电气工程及其自动化毕业设计：锅炉汽包水位智能系统设计.doc

1、 本科 毕业设计 锅炉汽包水位智能系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标， 水位过高会破坏汽水分离装置的正常工作 ,可能会损坏气轮机叶片，直接影响运 行的经济性和安全性。水位过低则会破坏水循环，由于汽包内的水量变少，这时候如果负荷很大，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，造成水冷壁烧坏，甚至可能引起爆炸。所以 保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。 本文首先介绍了自动控制的发展历史，通过

2、分析了传统的 PID 控制由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等问题，其精确的数学模型往往无法获得，并且常规 PID 控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象的变化，其控制效果往 往难以满足要求，控制效果不理想。模糊控制是以大量人工工作经验为基础，可以把操作员的平时的操作经验加以总结和描述，并运用语言的方式表达出来，得到模糊的，定性的控制规则，不需要被控对象的数学模型。通过研究汽包水位的对象特性，了解其在不同扰动下的动态性能，接着应用模糊控制原理完成锅炉汽包模糊控制器的设计，并用 MATLAB 进行仿真，通过对传统 PID 控制器的仿真结果对比，说明了模糊

3、控制系统具有响应快、适应性好、鲁棒性强的特点。 关键词 ： 汽包水位；模糊控制； PID 控制； MATLAB 仿真 III Abstract Boiler is a typical complex thermal system. Drum water level is the indicators of industrial boiler safe and stable operation. Water level is too high will destroy the separator device to work properly, may damage the gas turbin

4、e blades, directly affect the running of the economy and security. The water level is too low will destroy the water cycle, the fewer the amount of water inside the drum, this time if the load is large, if we do not adjust the water will make all the liquid, causing cold-wall pipe break and may even

5、 cause an explosion. So it is importance meaning to ensure water level in definite range for increasing quality of steam and reducing wastage of equipment and insuring safety of whole heart-power-net. Firstly this paper describes the development of automatic control, because of routine PID control p

6、arameter is changeless. It is difficult to adapt the diversified disturb and variation object. The method is not satisfy require and ideality. Then the fuzzy control based on foundation of manpower experience, it is summarize and describe of skill workers practical experience and use of language to

7、expression, its gained mathematics model of non precise object. Then, studying the object properties of water level, to understand its dynamics under different disturbance characteristics, use the principle of fuzzy control to complete the design of boiler drum fuzzy controller and use MATLAB to sim

8、ulate to show the fuzzy control system has fast response, adaptability and robustness characteristics. Key words: water lever; fuzzy Controller; PID controller; MATLAB simulation IV 目录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题的背景以及选题的意 义 1 1.2 国内的研究动态 2 1.3 本文的主要任务 2 第 2 章 锅炉概述及其汽包水位动态特性 4 2.1 锅炉的概述 4 2.2 锅炉的控制系统 5 2.2.1 锅

9、炉的主要调节任务 5 2.2.2 锅炉的主要控制系统 5 2.3 汽包水位的动态特性 5 2.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 7 2.3.2 汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性 8 第 3 章 模糊理论及其控制器的设计方法 10 3.1 模糊控制理论研究的现状及本课题提出的意义 10 3.1.1 模糊控制理论的发展与应用现状 10 3.1.2 模糊控制理论运用于锅炉系统控制的意义 10 3.1.3 模糊控制理论的发展前景 11 3.2 模糊控制器的设计方法 12 3.2.1 模糊控制器的规则设计 12 3.2.2 精确量的模糊化 13 3.2.3 模糊推理 14 第 4 章 锅炉汽包模

10、糊控制器的设计 15 4.1 模糊控制器的设计 15 4.1.1 确定模糊控制器的结构 15 4.1.2 建立模糊控制规则 16 4.1.3 确定模糊变量的模糊化 18 第 5 章 仿真研究 20 V 5.1 仿真工具的介绍 20 5.1.1 关于 MATLAB 20 5.1.2 关于 SIMULINK 20 5.2 PID 及模糊控制仿真研究 21 5.2.1 PID 控制的结构 21 5.2.2 仿真过程及其结果 22 小结 27 致谢 错误 !未定义书签。 参考文献 28 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的背景以及选题的意义 在没有工作人员直接参与的情况就是自动控制，它是用外加的装置、

11、设备、让机器或者生产过程的某一个参数或者工作状态能够自动的按照先前设定的指标 或者规则运行的系统设备。 20 世纪 40 年代自从美国的科学家维纳创立控制理论以来。自动控制从最早的开环控制起步，然后经过反馈控制、最优控制、随即控制、自适应控制、自学习控制、自组织控制一直这样发展到智能控制这一最新阶段。 传统控制理论经过经典控制理论和现代控制理论两个具有里程碑意义的重要阶段。它们的共同特点就是都是基于被控对象的清晰数学模型，即干扰和控制对象都得用严格意义上的函数和数学方程表示，控制的目标和任务一般都比较直接和明确。外界的干扰和控制对象的不确定性只允许在很小的限度内发生。 对系统运动规律的数学 描

12、述就是一个系统的数学模型。传递函数、状态方程和微分方程是描述控制系统的三种最基本的数学模型，而作为两者的纽带是微分方程。经典控制理论的主要研究常系数单变量线性系统数学模型 ,经常使用传递函数为基础的频域分析方法。现在控制理论主要研究多输入 -多输出线性系统的数学模型，经常使用状态方程和微分方程为基础的时域分析方法，传统的控制方法多是要去解决时不变，线性等相对简单的被控系统的控制问题。这类系统完全可以用常系数，集总参量以及线性的微分方程予以描述。 但另一个方面，许多实际的控制目标和工业对象并非常常如此理想的。特 别是遇到系统的结构复杂、变量纵多、规模庞大、参数随即多变、系统存在大之后或参数间又存

13、在强耦合等错综复杂的情况时。传统的控制理论的数学解析结构则很难表达和处理。由于实际系统和研究对象具有非线性、不确定性、不完全性、时变性，因而无法建立起表述他们的运动规律和精确的数学模型，于是就失去了传统数学模型的分析基础。也就无法设计出合理的经典控制器。而且，在建立数学模型时一般都得经过理想化的处理和假设，即使把分布参数化为集中参数，非线性化为线性等等，这些实际系统和数学模型相差巨大，使之很难对其实现有效的传统自动控制，于是 便出现了模仿信息处理系统和人工智能系统 ,工程控制产生发展了智能控制。 大量的生产实践表明，有很多复杂的工艺过程和很难建立的数学模型的复杂系统，可以由熟练工程师，技术工人

14、或者专家的手工操作，依靠人们的智慧，能够获得满意的控制效果。例如想把一辆车倒进一个车库，由于很多原因确实很难建立起这一过程的数学模型，然而一个熟练的司机却可以很好的去解决这样一个问题。从类似的问题上人们自然而然想到，能否在传统控制中加入人类手工控制事物的经验，逻辑推理与能力等智能部分。从而从分利用人员的操作经验和操作技巧，把人的因数作为一个有 机部分融入到控制系统中。进而用机器代替人类进行复杂对象和系统的实时控制。 2 1.2 国内的研究动态 在中国自控技术在工业应用的推广较晚，最近几十年来发展较快。在国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计的公司也有很多，但是由于能够集自动化技术、电气技术和

15、工艺要求三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用。锅炉汽包水位智能控制的目的是维持锅炉水位在允许的范围内，从而让锅炉的给水量和蒸发量相适应。负荷变化会影响锅炉的水位的变化，因而当锅炉的用汽量变化时，通过给水调节系统，保持 锅炉的水位的正常是保证锅炉安全运行的重要条件。锅炉的水位过高或过低，这都是不允许的。锅炉水位过高会影响汽包内汽水分离从而使饱和水蒸气温度急剧下降，该过热蒸汽作为气轮机动力的时候，将可能会损坏气轮机叶片，直接影响运行的经济性和安全性。另一方面锅炉水位过低，由于汽包内的水量变少，这时候如果负荷很大，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，造

16、成水冷壁烧坏，甚至可能引起爆炸。因此，对锅炉汽包的水位的控制必须相当重视。 锅炉汽包水位控制系统中，锅炉汽包水位的控制是最基本也是极其重要的。汽包水位控制的目的就是让锅炉给水量 始终跟蒸发量维持汽包水位在锅炉生产的范围内。给水流量以及蒸汽流量是引起水位变化的主要扰动。在给水流量不变，蒸汽流量变大的时候，汽包中的压力将会快速下降。导致汽包内水的沸腾加剧，水位上升。锅炉“虚假水位”现象就会出现，但是这时的水位并不是锅炉中水位的真实情况，而只是一个虚假的现象。 锅炉的控制和建模问题一直以来都是人们关注的对象。汽包水位的智能控制是锅炉控制的一个难点，现在，对汽包水位的智能控制基本上采用传统的 PID

17、控制方式。传统的常规PID 控制方式是建立在被控制对象的精确的数学模型，但另一个方面由于锅炉水位 系统存在不确定性、非线性、负荷和时滞、非最小相位特征、干扰等，很难获得其精确的数学模型，另一方面传统 PID 控制的参数是固定不变的，所以很难适应对象的变化及各种扰动，从而使控制效果不理想。而相对的模糊控制是以人工经验为基础的，它能把专家或者有经验的工作人员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到模糊的、不精确的控制规则，同时也不需要被控对象的数学模型，所以这样的话模糊控制容易被人们所接受，鲁棒性和适应性都比较好。 1.3 本文的主要任务 汽包的水位平衡是影响锅炉安全和稳定 ,持续运行的重

18、要一项重要指标。另 一方面汽包水位的高度也关系着产出蒸汽的质量以及汽水分离的速度。水位过高的时候会破坏汽水分离装置的正常工作，更严重的时候还会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的污垢，然后影响蒸汽的品质。而锅炉汽包水位过低的时候。则会破坏水循环，从而引起冷壁管的破裂，更严重的时候会造成干锅，损坏汽包。所以汽包水位的过高过低都可能会造成重大事故。汽包水位时被调量。而给水流量是调节量，通过对给水流量的调节，使汽包内的物料达到动态的一个平衡状态。 锅炉汽包水位的主要任务就是让给水量适应蒸发量，并维持汽包的水位在工艺的允许范围内。 3 本文就 锅炉汽包水位控制特性作为研究对象，研究其在不同扰动下的动态特性

19、，并通过应用模糊控制理论，设计一个汽包水位自动调节的模糊控制器，从而来完成锅炉汽包水位的自动控制，保证汽包水位保持在正常范围内。 4 第 2 章 锅炉概述及其汽包水位动态特性 2.1 锅炉的概述 在居民生活中和工业生产中锅炉长期以来都扮演着极其重要的角色，锅炉的实质就是一种承受一定工作压力的能量转换的设备。它是要把燃料中的所含化学能经过一系列有效的转换转化为热能，或另一方面通过一定的设备将热能转化为其它生活中和生产中所需的其他能量形式。 锅炉根据在生活，生产中所起的作用不同，可以其分为生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉等。其中，生活锅炉主要用于取暖以及提供热水；电站锅炉主要就是用于发电；工业锅炉主要

20、用于驱动机械或者直接供给工农业生产能源。随着现代生产过程不断的强化，生产设备不断的革新，工业生产规模不断扩大，锅炉也向着大容量、高效率、高参数的方向发展。为稳定生产，确保安全，对锅炉设备运行的自动控制也就显得十分得重要。 锅炉系统主要包括送引风系统、燃料燃烧系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图 2.1 所示。 图 2.1 锅炉主要工艺流程图 1 燃烧嘴； 2 炉膛； 3 汽包； 4 减温器； 5 炉墙； 6 过热器； 7 省煤器； 8 空气预热器 由上面的图形可以看出，汽包及循环管、给水调节阀、省煤器、给水泵等构成了蒸汽发生系统。热空气、燃料按照一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给

21、蒸汽发 生系统，产生饱和蒸汽 SD ，再经过过热器，就形成了具有一定温度的过热蒸汽 D ，然后汇集至蒸汽母管。经负荷设备调节控制机构提供给生产负荷设备使用。 5 2.2 锅炉的控制系统 2.2.1 锅炉的主要调节任务 锅炉设备要求在保证经济以及安全的前提下根据生产负荷的需要，供应一定压力和温度的蒸汽。这样，锅炉设备的主要的调节任务就有： （ 1）保持锅炉燃烧的安全运行以及经济性； （ 2）使炉膛负压保持在一定范围内； （ 3）使锅炉 供给负荷的蒸汽压力保持在一定范围内； （ 4）使供应的蒸汽量要保持给定的负荷或适应负荷的变化； （ 5）过热蒸汽温度和汽包中的水位保持在一定范围内。 2.2.2

22、锅炉的主要控制系统 锅炉建模与控制的问题一直以来都是人们关注的焦点，是典型复杂的热工系统。K.J.Astrom 在国际上始于七十年代开创了系统地研究锅炉建模与控制的方法，这些方法基于一系列物理实验数据提出了锅炉的简化非线性模型得出的。 以下控制系统是锅炉设备的主要控制系统： （ 1）锅炉燃烧系统的控制。锅炉的燃烧系统中有三个操纵变量：引风量、送风量和燃烧量以 及三个被控变量：烟气成分、蒸汽压力和炉膛负压及。这些变量相互关联在一起，需要统筹兼顾，组成合适的燃烧系统控制方案。让空气量，燃烧量维持一定的比例，以保证锅炉的安全性和燃烧的经济性；而让引风量和送风量彼此适应，也使炉膛负压保持在一定的范围内

23、。 （ 2）锅炉汽包水位的控制。汽包内部的物料平衡它主要考虑的因素，就是要使给水量适应蒸发量，保持汽包中水位在一定范围内。这是锅炉正常运行的主要标志之一，同时也是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。 （ 3）锅炉水处理过程的控制。使锅炉给水性能指标达到工艺要求是这一控制过程的作用，基本上是采用离子交换树脂的方法对水进行软化处理。 （ 4）过热蒸汽系统的控制。以喷水量为操纵变量，过热蒸汽温度为被控变量，目的是保证管壁温度不超过一定的温度范围，并使过热器出口温度保持在一定范围内。 本文是对锅炉汽包水位控制系统进行研究。 2.3 汽包水位的动态特性 对上述图 2.1 中的汽水系统进行简化，可以表示为图 2.2 所示的结构。