1、学校代号：1 073 1学密号：092080704022级：公开兰州理工大学硕士学位论文基于MAT LABS I M U L I N K的锅炉汽包水位控制策略及仿真分析迨窒握童时间 星Q!至生鱼旦Z曼Control Strategy and Simulation of Boiler Drum Water Levelbased on MATLABSIMULINKbyQIAO JinyuA thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of EngineeringlnFluid
2、 Machinery and Engineeringin theGraduate S choolofLanzhou University of TechnologySupervisorProfessor Liu YiMay20 1 2兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：前龛害 日期：，砂年月届日学位论文版权使用授权书本学位
3、论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。本学位论文属于1、保密口，在 年解密后适用本授权书。2、不保密日。(请在以上相应方框内打“)日期：)。埠日期：劭，互年彭月。日易只日导f、笏蝤侈，q，重移名名签签者师作导硕士学位论文-Iii盲iiiiiiiiiiiiiiiii
4、iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii萱iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii葺iii宣目 录摘要IAbstractII插图索引I附表索引I第一章 绪论111课题研究的背景及意义112锅炉概述1121锅炉对象的特点2122锅炉汽包水位控制系统介绍313锅炉汽包水位控制策略在国内外研究现状及发展趋势514本课题的主要研究工作615本课题的创新点7第二章 锅炉汽包水位控制系统的设计821控制系统的参数及控制指标822锅炉汽水系统控制方法的研究9221单冲量控制系统9222双冲量控制系统l 0223三冲量控制系统1 O2331前馈反馈三冲量控制方式1
5、12332前馈串级三冲量控制方式l 223锅炉汽包水位控制系统的动态特性分析1 3231锅炉汽包水位在给水流量扰动下的动态特性1 4232锅炉汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性l 524锅炉汽包水位控制系统的数学模型1 525仪器的选择与各变送器转换系数的确定1 626系统仿真分析1 6261锅炉汽包水位控制系统稳定性分析l 7262系统仿真分析2 027本章小结20第三章 锅炉汽包水位控制系统的PID校正2231 PID控制器概述2232 PI D控制作用分析2333 PID控制器参数整定及系统仿真分析24331试凑法确定PID参数24基于MATLABSIMULINK的锅炉汽包水位摔制策略及
6、仿真分析-ll Ill I“一 一一i一：I=一rl 11iii33。2系统仿真分析2534 PlD校正的局限性2 835本章小结2 8第四章 普通模糊控制在锅炉汽包水位控制中的应用2941模糊控制简介29411模糊控制系统的组成29412模糊控制基本原理30413模糊控制的特点3 l42普通模糊控制器的设计32421模糊控制器的结构32422输入、输出变量的模糊化34423模糊推理决策算法的设计35424对输出量进行解模糊3643基于GUI仿真的普通模糊控制的设计36431各变量隶属函数的确定36432建立模糊控制规则表38433对输出量进行解模糊38434系统仿真分析3 844本章小结41
7、第五章 模糊自适应PID控制在锅炉汽包水位控制中的应用4251模糊自适应PID控制器结构原理4252模糊自适应PID控制器参数自整定原则4353各变量模糊论域及隶属函数的确定4354建立模糊控制规则表4555系统仿真分析4756本章小结4 8第六章 变论域自适应模糊PID控制在锅炉汽包水位控制中的应用4961变论域思想和伸缩因子的概念4962变论域的原因4963变论域自适应模糊PID控制器结构设计5l64伸缩因子的选择5265系统仿真分析5366本章小结56结论5 7参考文献5 9致射62硕十学位论文附录A(攻读学位期间所发表的学术论文)63硕士学位论文iiiiiiiiiiiiii宣i宣iii
8、iii宣iiiiii嗣i一i lt|ii摘 要锅炉汽包水位的控制在锅炉的自动化控制中占据重要的地位，其控制效果的好坏直接影响到锅炉给水质量的高低，并最终影响到锅炉的安全生产。锅炉汽包水位控制系统很难建立精确的数学模型，且具有非线性、不稳定性和时滞性等特点。传统的锅炉汽包水位控制常采用三冲量PID控制方式。普通PID控制策略存在的问题是：一旦参数整定好，很难适应系统运行动态大幅度的变化。为了解决以上出现的问题，本课题以某供汽量为1 20th的锅炉为研究对象，结合国内外研究成果，设计了该锅炉的汽包水位控制系统，并对其控制策略进行了重点研究。为了对设计出的各种控制器有较好的对比，本课题首先对设计出的
9、普通PID控制器、普通模糊控制器和模糊自适应PID控制器分别进行了仿真分析，对仿真结果进行了对比分析。然后针对模糊自适应PID控制器存在的一些不足，引入变论域思想，又设计了变论域自适应模糊PID控制器，并对该控制器进行仿真分析，结果表明，该控制器比以上其它各种控制器都具有较好的动态响应性能和较高的控制精度，更能满足锅炉汽包水位控制的要求。具体工作如下：首先，在查阅国内外有关锅炉汽包水位控制文献的基础上，根据本课题研究的锅炉控制系统的参数及控制要求，设计了该锅炉的汽包水位控制系统。通过合理的推导，建立了锅炉汽包水位控制系统的非线性数学模型。利用频域分析法中的伯德图法和尼柯尔斯图法对该系统进行了稳
10、定性分析，并进行了仿真分析。其次，针对系统在不加任何控制器时存在响应速度慢的问题，又设计了普通PID控制器。虽然普通PID控制调节及时，能迅速的减少系统的调节时间和稳态误差，改善过程的动态品质，但其参数一旦设定就很难适应系统运行动态大幅度的变化。然后，针对普通PID控制存在的问题，利用模糊控制思想，先后设计了普通模糊控制器和模糊自适应PID控制器。通过系统仿真分析，结果表明，在超调量和稳态误差方面，这两种控制器的控制效果明显比普通PID控制器效果要好。最后，为了进一步提高系统的控制精度，在模糊自适应PID控制的基础上，引入了变论域思想，设计出了变论域自适应模糊PID控制器。通过系统仿真分析，结
11、果表明，该控制器具有比模糊自适应PID控制器更短的响应时间和更小的超调量，且能在不增加控制规则的前提下使系统的控制精度有所提高，更能满足锅炉汽包水位控制的要求。关键词：锅炉；汽包水位；模糊控制；UATLAB；变论域基于MATLABSIMULINK的锅炉汽包水位控制策略及仿真分析AbstractBoiler drum water level control is very important in boiler automatic controlsystem，its control effect is directly affect the quality of the boiler water
12、。S supply，and ultimately affect the boilerS safe productionBoiler drum water leveI controlsystem iS hard to develop practical mathematical model，and has nonlinear，stableand delay sexual characteristicsThe traditional boiler drum water level controloften uses threeimpulse PID control methodThe existi
13、ng problem of ordinary PIDcontrol strategy is：once good parameter setting，it is hard to adapt to the change ofthe operation of the system dynamic greatlyIn order to solve the problems of the above，the research object of the subject isa certain 1 20 th boiler steam capacity，the boiler drum water leve
14、l control system isdesigned，and the control strategies are studiedIn order to obtain better contrast，theordinary PID controller and fuzzy controller and the fuzzy adaptive PID controllerare designed，and the control strategies of the simulation are analyzedConsideringthe fuzzy adaptive PID controller
15、 exists some shortage，the variable domain thoughtis introduced and the variable domain adaptive fuzzy PID controller is designed。Through the analysis of the controller，the results show that the controller is betterthan other controllers in performance，and can satisfy the boiler drum water levelcontr
16、ol requirementsFirst of all，referring to the domestic and foreign literature review on boilerdrum water level control，the drum water level control system are designedaccording to the boiler system parameters and control requirementsThrough thereasonable deductionthe boiler drum water level control s
17、ystem of nonlinearmathematical model is established，and the system stability is analyzed by using themethod of frequency domain Byrd figure and Nichols figureSecondly，in view of the system without any controller existing slow response，the ordinary PID controller is designedAlthough common PID contro
18、l regulationcan reduce system dynamic deviation and adj ust the time quickly，and improve theprocess of dynamic quality，once the parameters are set，it is hard to adapt to thesystem dynamic change of operation greatlyThen，the ordinary fuzzy controller and the fuzzy adaptive PID controller aredesigned
19、according to fuzzy control conceptThe analysis of system simulationshows that the two controller control effect iS obvious better than ordinary PIDcontroller in the overshoot and velocity response硕士学位论文Finally，based on fuzzy adaptive PID control，a variable domain adaptive fuzzyPID controller is desi
20、gned by introducing the variable domain thoughtThrough thesystem simulation analysis，the results show that the controller are shorter responsetime and more small overshoots than the fuzzy adaptive PID controller，and canimprove the control precision of the system under no increase control rules，and c
21、anmore satisfy the boiler drum water 1evel control requirementsKeywords：boiler；drum water level；fuzzy control；MATLAB；variable domain硕士学位论文插图索引图11图12图13图14图21图22图23图24图25图26图27图28图29图21 0图211图31图32图33图34图35图36图37图41图42图43图44图45图46图47图48图49图41 0图51图52锅炉的主要工艺流程图2锅炉系统输入量与输出量关系示意图3锅炉汽包水位控制系统示意图4锅炉汽包水位控制系
22、统方块图4锅炉汽包水位单冲量控制系统框图9锅炉汽包水位双冲量控制系统框图1 O锅炉汽包水位前馈反馈三冲量控制原理图11锅炉汽包水位前馈一反馈三冲量控制系统框图11锅炉汽包水位前馈串级三冲量控制原理图l 2锅炉汽包水位前馈串级三冲量控制系统框图1 2锅炉汽水系统结构框图1 3锅炉汽包水位控制系统仿真框图1 7系统的开环伯德图1 8系统向前通道的Nyquist曲线l 8系统的闭环阶跃响应图20常规PID控制器结构图22PID控制方式Simulink方块图(a)24不同比例系数下的系统阶跃响应曲线25PID校正后的系统阶跃响应曲线26PID控制方式Simulink方块图(b)26PID控制方式加入5
23、蒸汽扰动时的阶跃响应曲线27PID控制方式加入5给水扰动时的阶跃响应曲线27模糊控制系统组成框图29模糊控制器的组成框图3 0维模糊控制器3 3二维模糊控制器33三维模糊控制器33e、ec和11的隶属函数38普通模糊控制Simulink模型39系统模糊推理的输入输出关系图3 9普通模糊控制加入5蒸汽扰动时的阶跃响应曲线40普通模糊控制加入5给水扰动时的阶跃响应曲线40参数模糊自适应PID控制系统结构图42e的隶属函数44基于MATLABSIMULINK的锅炉汽包水位控制策略及仿真分析暑iiiiiiiiiiiiiiiI _ i iiiiiiiiiiiiiiiiiii宣高iiiii宣图53 CC的
24、隶属函数44图54 AKP的隶属函数45图55 AKI的隶属函数45图56 模糊自适应PID控制仿真框图47图57 模糊自适应PID控制加入5蒸汽扰动时的阶跃响应曲线47图58 模糊自适应PID控制加入5给水扰动时的阶跃响应曲线48图61 论域的大小随伸缩因子的变化关系50图62 变论域自适应模糊PID控制器结构示意图5 1图63 输入变量的伸缩因子Q(X)封装图53图64 输出变量的伸缩因子Ki封装图53图65 输出变量的伸缩因子KP封装图53图66 变论域自适应模糊PID控制仿真框图55图67 变论域自适应模糊PID控制加入5蒸汽扰动时的阶跃响应曲55图68 变论域自适应模糊PID控制加入
25、5给水扰动时的阶跃响应曲56硕十学位论文置iii 一iiiiiiiiiiii青iiii表31表41表42表51表52表53表61附表索引Kh K。、Kd与系统时间域性能指标之间的关系23普通模糊控制系统仿真参数数值表35模糊规则表36模糊自适应PID控制系统仿真参数数值表44K，的模糊规则表46Ki的模糊规则表46变论域自适应模糊PID控制系统仿真参数数值表54硕士学位论文iiiiii iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii置iiii眷第一章 绪 论11课题研究的背景及意义锅炉是能量转换的重要设备，能提供热水或蒸汽，广泛应用于工业生产及生活取暖等各个方面。目前我国锅炉的运行状况是：自动化
26、控制水平低、高耗能、污染重，这与我国“十二五“规划中提出的建设资源节约型、环境友好型社会相违背。由于我国经济的不断发展和人们生活水平的不断提高，对能源的需求量不断加大，锅炉的台数也不断增加。锅炉运行状况的好坏直接影响到能源利用率的高低，其中锅炉的自动化水平是影响锅炉工作状况的重要因素之一。改善锅炉的自动化控制策略不仅能提高锅炉的自动化水平，还能有效地节约资源，从而节省大量的人力物力。具体来讲，提高锅炉自动化控制水平的意义在于： (1)提高锅炉运行的经济性；(2)提高锅炉运行的安全性；(3)减少运行人员，提高劳动生产率；(4)改善劳动条件。锅炉汽包水位的控制在锅炉的自动化控制中是非常重要的。锅炉
27、汽包水位的控制在锅炉的蒸汽产量、品质及降低能耗、安全生产等方面起着重要的作用。锅炉的汽包水位是锅炉正常运行的重要指标之一。水位过高，汽水分离装置的正常工作就会受到破坏，严重时会导致蒸汽带水增多，增加过热器管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，水循环遭到破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时易烧干锅，损坏汽包。由此可见，提高锅炉汽包水位自动控制水平是刻不容缓的问题，这对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要的意义瞳1。12锅炉概述锅炉广泛应用于工农业生产和生活的各个方面。随着工业化水平的不断提高，人们对锅炉的性能要求也不断提高，使锅炉向着高参数、大容量和高效率的方向发展。安全生产，安全永远
28、都是第一位的。锅炉的自动控制水平直接影响锅炉在运行中的安全。锅炉系统包括送引风系统、燃烧系统、汽水系统和其它辅助系统等。主要的工艺流程如图11所示。1基于MATLABSIMU LINK的锅炉汽包水位摔制策略及仿真分析图11锅炉的主要工艺流程图由图11可知，给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管(包括上升管和下降管)等共同构成了蒸汽发生系统。燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，饱和蒸汽经过过热器吸收一定的热量，形成具有一定温度的过热蒸汽，并汇集到蒸汽母管，然后经负荷设备调节控制机构，提供给生产负荷设备使用。同时，燃烧过程中产生的烟气，首先通过过热器
29、把饱和蒸汽变成过热蒸汽，然后经过省煤器预热锅炉给水，再经过空气预热器预热空气，最后由引风机送往烟囱排出晗1。121锅炉对象的特点锅炉作为受控对象，其控制是十分复杂的，输入量和输出量的关系如图12所示，具有如下特点制：1、多变量性。锅炉对象的输入变量主要有燃料量、锅炉给水量、送风量、减温水量和引风量等，被控变量主要有过热蒸汽温度、汽包水位、炉膛负压、过热蒸汽压力和烟气含氧量等五个参数。之所以锅炉具有多输入变量和多输出变量，就是为了保证提供合格蒸汽以适应负荷的需要。2、相互关联性强。从图12可看出，锅炉系统是一个多输入、多输出且相互关联强的系统，输入变量与输出变量之间存在着相互交叉的影响。例如，当
30、锅炉负荷变化时，不仅会影响蒸汽流量与压力，还会引起蒸汽温度、汽包水位、烟气含氧量及炉膛压力发生变化。在锅炉控制系统的设计过程中，一定要考虑到这些变量的相互作用的影响，否则很难取得较好的控制效果。2L 2-2锅炉：三：怒兰统进行研究。常见的锅炉汽包水位控截系本课题只针对锅炉汽包水位控制系统进仃饼丸。币加”“IlIIII基于MATLABSIMU LINK的锅炉汽包水位控制策略及仿真分析茂色调节阀图13锅炉汽包水位控制系统示意图气源图14锅炉汽包水位控制系统方块图图14是锅炉汽包水位控制系统的方块图。其中，锅炉为被控对象，汽包水位(被控参数)作为输出量，内扰动(给水压力变化等)与外扰动(蒸汽负荷变化
31、等)是作用于锅炉上的主要扰动；测量锅炉汽包水位的是一差压变送器，它把测量信号转变为一定的电流信号输出，该输出量与设定值比较，把比较后得出的偏差值输送至调节器：在锅炉汽包水位控制系统中充当控制器的调节器，根据偏差值，按一定的控制规律(如PID调节、模糊控制等)输出对应的输出信号使调节阀做出相应的动作。调节阀有气动、电动等形式。调节阀根据控制信号对锅炉的进水量进行调节。大多数调节阀为气动薄膜调节阀，分为气关式(调节器输出增大时，阀门关小)与气开式(调节器输出增大时，阀门开大)两种。为了保证安全，锅炉的给水调节阀一般采用气关阀，一旦发生断气现象，阀门保持打开位置，以使汽包不致烧干损坏。4硕十学位论文
32、13锅炉汽包水位控制策略在国内外研究现状及发展趋势工业锅炉汽包水位控制方式经历了三个阶段：以锅炉汽包水位作为唯一反馈量的单冲量控制方式，是最简单的控制方式，也是最基本的控制方式。该控制方式不能消除“虚假水位”带来的影响，不能及时克服给水流量和蒸汽扰动对汽包水位的影响，存在汽包水位调节时间长，波动幅度大等缺点；后来出现了双冲量控制方式，该控制方式以锅炉汽包水位作为主调节信号，以蒸汽流量作为前馈调节信号，虽然能克服“虚假水位造成的不利影响，但是还是不能克服给水流量的扰动对汽包水位的影响，存在水位波动大，调节滞后、调节时间长等缺点；后来又出现了三冲量控制方式，该控制方式以锅炉汽包水位作为主调节信号，
33、以蒸汽流量作为前馈调节信号，以给水流量作为反馈调节信号，该控制方式有效的克服了内外扰动的影响，提高了水位控制的质量陋一1。目前，运用在锅炉汽包水位控制上的策略有：1)普通P I D控制(P I D Contro 1)传统PID控制原理简单，鲁棒性较强，易于实现，已广泛应用于锅炉汽包水位的控制中，具有一定的局限性，存在超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。2)模糊控制(Fuzzy Contro I)模糊控制能有效适应锅炉汽包水位控制系统的非线性及不确定等特性，较传统PID控制有较强的鲁棒性。但模糊控制存在稳态控制精度较低，控制作用较粗糙等缺点。3)模糊P I D控制(Fuzzy P I D C
34、ontro I)将模糊控制与PID控制相结合构成模糊PID控制，应用在锅炉汽包水位控制系统中。该控制方法能对不确定的因素(如参数、条件、干扰和延迟等)进行检测分析，采用模糊推理的方法，实现PID参数的在线自整定，具有鲁棒性较强、使用方便，灵活性、适应性强，控制精度强，较常规控制系统原理简单等优点。4)神经网络控制(Neura I Network Contro 1)神经网络具有“自学“能力，对系统的输入输出信息进行分析、捕捉、归纳，形成合适的模糊规则和隶属函数，以自动方式适应系统实时控制的需要，具有精度高、响应速度快和鲁棒性好的优点，现已有把人工神经网络应用于锅炉汽包水位控制系统中的例子，并取得
35、了较好的控制效果。该控制方法具有简单易于理解、计算量小、调整灵活、控制精确效果好、使用性强等特点。5)预测控制(Pred i ct i Ve Contro 1)预测控制是一种基于模型的先进控制方法，也称为模型预测控制(ModelPredictive Contr01)n 21。预测控制算法对控制对象模型的精度要求不高，适合存5基于MATLABSIMULINK的锅炉汽包水位控制策略及仿真分析在较大纯时延和惯性的系统，且控制品质较好，相比PID控制及传统的最优控制、自适应控制，更适合应用于具有较多不确定因素、存在大时滞的复杂工业过程控制中。预测控制可显著的提高整台机组的运行效率和稳定性，且预测控制的
36、应用可以获得甚至超过设备改造所带来的效率提升，从而更加有效的达到节能降耗、优化生产的目的。传统控制方法未能从根本上完全解决控制问题，在实际应用中遇到许多难以逾越的障碍，因而以模拟人的控制行为为出发点的智能控制方法成为当代控制理论与应用的主要发展方向。传统控制方法有PID控制、变结构控制、自适应控制等。模糊控制、神经网络控制、专家控制、拟人智能控制等智能控制方法的发展为解决这类控制问题提供了有效的工具314，151。14本课题的主要研究工作本课题以某供气量为120th的工业锅炉为研究对象，针对该锅炉汽包水位控制现状，在前人研究的基础上，对锅炉汽包水位控制系统分别进行了PID控制器、普通模糊控制器
37、、模糊自适应PID控制器和变论域自适应模糊PID控制器的设计，并进行了仿真分析，为实际应用提供了有力的理论指导。本课题研究的具体内容：(1)首先对锅炉汽水系统的三种控制方法进行了简要分析，并指出了每种方法的优缺点。同时说明了本课题选用前馈一串级三冲量控制方式的理由。(2)然后根据锅炉汽水系统结构，在充分考虑影响锅炉汽包水位变化因素的基础上，得出了汽包水位的动态特性微分方程式；再根据此方程式，针对给水流量发生变化(蒸汽流量不变)和蒸汽流量发生变化(给水流量不变)这两种情况，分别得到给水流量与汽包水位的传递函数和蒸汽流量与汽包水位的传递函数。(3)对系统中各仪器进行了选择，同时确定了各变送器的参数
38、。(4)针对本课题设计的锅炉汽包水位控制系统，首先利用频域分析法中的Bode图和Nyquist图法对系统进行了稳定性分析，然后对系统进行了仿真分析并绘制出了系统的单位阶跃响应曲线，同时对超调量、上升时间、调节时间和稳定时间进行了分析。(5)为了便于控制策略的对比分析，本文首先设计了常规PID控制器，同时进行了仿真分析；然后针对常规PID控制方式的不足，又设计了模糊控制器和模糊自适应PID控制器，同时进行了仿真分析。(6)为了解决模糊自适应PID控制中遇到的一些问题，本文引入了变论域思想，设计了变论域自适应模糊PID控制器。通过仿真分析，结果表明，该控制方式实现了论域跟随误差变化而变化的特性，能有效的提高系统的控制精度，具有6
