计算机技术综合报告锅炉液位控制系统

计算机技术综合课程设计
设计题目锅炉液位控制系统
学生姓名___________________
专业班级自动化1 3 02班学号 _________________
指导老师____________________
2017年1月3日
目录
前言 (2)
1 锅炉汽包水位控制对象与控制指标 (3)
1.1 锅炉汽包水位的特征 (3)
1.2 汽包水位动态特性 (3)
1.2.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 (3)
1.2.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性 (4)
123燃料量B扰动下汽包水位的动态特性 (5)
2. 汽包水位控制方案 (5)
2.1 单冲量控制方式 (5)
2.2 双冲量控制方式 (6)
2.3 三冲量控制方式 (8)
3. 三冲量串级PID 控制 (9)
3.1 串级PID 控制 (9)
3.2 智能整定PID 控制 (10)
4 汽包水位模糊控制器设计及仿真 (11)
4.1 输入输出变量 (11)
4.2 隶属度函数 (12)
4.3基于MATLAB/Simulink 环境建立的系统仿真分析 (14)
4.3.1 基于MATLAB/Simulink 的系统模型 (14)
4.3.2 仿真结果分析 (15)
总结与体会 (15)
参考文献 (16)
、尸■、亠
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。

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。

基于锅炉水位控制及
模糊控制的特点，在这次课程设计中，我将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中。

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。

1锅炉汽包水位控制对象与控制指标
1.1锅炉汽包水位的特征
汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。

水位过高, 会影响汽包内汽水分离效果，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；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。

现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。

因此，研究汽包水位的控制方法有着重要的意义。

工业锅炉汽水系统结构如图1.1所示：
燕汽流量
------- '/------ ►
图1.1锅炉的汽水系统
锅炉汽包水位控制的任务是：跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。

汽包及蒸发管中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的。

汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。

影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。

燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。

因此，我们主要考虑给水量W、蒸汽流量D燃料量B三个主要因素对水位的影响 1.2汽包水位动态特性
1.2.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性
如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图1.2所示的曲线H1所示。

但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它
进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以
下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图 1.2所示的曲线H2所
示。

水位的实际响应曲线应是曲线 H i 和H 2之和，如图1.2所示的曲线H 所示。

从图中 可以看出该响应过程有一段延迟时间。

即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷 度越大则响应延迟时间就会越长。

其传递函数可以近似表示为：
式中1——汽包水位的变化速度;
.――延迟时间。

W
■ \ 1
■ 占 1
图1.31.2.2汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性
当锅炉负载耗汽量D 突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使 汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降， 如图1.4所示的曲线H 1所示，另一方面由于锅 炉负载耗汽量D 的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包 压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积 V 增大，从而导致汽包水位上升，如图 1.4所示曲线H 2所示。

水位的实际响应曲线应该是曲线 H 1和H 2之和，如图1.4所示曲 线H 所示。

对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一 段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假 水位现象”。

可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：
式中；2 ――汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度;
T o ―― “假水位现象”的延迟时间
G(s)
二 H(s) W(s) S (1 T ) (1-1)
G(s)
H(s)二 Qs) 一 s T o s 1 (1-2)
图1.2给水流量扰动下水位阶跃响应
1.2.3燃料量B扰动下汽包水位的动态特性
燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假水位现象” 生。

但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。

燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。

由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有水位现象”。

这些特性使得汽包水
位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。

此外，通过汽包内部
汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。

由于汽包压力对汽包水位影响较为复杂且不很显著，本设计未涉及对它的研究。

2汽包水位控制方案
2.1单冲量控制方式
单冲量水位控制系统原理图及方框图如图 2.1和2.2所示。

单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。

单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。

单冲量水位控制系统是最简单、最基本的控制系统。

这种控制结构的特点主要有：①结构简单，投资少；
②适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合；③为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。

“假
图2.1单冲量水位控制系统原理图
图2.2单冲量水位控制系统方框图
但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。

这是由于：
(1) 负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差；
(2) 负荷变化时，控制作用缓慢。

即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。

如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著；
(3) 给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。

假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。

总之，单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。

2.2双冲量控制方式
双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。

如图 2.3,由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽
量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。

使调节阀一开始就向正确的
方向动作。

因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。

图2.3与图2.4是典型的双冲量控制系统原理及方框图。

这是一个前馈加单回路反 馈控制的复合控制系统。

这里的前馈系统仅为静态反馈，若考虑两条通道在动态上的差 异，须加入动态补偿环节。

如图2.3所示，加法器的输出是：
P0 =GFC 土C 2P F +C
式中 P C ——水位控制器输出；
P F ――蒸汽流量变送器输出;
C ――初始偏置值；
从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。

这种调节系统的特点是：
(1) 引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响， 当蒸汽量变化 时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”
现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作， 使调节阀一开始就向正确的方向移动。

因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。

(2) 引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。

当选
(2-1)
择匹配时，系统的静态特性是无差的。

双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。

在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。

双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。

因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。

同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。

2.3三冲量控制方式
目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。

如果给水中断，可能在10~20秒内就会发生危险水位；如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。

这样对水位控制要求就更高了。

锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。

当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。

在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。

针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。

三冲量的水位控制系统原理图和方框图如图2.5和图2.6所示。

图2.5三冲量水位控制系统原理图
图2.6三冲量水位控制系统方框图
三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变 化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调 节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅 度。

当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少，调 节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。

这样，就能 够有效地维持汽包水位在工艺允许的范围内， 也有效地克服了系统中存在的虚假水位现 象。

3.三冲量串级PID 控制
3.1串级PID 控制
控制质量指标与单回路定值控
制系统是一样的。

副变量的控制质量一般要求不高，只要能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。

因 此串级控制系统两个回路参数的整定根据各自的作用和对主、副变量的要求确定主、副 控制器的参数。

在工程实践中，串级控制系统的主要整定方法有：逐步逼近法、两步整 定法。

■.上变送器 卜
图3.1串级PID 控制系统框图
逐步逼近法的具体步骤：首先整定副回路，此时断开主回路，按单回路控制系统整 定方法确定副回路参数，记第一次整定值 [W C2]1 ；然后整定主回路，此时，主副回路都 闭合，把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按单回路控制整定方法，确定 主控制器的整定参数，记为[W ci ]i ;再次整定副回路，此时，主回路闭合，主副控制器 整定参数为[W C1]1及
[W c2]2。

至此，完成一个逼近循环。

若控制质量达到要求，主副控 制器的整定参数分别取
[W c1]1和[W c2]2。

若控制质量仍不能达要求，继续整定求取[W C1]2,
循环进行直至达到要求。

j 值控制系统，对主变量有较高的质量要求，其主參散
N ',T ''' [个随动控制系统，■对 -
..............................
两步整定法具体步骤：先整定副回路，此时，主、副回路均闭合，主、副控制器都置于纯比例作用的条件下，先将主控制器的比例带放在100%处，按单回路控制系统整
定副回路，逐渐降低副控制器的比例带，得到副变量在4：1 递减比下的副控制器的比
例带d2S和副变量振荡周期T2S；然后整定主回路，主、副回路仍闭合，将副控制器的比例带置于d2S值上，将副回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，即逐渐降低主控制器的比例带，得到主变量4:1递减比下的主控制器比例带d i s和主变量振荡周期
T i s；按上面得到的值，结合控制器的选型，利用Z 一N临界比例度法参数整定计算公式，分别计算主、副控制器的整定参数值：比例带d、积分时间T i、微分时间T d;先副后主，先比例次积分后微分的顺序，将计算出的参数值设置到相应的控制器上。

3.2 智能整定PID 控制
随着智能控制理论和技术的发展，人们将智能控制方法和常规PID 控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能PID 控制器。

如基于神经网络的PID 控制器、模糊PID 控制器、专家PID控制器、基于遗传算法的PID控制器等，它们吸收了智能控制与常规PID 控制两者的优点：
首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规PID 控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。

正是这两大优势，使得智能PID 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。

由于模糊理论的飞速发展，模糊PID 控制器更是这个研究领域的热点。

这类控制器将数字PID 整定方法与模糊控制系统技术融合起来，从模仿人的参数整定的推理决策入手，将操作者的整定技巧、经验归纳为一系列整定规则，通过对系统过渡过程模式的识别，并将整定规则运用于不同的模式，对PID参数进行整定。

经过近几年的发展，出现了多种形式模糊PID 控制器，如增益调整型、直接控制量型等；对于PID 参数的模糊整定规律也有了一定的经验。

这些方法既可用于在线，又可用于离线整定。

基于控制器自身控制行为的参数整定法是一种根据自身的控制行为来调整控制参数的方法。

系统的控制行为表现为偏差e和偏差变化率eco PID控制是由比例作用、积分作用、微分作用三部分组合而成的，其中积分作用是对象过去受控效果的总和，比例作用是过去控制效果的现时表现，而微分作用是对未来控制作用的需求，因此PID 控制律是根据对象对控制作用的历史效果、现时表现及未来需求的综合来确定控制律，并不是靠对象的具体数学模型来决定的。

常规PID控制器是P, I， D三种作用的线性组合（K p, K i，K d为常值），理论和实践证明，即使是整定得很好的PID 参数值，系统响应的快速性与超调量之间也存在矛盾，二者不可能同时达到最优，且系统在跟踪设定值与抑制扰动方面对控制参数的要求
也是矛盾的；如果我们根据控制行为的反映偏差e、偏差变化率ec、偏差和刀e的大小
来动态的改变K p，K i, K d,也就是将PID控制规律变为比例、积分、微分作用的非线性组合形式，则实现了PID控制器整定的智能性，控制器也根据e、ec、刀e自动地校正K p, K i,
K d，从而获得了良好的控制效果。

4汽包水位模糊控制器设计及仿真
4.1输入输出变量
由模糊自整定PID控制器结构可知，PID参数的校正部分实质上是一个模糊控制器。

考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。

我们在这里也设计一个二维的模糊控制器，选取锅炉汽包水位的偏差e和偏差变化率ec
为其输入量，设其模糊语言变量分别为E、EC,输出量为PID控制器参数的修正量.-：Kp，AK i，也K d。

设定偏差的基本论域为-e max , e max ],偏差变化率的基本论域为-eC max , eC max , 通过实验的方法可以确定其论域。

表4-1给出了各个变量的语言变量、基本论域、量化论域、模糊子集和量化因子。

表4-1论域及量化因子选择
模糊子集中元素NB, NM , NS, O, PS, PM , PB分别代表负大，负中，负小, 零，正小，正中，正大。

对于系统响应的偏差E、偏差变化率EC分别具有一定的变
化范围，将其变化率分别定义为模糊集上的论域。

E, EC, K p, K i, , K d的模糊论域为
[-6 6]，划分为七个等级，即｛-6 -4 -2 0 2 4 6｝。

模糊子集为：E, EC, K p, K i, , K d
={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

量化因子的选择：
误差的量化因子为：K =n /X e(4-1)误差变化率的量化因子为：K ec = n/ X ec(4-2)
输出控制量的比例因子为：K u =x u /n(4-3)式中X e为误差，X ec为误差变化率，y u为输出控制量，n为论域值。

模糊PID控制系统如图4.1所示:
图4.1模糊PID控制系统
根据相关文献和经验总结，归纳了针对不同的e和ec,参数kp、ki、kd的整定
原则：
(1)当|e较大时，为尽快消除偏差，提高响应速度，应取较大的kp,同时为防止
超调过大产生振荡，可取较小的kd，ki取0。

(2)当e • ec > 0,被控量朝着偏离给定值方向变化。

若|e较大，取较大的kp，较小的ki和中等的kd ；若|e较小，可取中等大小的kp，较大的ki和较小的kd，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。

(3)当e • ec < 0,被控量朝着接近给定值方向变化。

若|e较大，可取中等的kp，较小的ki和中等的kd，以提高动态性能和稳态性能；若|e较小，可取较小的kp，较大的ki和较小的kd。

(4)ec的大小表明偏差变化的速率，ec越大，kp取值越小，ki取值越大，反之亦然。

由上述分析可得出模糊控制规则表，在edit下的Rules即可输入模糊控制规则，
形如：
If(e is NB) and(ec is NB) then(kp is PB)(ki is NB)(kd is PS)
If(e is NB) and(ec is NM) then(kp is PB)(ki is NB)(kd is NS)
If(e is NB) and(ec is NS) then(kp is PM)(ki is NM)(kd is NB) If(e is NB) and(ec is ZO) then(kp is PM)(ki is NM)(kd is NB) If(e is NB) and(ec is PS) then(kp is PS)(ki is NS)(kd is NB)
至此，建立起名为guolu.fis的文件，完成了模糊控制器结构的整体设计。

4.2隶属度函数
设e，ec和K p，K i，©均服从高斯分布，其隶属函数数学表达式如4-4示：
_( x Y)2
'(x) = e ' 0) (4-4)
系数a、.：?可由统计方法来确定。

各个变量的隶属函数分别如图4.2、图4.3、图4.4、图4.5、图4.6所示:
inf>ut variable "e"
图4.4比例系数K p的隶属函数
4.3基于MATLAB/Simulink 环境建立的系统仿真分析
4.3.1基于MATLAB/Simulink 的系统模型
常规PID 控制常采用的增量算式为：
(4-5)
(4-6)
(4-7)
(4-8)
式中、为PID 参数的初始值，、为模糊控制器的输出，、
为最终输出的控制参数
值。

结合上式，即可在MATLAB/Simulink 环境下建立起如图4.7所示的PID 仿真模块， 并圭寸装成子系统 PID Subsystem 。

图4.7 PID 仿真子模块
选取某供汽量为120t/h 的锅炉汽包为被控对象，其给水流量与水位的传递函数为：
G (s ) =0.0529/8.5+s (4-9)
组建出模糊自适应 PID 控制系统的Simulink 仿真模型如图4.8所示。

双击Fuzzy
图4.6微分系数Kd 的隶属函数 output variable led
Logic Controller 模块，在 parameters 中输入上面所建立的
GUOLU.fis 文件名，在 MATLAB 的命令窗口中输入以下两条命令： readfis; fismat=readfis( 'gw ')把fis 文件 读到workspace 里面，实现Simulink 与fis 文件的连接，完成系统仿真。

4.3.2仿真结果分析
取量化因子 ke=0.3, kec=0.1，取kp 、ki 、kd 的比例因子分别为 k1=0.8, k2=0.005, k3=25,令PID 参数的初始值=300、=0.3、=280,仿真时间设为10s ，加单位阶跃信号, 并在第10s 加5.0(500%)的干扰，最终得到的模糊自适应PID 响应曲线如图4.9所示。

5总结与体会
目前，对汽包水位的控制大多采用传统常规 PID 控制方式，PID 控制器已有相当长 时间的应用历史，但是，它在面对有时变、死区、非线性、多变量耦合、扰动大等特点 的复杂系统的时候，由于系统难以建立精确的数学模型，其自身的固有缺点限制了控制 品质的提高。

更重要的是，传统 PID 控制方式在锅炉水位的自动调节中参数是固定不 变，在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统运行动态大幅度变化的情况下，系统 不能适应；模糊控制器也已经有几十年的应用历史，而且在模糊控制理论和应用研究方
面也取得
图4.8系统的Simulink 仿真模块
图4.9模糊自适应PID 控制系统响应曲线。