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)。輸入-輸出接口：被控對(duì)象的離散信號(hào)通過輸入接口傳遞給模糊控制器，在做完模糊判決后，經(jīng)輸出接口再次傳送給被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。傳感器(儀表)：主要是信號(hào)轉(zhuǎn)換的裝置。常見的控制量并不都是電信號(hào)，多數(shù)是壓力信號(hào)，流量信號(hào)或者溫度信號(hào)，這樣就需要一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置將其他類型的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)作為控制的基礎(chǔ)。常用精度高、穩(wěn)定性好的儀表作為傳感器。被控對(duì)象：多數(shù)為機(jī)械設(shè)備，或各個(gè)設(shè)備的群體構(gòu)成。當(dāng)無法取得精確的數(shù)學(xué)模型是，適合采用模糊控制進(jìn)行處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：常見的有各種電動(dòng)機(jī)(交流、直流)，液壓器等調(diào)節(jié)設(shè)備。結(jié)合鍋爐汽包液位單沖量模糊控制系統(tǒng)為例，簡單闡述一下模糊控制的基本原理：通過液位變送器傳出來的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，便得到信號(hào)誤差e，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，并且送入模糊控制器中，在控制器內(nèi)通過控制算法，得到數(shù)字信號(hào)，在通過數(shù)模轉(zhuǎn)化，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量輸出到被控對(duì)象上，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度，改變鍋爐給水量，做到保持鍋爐液位范圍控制的目的。以上控制過程與一般的反饋控制有所相似，不同之處在于控制量不是精確量而是模糊量。模糊量通過模糊規(guī)則推理得到另一個(gè)模糊量，在經(jīng)過變化才產(chǎn)生控制被控對(duì)象的調(diào)節(jié)信號(hào)。規(guī)則庫是模糊控制器的另一個(gè)核心，通常需要專家以及有一定操作經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行設(shè)定，規(guī)則庫的表現(xiàn)形式一般展現(xiàn)為人類思想的語言表達(dá)。通常有關(guān)系詞構(gòu)成，在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中，控制規(guī)則用語言描述如下：若汽包液位水平處于較低狀態(tài)，則加大給水量的供給，液位越低，給水量加大的越多，若汽包液位水平處于較高狀態(tài)，則減少給水量的供給，液位越高，給水量減少的越多。模糊控制是為了解決人們無法找到某些被控對(duì)象的精確模型而產(chǎn)生的一種非線性控制算法，算法憑借專家知識(shí)或熟練操作員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)簡要如下：1)具有良好的魯棒性，適應(yīng)外界的干擾與變化。2)不需要知道精確的數(shù)學(xué)模型，控制原理簡單易于實(shí)現(xiàn)。3)采用擬人的控制思想，具有智能控制水平。雖然模糊控制器有諸多優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)過長期的時(shí)間表明，模糊控制器也存在如下缺點(diǎn)：1)控制精度較低，主要是由于模糊控制的控制方法所致。控制受量化等級(jí)的限制，真正實(shí)際工作中，為了減少運(yùn)算時(shí)間，計(jì)算機(jī)不允許使用過多的查詢表進(jìn)行查詢。2)有可能出現(xiàn)小幅震蕩，或者靜差。為了解決模糊控制帶來的缺點(diǎn)，工程人員想出了很多方法，其中，將傳統(tǒng)的PID控制與現(xiàn)代的模糊控制相結(jié)合，就是一種有效的方法。對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)可以通過以下步驟：1)選定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。即選定模糊控制器的輸入、輸出量。2)對(duì)模糊控制器的輸入、輸出量進(jìn)行模糊化。通常采用量化因子與比例因子進(jìn)行實(shí)際論域是模糊論域的轉(zhuǎn)化，把精確量分為“負(fù)小”、“正小”、…“負(fù)大”、“正大”等區(qū)間，并通過計(jì)算得出隸屬度函數(shù)。3)設(shè)計(jì)模糊推理決策算法。通過現(xiàn)場采集到的信號(hào)以及專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將系統(tǒng)是輸入輸出量編輯成一系列的“if-then”規(guī)則語句，利用專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，采用相適應(yīng)的算法得到控制表，常見的算法有，極大極小法、中位數(shù)法等等。4)對(duì)輸出量進(jìn)行解模糊。通過查詢控制表得到輸出控制量，而這個(gè)數(shù)值的一個(gè)模糊量，需要使用比例因子把它從模糊量轉(zhuǎn)化成在實(shí)際輸出范圍的，可以精確控制的精確量，這一過程稱之為解模糊。模糊控制器性能的優(yōu)劣和控制器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是密不可分的，常見的單變量控制系統(tǒng)是由一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量構(gòu)成的自動(dòng)控系統(tǒng)，在模糊控制中，輸入控制變量的個(gè)數(shù)一般稱為該系統(tǒng)的維數(shù)。而所謂的多變量控制系統(tǒng)即為多個(gè)輸入變量與多個(gè)輸出變量組成的系統(tǒng)。一維模糊控制器：這是一種相對(duì)簡單的模糊控制器如圖11所示，具有單個(gè)輸入/輸出變量，用偏差e為控制的輸入，控制量U為控制輸出。經(jīng)常被用于控制一階被控對(duì)象，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制性能不佳是此控制器的缺點(diǎn)。二維模糊控制器：這種類型的模糊控制器是目前來說比較常用的，如圖12所示，雙輸入(誤差和誤差的變化率)單輸出系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)PD控制器，與一維控制器相比，有效的降低了系統(tǒng)震蕩以及減少了超調(diào)。多維模糊控制器：三維模糊控制器如圖13所示，與二維控制器相比，輸入還增加了偏差變化率的變化率，通常來講，模糊控制器的維數(shù)與精確性成正比，同時(shí)，維數(shù)又與控制器的復(fù)雜性成正比，維數(shù)過高，控制算法的實(shí)現(xiàn)也就更困難。這是三維或多維模糊控制器在應(yīng)用上存在的問題。模糊控制器的論域：論域及基本論域，基本論域是輸入變量的誤差、輸入變量的誤差變化率以及輸出變量，其范圍值是精確量。通常，誤差的基本論域設(shè)定為[-emax，emax]；誤差的變化量的基本論域設(shè)為[-△emax，△emax]；輸出控制量的基本論域定義為[-umax，umax]。對(duì)于模糊論域把誤差的模糊論域設(shè)為{-na，-na+1，…，+1，0，-1，…na-1，na}；誤差的變化率的模糊論域設(shè)為{-nb，-nb+1，…，+1，0，-1，…nb-1，nb}；輸出控制量的模糊論域設(shè)為{-nc，-nc+1，…，+1，0，-1，…nc-1，nc}。量化因子與比例因子：計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)模糊控制時(shí)，每次采樣得到的控制量需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，需要將輸入控制變量與輸出控制變量從基本論域轉(zhuǎn)化到模糊集的論域，這中間就需要量化因子與比例因子的幫助。量化因子一般指誤差的量化因子與誤差的變化率量化因子，將誤差的量化因子定義為：e的量化因子定義為：比例因子一般指控制量輸出變量的比例因子，我們將控制量輸出變量的比例因子定義為：模糊論域的分級(jí)與語言值的分檔：模糊語言變量的語言值分檔越多，對(duì)事物描述的就越細(xì)致、越準(zhǔn)確，設(shè)定的控制規(guī)則就靈活，控制效果也就越好。但是語言值過多時(shí)，會(huì)造成編程困難，占用存儲(chǔ)量大；語言值分檔太少，則規(guī)則變少，控制效果變差。語言變量的語言值一般劃分為：{NB，BM，NS，ZO，PS，PM，PB}，語言值分檔的數(shù)量m通常取2到10之間。模糊論域分級(jí)一般選取{-6～+6}，{-3～+3}等。通常為了提高控制精度可以采取增加論域元素的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，但過多的元素有時(shí)也不一定能帶來顯著的效果，而且數(shù)量越多計(jì)算量也就越大，一般地，把模糊論域中所含元素個(gè)數(shù)n取值為語言變量個(gè)數(shù)m的兩倍，這樣既可以很好的覆蓋論域，也能消除失控造成的危險(xiǎn)。隸屬度函數(shù)的選?。撼Ｒ姷碾`屬度函數(shù)有正態(tài)型隸屬度函數(shù)、Z型隸屬度函數(shù)、S型隸屬度函數(shù)，梯形隸屬度函數(shù)、三角形隸屬度函數(shù)等。一般常用三角形隸屬度函數(shù)與梯形隸屬度函數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡單，而且計(jì)算方便，占用存儲(chǔ)空間小，并且在輸入量發(fā)生變化時(shí)，靈敏度要高于正態(tài)型隸屬度函數(shù)。一般情況下，隸屬函數(shù)的形狀對(duì)于控制的影響要小于其幅寬大小的影響。也就是說，幅寬對(duì)與控制器的性能影響較大。把幅寬比較窄，模糊子集形狀比較陡峭的稱為高分辨率，把幅寬比較寬，模糊子集比較平緩的稱為低分辨率。高分辨率控制精度高，但輸出變化大，低分辨率穩(wěn)定性較好，但輸出變化小。通常要想獲得良好的魯棒性，將高分辨率的隸屬度函數(shù)模糊子集放置在偏差較小的區(qū)域，將低分辨率的隸屬度函數(shù)模糊子集放置在偏差較大的區(qū)域。模糊推理決策算法的設(shè)計(jì)，模糊控制器的核心是對(duì)模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，控制規(guī)則是人們對(duì)被控對(duì)象受控過程的認(rèn)知與操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，選擇控制規(guī)則時(shí)應(yīng)該對(duì)其規(guī)則條數(shù)和質(zhì)量進(jìn)行關(guān)注，模糊控制規(guī)則的確定和可調(diào)節(jié)性將決定控制器的性能優(yōu)劣。由于被控對(duì)象的特殊性，比如具有高階次、非線性、時(shí)變性以及各種其他干擾擾動(dòng)的因素影響，使得模糊控制規(guī)則變得不夠完善，比較粗糙，這從不同程度上將會(huì)影響控制效果的優(yōu)劣，這樣迫使找到一個(gè)可以在線調(diào)整模糊控制規(guī)則或者參數(shù)的新型模糊控制器取代以往的不可變更性，模糊自整定控制器就是其中的一員。模糊控制器的算法由運(yùn)算速度與運(yùn)算精度的不同可以簡單的分為查表法、公式解析法、推理算法等。輸出量的解模糊，通過模糊推理得出控制變量的模糊子集，并非可以直接控制被控對(duì)象的精確量，需要將其轉(zhuǎn)化，最終目的是作用到被控對(duì)象上，把這一轉(zhuǎn)化過程叫做解模糊，或者去模糊。常用的方法有MIN-MAX重心法、選擇最大隸屬度法、選取中位數(shù)法、函數(shù)型推理法等等，每個(gè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中最大隸屬度法最為簡單，但這種方法只是強(qiáng)調(diào)了隸屬度最大元素的控制作用，并非考慮全體的貢獻(xiàn)，所利用的信息比較少。中位數(shù)法則是考慮全體元素的信息，將選取的模糊子集的隸屬度函數(shù)曲線和橫坐標(biāo)所圍成區(qū)域的面積平分為兩部分的數(shù)，作為解模糊判決的結(jié)果。但是計(jì)算量比較大，所以在實(shí)際的工程當(dāng)中要考慮系統(tǒng)的復(fù)雜程度與精度來選擇最佳的解模糊方式。參數(shù)模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的PID控制對(duì)于多數(shù)的控制對(duì)象和控制過程都表現(xiàn)了很好的控制效果，仍然將此控制方法廣泛應(yīng)用。值得一提的是，傳統(tǒng)PID控制法在參數(shù)調(diào)整上具有一定的特殊性，調(diào)節(jié)參數(shù)往往需要有一定的人工經(jīng)驗(yàn)，否則，參數(shù)將無法確定好。另外，調(diào)整好的參數(shù)也不一定適用被控對(duì)象的整個(gè)運(yùn)行過程，當(dāng)有外界干擾，或者系統(tǒng)的控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生了變化，固定的一組PID參數(shù)將無法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的良好控制，控制性能將大打折扣。那么，設(shè)計(jì)出可在線調(diào)整PID參數(shù)的控制器將成為解決問題的方法。模糊控制理論是基于人類的思考模式與方法建立起來的控制理論，其最大的特點(diǎn)是，不必須要精準(zhǔn)的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，可以利用專家的控制策略與經(jīng)驗(yàn)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行良好的控制。將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合起來，將更好地發(fā)揮兩者控制理論的優(yōu)點(diǎn)，利用模糊控制，使傳統(tǒng)的PID控制具有在線自整定參數(shù)的功能，這樣參數(shù)自整定PID控制器既有靈活適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又有控制精度高的長處，可謂強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)了控制性能的進(jìn)一步提高。由于考慮工程上的應(yīng)用需求，采用參數(shù)模糊自整定PID控制器的進(jìn)行設(shè)計(jì)。PID參數(shù)模糊自整定控制器具有原理簡單、魯棒性強(qiáng)、靈活性與適應(yīng)性高的特點(diǎn)，它通過對(duì)控制過程中不同參數(shù)的檢測(cè)與分析，在線對(duì)PID的參數(shù)KPKI和KD進(jìn)行調(diào)整，使其更有效的完成對(duì)被控對(duì)象外界干擾和不確定因素的控制。典型的參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖14所示，該系統(tǒng)在工程上易于實(shí)現(xiàn)，并且具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。由圖可以看出，系統(tǒng)由模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器組成，控制系統(tǒng)的輸入為誤差和誤差的變化率，并將其值傳送到模糊控制器上，由模糊控制器和PID控制器共同進(jìn)行運(yùn)算，最終將調(diào)整好的參數(shù)作用在被控對(duì)象上，可以看出，模糊控制器通過模糊推理在線不斷調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定的控制方式。參數(shù)自整定PID控制器的原理工作思想是，找到誤差e和誤差變化率ec與PID的三個(gè)參數(shù)KPKI和KD的關(guān)系，通過系統(tǒng)對(duì)誤差和誤差變化率的不斷檢測(cè)、更新，實(shí)現(xiàn)在線對(duì)KPKI和KD的參數(shù)調(diào)整以此滿足對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化的適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)較好的控制。由于三個(gè)參數(shù)△KP△KI和△KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響，下面結(jié)合系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線圖15來介紹，系統(tǒng)在不同的誤差和誤差變化率的情況下，被控對(duì)象參數(shù)KPKI和KD的自整定原則：1)當(dāng)誤差|e|較大時(shí)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)位于曲線的Ι段時(shí)，應(yīng)采取避免誤差過大，加大系統(tǒng)響應(yīng)，但也要避免系統(tǒng)超出控制范圍。所以，提高Kp的數(shù)值，減少KD的數(shù)值，去掉積分作用，使KI為零。2)當(dāng)誤差和誤差的變化率|e|和|ec|數(shù)值中等時(shí)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)位于曲線的Ⅱ段時(shí)，應(yīng)減少系統(tǒng)的超調(diào)量，為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Kp應(yīng)該減小，KI和KD應(yīng)該適當(dāng)調(diào)結(jié)。3)當(dāng)誤差|e|較小時(shí)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)位于曲線的Ⅲ段時(shí)，應(yīng)讓系統(tǒng)得到良好的穩(wěn)定性，此時(shí)應(yīng)加大KP和KI的取值，同時(shí)，為了避免干擾的因素以及持續(xù)振蕩的影響，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整KD的取值。一般方法是，當(dāng)誤差的變化率|ec|較小時(shí)，KD取值適中；當(dāng)誤差的變化率|ec|較大時(shí)，KD取值減少?？刂破鞯妮斎胱兞繛檎`差e和誤差的變化率ec，輸出為PID的三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)KPKI和KD，算法的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法如下所示：第一、把誤差、誤差的變化率以及PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行模糊化，選定每個(gè)變量的模糊子集的隸屬度。第二、通過模糊控制規(guī)則，將PID的三個(gè)參數(shù)KPKI和KD進(jìn)行參數(shù)校正。第三、運(yùn)用模糊推理，得出調(diào)整好的PID三個(gè)參數(shù)KPKI和KD，并且輸出矩陣表。各變量的隸屬函數(shù)及值的表示：系統(tǒng)最大動(dòng)態(tài)誤差是蒸汽擾動(dòng)帶來的液位變化，大約為40mm水柱。由于差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.04(16/400)，因此偏差e的變化范圍為40×0.04＝1.6mA，即偏差的e的基本論域?yàn)閧-1.6,1.6}。偏差e的量化因子為Ke＝3/1.6＝1.875。在設(shè)定值的作用下系統(tǒng)達(dá)到最大值(即200mm水柱)經(jīng)過200S的時(shí)間。因此，偏差變化率ec的基本論域?yàn)閧-0.04,0.04}。偏差變化率的量化因子Kec＝3/0.04＝75。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)的范圍來確定輸出變量u的比例因子Ku。因?yàn)檫x用的是DDZΙΙ型儀表，信號(hào)范圍為4-20mA，則Ku＝8/3≈2.67各變量分別具有一定的變化范圍，定義模糊集上的論域?yàn)椋篹、ec、KP、KI、KD＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并設(shè)其模糊子集為：e、ec、KP、KI、KD＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}取輸入e、ec及輸出KPKI和KD的隸屬度函數(shù)為三角型函數(shù)。對(duì)應(yīng)的誤差e和誤差變化率ec的模糊變量表如表1所示：表1e、ec模糊變量表對(duì)應(yīng)的KPKI和KD模糊變量表如表2所示：表2KPKI和KD模糊變量表KP/KI/KD-3-2-10123PB00000.20.61PM00000.510.5PS0000.510.50ZO000.510.500NS00.510.5000NM0.510.50000NB10.50.20000各變量隸屬函數(shù)曲線采用三角形，液位誤差e、偏差變化率ec、輸出控制量KP、KI、KD的隸屬度曲線如圖18所示。量化因子與比例因子的選定。誤差的量化因子Kε設(shè)定為誤差的變化率量化因子輸出控制量的比例因子其中xε為液位誤差值，xεc為水位誤差變化率，yu為輸出控制量，n、m、l為論域值。在本設(shè)計(jì)中取m＝n＝3。建立模糊控制規(guī)則表：PID參數(shù)自整定控制器的核心是參數(shù)整定的規(guī)則，這一規(guī)則是由專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出的，把規(guī)則編制到表格里，如下所示：表3KP模糊控制規(guī)則表表4KI模糊控制規(guī)則表表5KD模糊控制規(guī)則表模糊合成推理算法及調(diào)整決策矩陣：通過計(jì)算得出KPKI和KD的調(diào)整控制規(guī)則表后，將進(jìn)行算法合成，三個(gè)參數(shù)的計(jì)算過程不盡相同，以KP計(jì)算過程為例，詳見如下:a)合成推理算法把誤差與誤差變化率(e、ec)輸出(KP)組成的模糊控制系統(tǒng)，按先前給定的控制規(guī)則書寫如下：Ife＝eiandec＝ecjtheni＝1，2，ΛΛmj＝1，2，ΛΛn其中ei、ecj、Kpij分別是定義在e、ec、Kp上的模糊集，上式可用一個(gè)ei×ecj到Kpij的模糊關(guān)系R來描述，即R＝Uij(ei×ecj)×Kpij(18)根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，“×”運(yùn)算的含義由下式定義：如果偏差和偏差變化率分別取e和ec，則模糊控制器給出的控制量的變化由模糊推理合成規(guī)則算出：Kp＝(e×ec)oR(20)即b)控制規(guī)則Kp的控制規(guī)則如下所示：ife＝NBandec＝NSthenKp＝PBife＝NBandec＝0thenKp＝PBife＝NBandec＝PSthenKp＝PMife＝PBandec＝PBthenKp＝NB。c)模糊關(guān)系R的求取RK＝(ei×ecj)T×KpkR＝R1∪R2∪R3∧∪Rk式中i＝1，2，L，m；j＝1，2，L，n；k＝1，2，L，m×n由控制規(guī)則表和上式得：則模糊關(guān)系R為：d)參數(shù)Kp的模糊集的試算過程KP＝(e×ec)oR，則KP1＝[00000.20.51]KP2＝[00000.50.61]KP48＝[10.60.50.20.500]KP49＝[10.60.50000]下面進(jìn)行KP的解模糊判決e)KP的解模糊判決在模糊判決里采用簡單易行的最大隸屬度法進(jìn)行處理。由此可得表6KP參數(shù)模糊調(diào)整控制表。使用相同的方法，可以繪制出表7、表8KI和KD的模糊調(diào)整決策矩陣。表6KP參數(shù)的模糊調(diào)整表ec/KP/e-3-2-10123-33.03.03.03.02.01.00-23.03.03.03.01.500-12.02.02.02.01.00-1.002.01.01.00-1.0-1.0-1.011.00-1.0-2.0-2.0-2.0-2.0200-2.0-3.0-3.0-3.0-3.030-1.0-3.0-3.0-3.0-3.0-3.0表7KI參數(shù)的模糊調(diào)整表ec/KI/e-3-2-10123-31.0-3.0-3.0-1.0-3.0-3.01.0-21.0-3.0-3.0-1.0-3.0-3.01.0-10-2.0-2.0-1.0-2.0-2.0000-1.0-1.0-1.0-1.0-1.00102.01.001.02.0021.03.01.01.03.03.01.031.03.02.02.03.03.01.0表8KD參數(shù)的模糊調(diào)整表f)模糊PID控制算法當(dāng)用誤差和誤差變化率來表示一個(gè)PID控制，則其表達(dá)形式為：u(k)＝KPe(k)+KI∑e(k)+KDec(k)(22)其中u(k)為控制器輸出量，e(k)為誤差，ec(k)為誤差變化率，KP為比例系數(shù)，KI為積分作用系統(tǒng)，KD為積分作用系數(shù)。定義KD＝K'D+{e,ec}KD＝K'D+△KD參數(shù)調(diào)整算式如下KP＝K'P+{e,ec}KP＝K'P+△KP(23)KI＝K'I+{e,ec}KI＝K'I+△KI(24)KD＝K'D+{e,ec}KD＝K'D+△KD(25)式中KPKI和KD參數(shù)是PID控制器的參數(shù)，K'P、K'I、K'D是KPKI和KD的初始參數(shù)。在控制系統(tǒng)的調(diào)整過程中，系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，更新在線調(diào)整系數(shù)KPKI和KD，最后找到一個(gè)最佳值，以實(shí)現(xiàn)三個(gè)參數(shù)的自整定調(diào)節(jié)控制。通過以上分析，選擇二輸入三輸出類型的模糊控制器作汽包液位為本文的控制器類型，用燒結(jié)余熱鍋爐的汽包液位誤差e和汽包液位誤差變化率ec作為模糊控制器系統(tǒng)的兩個(gè)輸入量，KPKI和KD作為模糊控制器的三個(gè)輸出量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖16所示。如圖17所示，仿真(Simulation)是一項(xiàng)結(jié)合了多個(gè)
技術(shù)領(lǐng)域：
的一門新興高科技技術(shù)。在計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)和預(yù)估產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境的性能與特征。仿真技術(shù)也在不斷發(fā)展，拿按照實(shí)現(xiàn)方式的不同，分別經(jīng)歷了物理仿真階段、模擬仿真階段、混合仿真階段、基于圖形工作站的三維可視交互仿真等從實(shí)物到計(jì)算機(jī)仿真一共五個(gè)發(fā)展階段。由于引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、多媒體等外界設(shè)備，使得仿真變得越老越友好，功能越來越強(qiáng)大，并普遍得到大家的關(guān)注，近些年來，像虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、分布交互技術(shù)、仿真培訓(xùn)等都越來越被大家認(rèn)可與接受。仿真遵循的是相似性參數(shù)模糊自整定PID控制器的流程如圖17所示。在本實(shí)施例中，可以采用MATLAB模糊工具箱進(jìn)行仿真，控制器的模糊推理采用Mamdani型，隸屬度函數(shù)為三角形，解模糊采取最大隸屬度法，模糊集為7級(jí)，模糊規(guī)則為ifeisXXandecisXXthenuisXX。(其中XX為NB、MB、PB等)根據(jù)傳統(tǒng)鍋爐液位三沖量PID控制方式，本設(shè)計(jì)的鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)使用串級(jí)的控制方式，傳統(tǒng)的PID控制器作為副控制器，模糊自整定PID控制器作為主控制器，該系統(tǒng)控制圖如圖13所示。方案中設(shè)有兩個(gè)閉環(huán)回路，外閉環(huán)回路用于克服控制外界蒸汽擾動(dòng)，內(nèi)閉環(huán)回路用于克服控制給水?dāng)_動(dòng)。其中，外回路中主要為液位控制器，內(nèi)回路主要為給水控制器，并且蒸汽流量擾動(dòng)信號(hào)會(huì)通過前饋控制器進(jìn)入給水控制器，以減少“虛假液位”帶來的誤差。外閉環(huán)為主控制器，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)液位的無靜態(tài)偏差控制，達(dá)到對(duì)液位進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)副控制器是副控制器起到粗調(diào)節(jié)作用，主要任務(wù)是消除給水壓力等其他因素引發(fā)的給水量擾動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)可測(cè)得，給水量與液位的傳遞函數(shù)為蒸汽流量與液位的傳遞函數(shù)為對(duì)以下情況進(jìn)行仿真(1)液位給定階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)(2)加入給水流量擾動(dòng)和連續(xù)加入蒸汽擾動(dòng)時(shí)，并且所有仿真曲線的橫坐標(biāo)單位為秒。自整定模糊控制器本身有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，能夠抵抗外界的干擾，較少出現(xiàn)或者不出現(xiàn)頻繁振蕩現(xiàn)象，使得避免出現(xiàn)了像有些不好的控制系統(tǒng)，會(huì)因某一時(shí)刻的外界干擾造成劇烈振蕩，工程上甚至?xí)霈F(xiàn)生產(chǎn)危險(xiǎn)等情況。由于燒結(jié)余熱鍋爐所持有的特殊性，會(huì)頻繁產(chǎn)生蒸汽擾動(dòng)，通過模擬仿真，傳統(tǒng)PID控制器控制時(shí)系統(tǒng)輸出有一個(gè)明顯的調(diào)整，并且產(chǎn)生了小幅的振蕩，說明具有一定的抗外來擾動(dòng)的能力。但與其對(duì)比之下，參數(shù)模糊自整定PID控制器對(duì)外來信號(hào)的抗干擾能力就顯現(xiàn)出了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，外界干擾進(jìn)入時(shí)，偏差很小，并且快速返回穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，模糊自整定PID控制比傳統(tǒng)PID控制的控制效果要好，超調(diào)量更小，在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且在外界干擾的環(huán)境下，更具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠適應(yīng)擾動(dòng)的影響，保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。通過對(duì)燒結(jié)余熱鍋爐汽包液位分別采取三沖量模糊參數(shù)自整定PID控制器和普通傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行仿真比較，從仿真結(jié)果可以看出：1)汽包液位誤差均能良好的消除，使得穩(wěn)態(tài)靜差很小。2)當(dāng)有外界干擾加入時(shí)，傳統(tǒng)的PID控制器抗擾性能很差，有較大的系統(tǒng)響應(yīng)，造成振蕩加劇，而參數(shù)模糊自整定PID控制器超調(diào)較小，輸出變化平穩(wěn)緩和，能夠有效的抵抗外界干擾。3)參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)比較小，振蕩周期比較短。魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)力強(qiáng)，適合在控制對(duì)象參數(shù)不確定，外界干擾大的場合應(yīng)用。本申請(qǐng)?zhí)峁┝隋仩t液位控制的模糊自整定PID控制器的系統(tǒng)構(gòu)成，并提出模糊PID參數(shù)建立的原則。根據(jù)模糊控制的組成要求，給出鍋爐液位模糊自整定PID控制器的論域及模糊子集，并得到偏差和偏差變化率的隸屬度函數(shù)圖。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立了合適的模糊規(guī)則表，從而得到針對(duì)三個(gè)PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的整定的模糊控制表，并給出了模糊規(guī)則。同時(shí)，為在DCS程序中實(shí)現(xiàn)模糊自整定PID控制，給出了簡化后的模糊規(guī)則及實(shí)際的參數(shù)值。根據(jù)燒結(jié)余熱發(fā)電生產(chǎn)特點(diǎn)以及工藝流程特殊性，自動(dòng)控制系統(tǒng)采用對(duì)于過程控制性能更優(yōu)的DCS系統(tǒng)，并沒有采用對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制更優(yōu)的PLC系統(tǒng)，對(duì)需要控制以及參與連鎖的生產(chǎn)設(shè)備以及工藝過程集中進(jìn)行監(jiān)控。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，采用以電氣、儀表、控制為一體的系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)化，功能齊全，結(jié)合生產(chǎn)管理與過程控制一體且安全可靠的系統(tǒng)。并且系統(tǒng)針對(duì)生產(chǎn)企業(yè)日后的長遠(yuǎn)發(fā)展，預(yù)留了優(yōu)化與擴(kuò)容的標(biāo)準(zhǔn)接口，做到提前為未來打算。采用分散控制系統(tǒng)(DCS)作為機(jī)組的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)2爐1機(jī)及輔助系統(tǒng)的集中控制(#2爐設(shè)就地控制室)。在少量就地人員配合下，在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)和爐的啟/停操作，并能在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常運(yùn)行工況的監(jiān)視、調(diào)整、控制以及異常工況的停爐、停機(jī)、報(bào)警和緊急事故處理。在控制室內(nèi)，分散控制系統(tǒng)(DCS)操作員站的LCD、鍵盤/鼠標(biāo)是運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組監(jiān)視、調(diào)整與控制的中心。當(dāng)分散控制系統(tǒng)(DCS)發(fā)生整體性或重大事故時(shí)，可通過后備手操設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)組的緊急停爐、停機(jī)操作。機(jī)組的監(jiān)視與控制主要由DCS來實(shí)現(xiàn)。分散控制系統(tǒng)DCS包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，模擬量控制系統(tǒng)(MCS)，順序控制系統(tǒng)(SCS)，事件順序記錄(SOE)等。硬件設(shè)置上大致可以歸結(jié)為“兩線四點(diǎn)”式結(jié)構(gòu)，兩線指的是現(xiàn)場控制級(jí)的現(xiàn)場總線以及以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)，四點(diǎn)指的是一個(gè)面向被控對(duì)象的I/O控制站；五個(gè)面向操作員站。分別監(jiān)控操作余熱鍋爐，汽輪發(fā)電機(jī)，冷凝器系統(tǒng)，汽機(jī)油系統(tǒng)以及電氣綜保系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過程狀態(tài)的顯示、控制操作、報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)采集和各種趨勢(shì)的顯示及報(bào)表生成打印等；在硬件配置設(shè)計(jì)上，根據(jù)整個(gè)燒結(jié)余熱發(fā)電生產(chǎn)線的控制需求及IO點(diǎn)數(shù)要求，選用了和利時(shí)FM802作為主控CPU。其中FM802為CPU，F(xiàn)M910為電源模塊。除此之外，還按照點(diǎn)數(shù)配置了智能IO模塊，分DI，DO，AI，AO等，用來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制輸出。和利時(shí)采用集成在機(jī)柜背板式的現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)。采用冗余的主控單元(CPU)，通過現(xiàn)場總線(Prifibus-DP)連接到各個(gè)智能IO模塊。比如與燒結(jié)系統(tǒng)的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，得到燒結(jié)環(huán)冷機(jī)出口煙溫等運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目的功能。除了CPU所在機(jī)架的配置以外，還有很多遠(yuǎn)程IO站，這些遠(yuǎn)程IO站選用和利時(shí)性能可靠而又比較常用的?？紤]到汽包液位及其重要，采用杠桿式氣動(dòng)差壓變送器來測(cè)量鍋爐汽包的液位，通過變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4-20mA信號(hào)送至DCS系統(tǒng)；蒸汽流量采用孔板式差壓變送器來測(cè)量，通過變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4-20mA信號(hào)也送至同一個(gè)DCS系統(tǒng)；經(jīng)DCS系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)算得出一個(gè)0P值來決定給水調(diào)節(jié)閥閥門的開度，從而達(dá)到控制鍋爐汽包液位的目的。為了便于硬件設(shè)備的安裝和調(diào)試，同時(shí)提高保護(hù)等級(jí)及提高抗干擾能力，硬件CPU主機(jī)架和輸入輸出模塊都安裝在DCS柜內(nèi)。模塊與端子的接線都在出廠前連接好，可以在柜體到達(dá)現(xiàn)場后，只考慮出柜端子與外部設(shè)備接線即可，柜內(nèi)的接線在出廠調(diào)試時(shí)就完成調(diào)試工作。上述給出了余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及DCS硬件的配置，對(duì)液位采集的方法及使用的儀表設(shè)備給出了相關(guān)的分析并給出了模塊的接線圖。提出傳統(tǒng)PID控制和參數(shù)模糊自整定PID控制都是采用相同的DCS硬件。不管是傳統(tǒng)PID控制還是模糊PID控制，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中都需要人機(jī)界面來配合，這個(gè)項(xiàng)目中的人機(jī)界面軟件采用的是和利時(shí)公司的CONMaker軟件。通過畫面的編制，形成一幅一幅的操作界面。在傳統(tǒng)PID控制中，PID參數(shù)可以直接從畫面上給定，設(shè)定液位也由畫面直接給定，而且還有手動(dòng)/自動(dòng)切換功能；在參數(shù)模糊自整定PID控制中，畫面設(shè)置了模糊選擇與模糊取消功能，在畫面上只有液位設(shè)定，PID的參數(shù)最終由DCS程序中產(chǎn)生并直接用于PID調(diào)節(jié)控制。在余熱發(fā)電汽包控制程序中，傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)方法是采用固定的比例、積分和微分參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)可以通過經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試后得出一個(gè)比較合適的控制參數(shù)，在一定的工況條件下，對(duì)液位的控制能取得很好的控制效果，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)后，也能快速的重新取得平衡，使控制輸出值穩(wěn)定在設(shè)定的液位值上下波動(dòng)。但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，工況基本上是時(shí)刻在發(fā)生變化的，每當(dāng)工況發(fā)生比較大的變化時(shí)，原先調(diào)試得到的PID參數(shù)將不再能很好的適合余熱鍋爐液位控制，使傳統(tǒng)的PID控制變得不能完全適用于燒結(jié)余熱鍋爐液位控制，從而使控制效果變差。在編制傳統(tǒng)PID控制程序時(shí)，按和利時(shí)MACS編程方法，PID控制功能直接從軟件的固有模塊中直接調(diào)用，采用HSPID功能塊，程序的調(diào)用不從組織塊MAC01_PRG中調(diào)用。通過汽包液位PID功能塊得到一個(gè)控制給水流量的輸出值，經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換后，得到給水控制閥PID的流量設(shè)定參數(shù)，再次調(diào)用HSPID功能塊，從而輸出一個(gè)給誰控制閥的閥門開度值去控制給水閥門的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)點(diǎn)汽包液位變化。在調(diào)試過程中，結(jié)合生產(chǎn)的安全要求，給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定，在5％至95％之間。參數(shù)模糊自整定PID控制程序在和利時(shí)DCS中來實(shí)現(xiàn)，其方法就是采用變參數(shù)的模糊規(guī)則來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)采集反饋回來的實(shí)際液位跟設(shè)定溫度進(jìn)行比較，再根據(jù)比較得出的偏差值來進(jìn)行判斷，根據(jù)預(yù)先取得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，及規(guī)定好的模糊控制規(guī)則，從不同的偏差值得到不同的比例、積分、微分修正參數(shù)值，并把得到的修正參數(shù)值與初始的PID控制器的三個(gè)參數(shù)值相加，得到新的控制參數(shù)值送到鍋爐液位PID控制器中進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。與傳統(tǒng)PID控制器的程序一樣，不采用在MAC01_PRG中調(diào)用。程序中編制了一個(gè)專用的模糊控制功能塊FBFuzzy來實(shí)現(xiàn)模糊控制器的功能，并且為這個(gè)功能塊配置了局部變量表，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)值的中間量運(yùn)算，同時(shí)讀取全局變量表中的目標(biāo)液位、反饋液位等參數(shù)，作為功能的輸入。整個(gè)模糊控制器的功能塊由三個(gè)子功能FC100～FC102來完成，其中FC100完成液位偏差e的計(jì)算；FC101根據(jù)得到的液位偏差值進(jìn)行模糊化處理也就是數(shù)據(jù)判斷，并且產(chǎn)生程序跳轉(zhuǎn)變量；FC102根據(jù)FC101中產(chǎn)生的跳轉(zhuǎn)變量直接給出△P、△I、△D值，隨后進(jìn)行相加處理，得到不同時(shí)刻下及不同偏差值下的Kp、Ki、Kd參數(shù)，同時(shí)把這三個(gè)變參數(shù)送到HSPID中作為控制量，來調(diào)節(jié)余熱鍋爐的液位穩(wěn)定。HSPID是和利時(shí)公司MACS開發(fā)軟件中自帶的PID調(diào)節(jié)功能塊，可以在程序中直接調(diào)用。在調(diào)試過程中，結(jié)合生產(chǎn)的安全要求，給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定，在5％至95％之間。由于余熱鍋爐液位的穩(wěn)定性對(duì)燒結(jié)余熱發(fā)電安全生產(chǎn)起著非常大的作用，而目前國內(nèi)的余熱鍋爐液位控制大部分還是采用傳統(tǒng)的PID控制或人工手工控制，整個(gè)控制很不理想，因此針對(duì)這個(gè)控制現(xiàn)實(shí)，提出了采用參數(shù)模糊自整定PID控制的思想，并建立了余熱鍋爐液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用MATLAB進(jìn)行仿真并用DCS程序來實(shí)現(xiàn)。通過模糊控制的原理，建立了余熱發(fā)電鍋爐頁為控制的模糊子集，給出了模糊規(guī)則表及模糊規(guī)則，通過MATLAB軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到傳統(tǒng)PID控制與參數(shù)模糊自整定PID控制的仿真曲線，從得到的曲線可知，采用了參數(shù)模糊自整定PID控制后，余熱鍋爐液位控制性能得到了很大的改善。參數(shù)模糊自整定PID控制器的控制品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID，根據(jù)系統(tǒng)的誤差和誤差變化率使Kp、Ki、Kd參數(shù)及時(shí)得到調(diào)整，從而提高系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力，因此，在余熱鍋爐液位控制系統(tǒng)中，采用參數(shù)模糊自整定PID控制器，得到了更好的控制效果。通過DCS程序來實(shí)現(xiàn)的參數(shù)模糊自整定PID控制中，對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行了簡化，通過對(duì)設(shè)定液位值后的兩種調(diào)節(jié)曲線的比較同樣可以得出：采用參數(shù)模糊自整定PID控制后，燒結(jié)余熱發(fā)電鍋爐液位控制能更快速的趨于穩(wěn)定，而且超調(diào)值也大大縮小，控制系統(tǒng)的波動(dòng)性更加小。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3