模糊控制在锅炉水位控制系统中的应用研究

目    录

摘  要 I

Abstract IIII

1 绪 论 1

1.1 锅炉的工作过程简介 1

1.2 课题背景及本文研究内容 2

2 汽包水位特性及其控制 4

2.1 锅炉汽包水位的特性 4

2.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性 5

2.1.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 8

3 锅炉水位PID控制系统设计 11

3.1 PID控制原理 11

3.2 PID对控制的影响 12

3.3 串级控制系统 14

3.4 汽包水位调节系统的设计 17

4 模糊控制 32

4.1 模糊控制的产生与发展 32

4.2 模糊控制的基本原理 33

4.3 模糊PID控制器 37

5 锅炉汽包水位三冲量自适应模糊PID控制系统设计 40

5.1 自适应模糊PID控制器的设计 40

5.2 三冲量自适应模糊PID控制系统 46

5.3 三冲量自适应模糊PID控制与传统PID控制仿真结果比较 50

结 论 53

致 谢 55

参考文献 56

结  论

锅炉是典型的复杂热工系统，锅炉燃烧过程控制有许多被控量和控制变量，这些变量互相关联，要对其建立一个精确的数学模型相当困难。汽包水位是锅炉安全运行的重要参数之一，传统的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。模糊控制能避开对象的数学模型，通过总结经验知识或精心组织向专家请教得到若干规则用于一系列模糊条件构造系统的模糊变量模型，应用各类模糊推理得到适合控制要求的控制量，将PID控制和自适应模糊控制相结合起来，对汽包水位进行控制，可能取得令人满意的控制效果。

本文对锅炉的汽包水位进行了详细的动态分析，并对传统汽包水位PID控制的几种方法进行了分析，从而确定了对大中型锅炉宜采用三冲量的控制方式。因为锅炉水位调节经常辅之蒸汽流量与给水流量动态补偿,因此常有三个信号加入控制器的输入端,极容易引起水位的控制偏差,本文总结了系统运行的经验提出消除三冲量调节系统水位偏差的两个方法：(1)辅助信号自消（2）辅助信号对消。在此基础上设计了锅炉三冲量串级PID控制方案，采用辅助信号对消方法，对系统进行仿真结果表明三冲量串级PID控制系统干扰有很强的克服能力，有效消除水位偏差，系统的主控制器和副控制器都采用PID控制器。

本文根据锅炉控制的现状及工程经验，结合本人的仿真结果提出了三维参数自整定模糊规则，仿真结果表明该规则具有适用性和有效性。设计了以误差及误

差变化率为输入，PID控制器的KP、KI、KD为输出的二输入三输出的多维自适应模糊PID控制器，目的是为了改善PID控制的参数整定困难，适应差的缺点。在此基础上，将三冲量串级PID控制系统的主控制器改成采用自适应模糊PID控制器，副控制器采用P控制器。

通过对锅炉水位分别采用三冲量自适应模糊PID串级控制系统和单纯采用PID控制的控制系统的两种方案进行仿真，从仿真结果可以看出：

1）水位偏差能够有效消除

2）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。

3）当对象参数发生改变时，单纯采用PID控制的系统发生巨大响应，超调量明显变大，上升时间变长，系统振荡加剧，控制效果不好。

4）自适应模糊PID控制系统的超调量比较小，上升速度快，振荡周期短。

5）当控制对象参数发生改变时，自适应模糊PID控制系统对它的反应明显很小，鲁棒性好，适应力强，系统的静态特性和动态特性都较好，取得良好的控制效果。所以自适应模糊控制器非常适合用于控制对象不确定的场合。