基于MATLAB的锅炉汽包液位控制仿真研究毕业设计论文.docx

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基于MATLAB的锅炉汽包液位控制仿真研究毕业设计论文

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基于MATLAB的锅炉汽包液位控制仿真研究

摘要

锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。

锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。

因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。

锅炉是工厂生产过程中重要的动力设备。

锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。

对锅炉生产操作如果不合理往往会引起事故。

这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。

传统的锅炉汽包液位控制系统大都采用PID控制。

而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，适合用于非线性、滞后系统的控制，但其静态性能不能令人满意，限制了它的应用。

为消除模糊控制的稳态误差，本文将FUZZY-PID引入锅炉汽包液位的控制系统中，并利用Simulink分别在设定值及干扰作用下对控制系统进行仿真，结果表明，较之单纯的模糊控制和常规PID控制，这种控制效果较为理想，可满足锅炉的汽包液位控制要求。

关键词：

汽包液位；PID控制；模糊控制；FUZZY-PID控制；仿真

Thesimulationstudyofboilerdrumlevel

ControlbasedonMATLAB

Abstract

Theboilerisabsolutelynecessarysignificantpowerplantofindustryproductionsprocesssuchasthechemicalindustry，heatedibleoil，generationofelectricalenergy，papermakingandrefinessugarandsoon.Asaresult，itisindispensablesystematicallytoanalyzeresearchtotheautomaticcontrolintheboilerinstallation.

TheboileristhePowerPlantthatthewholefactory,Segmentthattheboilerwaterlevelcontrolsystemisthemostsignificantintheboiler.Toboilerproductionoperation,ifunreasonablewilloftencausetheaccident.Themajorityoftheseaccidentsareboilerwatermonitorcausingimproper,obviouslytheimportanceofboilerdrumwaterlevelcontrolintheBoilerdevicecontrolsystem.

ThetraditionalcontrolmodeofthedrumwaterlevelmostlyusesPID．Thefuzzycontroldoesnotneedprecisemathematicalmodelofthecontrolledobject，itonlyneedstheexperienceofoperatorandthedataofoperating，ithasgoodrobustnessandisfittocontrolthesystemwithnonlinearityandtimelag，butitsstaticcharacteristicisdissatisfied，whichlimitsitsapplication．Itisusualmodeofthree-variabledrumwaterlevelinordertoeliminatethestaticerrorthatusingFUZZY-PIDcontrol，andthesimulationwiththeactionofsettingvalueandnoise．TheresultofsimulationindicatesthattheeffectofcontrolimprovescomparingwithsimplefuzzycontrolandtraditionalPIDcontrol，whichcansatisfythecontrolrequirementofthedrumwaterlevel．

Keywords:

drumlevel;PIDcontrol;fuzzycontrol;FUZZY-PIDcontrol;simulation

第一章引言

1.1课题背景与意义

锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。

尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器﹑蒸馏塔﹑换热器以及其他设备提供热源，而且还可以为生产过程中的风机﹑压缩机﹑泵类驱动提供动力来源。

锅炉安全经济运行是保障国家财产及人民生命安全，促进国民经济发展，合理使用和节约能源的重要保证。

锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其安全性尤为重要。

只有在充分保证锅炉安全生产、保护环境和运行可靠的前提下，通过科学管理、技术改造、提高操作及运行水平，使锅炉实现热效率高的状态。

鉴于锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性，经济性，稳定性具有深远的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用。

其中压力、水位、温度是锅炉运行质量的重要指标，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。

因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制在规定范围内。

正常运行时的锅炉燃烧系统必须使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。

过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低，降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。

所以，在锅炉运行中必须保持过热汽温的稳定性。

另外，压力过大容易带来危险。

所以，要把压力、水位、温度控制在规定范围内。

为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下列自动调节任务:

1．保持汽包液位

汽包液位是工业锅炉正常运行的主要指标。

液位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重力事故。

因此，必须对汽包液位进行自动调节，把水位严格控制在规定范围内。

2．维持蒸汽压力

蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。

蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。

压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。

因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

3．维持炉膛负压

炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。

通常要求炉膛负压保持在20-40Pa的范围内，这时燃烧状况，锅炉房工作条件，炉膛的维护及安全运行都最有利。

如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。

负压太大，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。

因此，需要维持炉膛压力在一定的范田之内。

4．维持过热蒸汽温度恒定

为了保证汽轮机正常工作，必须保证过热蒸汽温度恒定，汽温过高或过低都会影响汽轮机的安全运行，所以过热蒸汽温度是影响安全的重要参数，一般要求温度变化保持在士5℃的范围之内。

5．保证锅炉燃烧的经济性

锅炉的热效率主要取决于空燃比。

如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。

因此，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，保持炉膛烟气出口处的过剩空气系数为最佳值，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。

通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道:

工业锅炉的汽包水位是正常运行的主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的被调参数。

如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离。

产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。

由此可见。

锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它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意义。

1.2锅炉控制的研究现状

对锅炉的汽包水位，传统的控制方法如PID控制是目前较为流行也运用较多的控制方法，其优点是系统结构较为简单，易于实现，对于有精确的数学模型的对象，是首选的控制系统。

然而对于锅炉汽包水位这一时变、死区、非线性、多变量、扰动大的复杂系统，这绝非一件易事。

水位对象的特征随着锅炉运行工况的改变而改变，没有确定的数学模型。

最大问题是在汽包运行中会出现“虚假液位”现象，若采用简单的PID控制方式控制汽包水位，在出现“虚假液位”时，控制系统将会减少汽包进水流量，致使汽包中供水量进一步减少。

因此，常规的PID控制器难以获得良好的控制效果。

模糊控制摆脱了精确数学模型的束缚，开辟了工业过程控制的一条新途径。

模糊控制的优点就是不需要建立对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。

因此研究适应性很强的模糊控制理论，以及它在锅炉水位系统中的应用是有非常重要意义的，不仅可以丰富完善模糊控制的理论体系，而且有广泛的应用前景。

由此看来，将模糊控制引入锅炉水位控制系统已是势在必行。

并且，在先前将模糊控制应用到汽包水位控制系统的实践中，常规的二维PD模糊控制存在比较大的静态误差和“多级继电器”特性，降低了它的控制精度。

所以有必要对模糊控制进行更深入地研究，以便提高对汽包水位系统控制的性能。

同时，人们也在其它控制方法上做了很多研究，例如：

基于集散控制系统的锅炉控制、基于神经网络控制的锅炉控制、基于专家控制的锅炉控制、混沌PID智能控制器及遗传算法-神经网络PID智能控制器等。

但应用最活跃的是模糊控制。

其中，模糊-PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。

本文就是对模糊-PID控制在锅炉控制中的应用进行研究[4]。

1.3控制方法的分类

在锅炉汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号，可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。

其中，单冲量控制系统以汽包水位测量为唯一的控制信号；双冲量控制系统在汽包水位信号为主要的控制信号的基础上，加入蒸汽流量为潜亏信号；三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制，下面分别加以详细说明：

（1）单冲量控制系统

单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即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，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。

单冲量汽包水位控制系统存在两个主要问题：

①当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少给水量，这个错误举动反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。

②在给水扰动时，调节器要等到水位改变了以后才动作，又经过一段时间延迟后才能影响到水位，导致汽包水位发生较大变化，调节时间长。

（2）双冲量控制系统

双冲量控制系统在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号。

加入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对控制的不良影响。

当蒸汽负荷变化时，使调节阀一开始就向正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制质量。

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。

（3）三冲量控制系统

一般而言，锅炉容量越大，汽包容水量相对就越小，允许的蓄水量就更小，这就要求提高汽包水位的控制。

在双冲量控制系统中，对于给水量的自发变化不能及时调节，只能在延迟一段时间后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化反映出来。

对于几台锅炉并列运行时，几台锅炉的汽包水位控制会相互影响，使得控制过程非常复杂。

针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进了给水量信号控制。

这个调节器接受三个输入调节信号：

汽包水位作为主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号。

1.4本文的主要研究内容

本论文就锅炉汽包水位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉汽包水位控制特性所提出的问题。

本文建立了锅炉汽包水位控制特性的数学模型，分别采用传统PID控制手段和模糊-PID控制方法来设计锅炉汽包水位控制系统，并进行了对比讨论。

首先，通过研究发现，锅炉汽包水位控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量有关。

通过对现场锅炉汽包水位的研究，得出传递函数以及特性曲线。

当蒸汽流量与给水流量不平衡时，会产生“虚假液位”现象。

这是汽包水位控制最主要克服的问题之一。

在汽包实际运行过程中，经验丰富的操作人员往往能通过观察汽包水位和蒸汽流量的变化情况，采用手动操作，有效地克服“虚假液位”现象，使汽包工作在良好的状态下。

因此，只要将他们的操作经验和知识正确地进行归纳、总结，找出相应的模糊控制规则，就可以在此基础上建立汽包水位模糊控制系统。

然后,本文分别采用经典PID控制算法、纯模糊控制算法和模糊-PID控制算法对锅炉汽包水位进行控制，利用MATLAB软件对控制效果进行仿真，对比观察它们的动态响应特性、抗干扰性、和对被控对象变化的抑制效果，最后确定要采用的控制方案。

第二章锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析

锅炉是一种既受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。

对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。

工业锅炉中最常见的事故有：

锅炉缺水，锅炉超压，锅炉满水，汽水共腾，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。

其中以锅炉缺水事故比例最高。

这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。

随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小的方向发展。

这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。

在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。

无论满水或缺永都会造成事故。

因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。

下面就汽包水位的动态特性和控制器的设计过程做具体的研究。

汽包水位是锅炉运行的主要指标。

如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离。

产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽葬机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。

锅炉汽包给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。

汽包水位间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系，随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：

（l）汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度。

（2）锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。

（3）提高了锅炉的工作压力，给水管道系统相应复杂，流量特性更不易满足控制系统的要求。

由此可见。

锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它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意义。

锅炉水位自动控制（给水自动控制）的任务就是控制给水流量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。

2.1汽包水位的动态特性

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，增加在过热器管壁上的结垢；水位过低，则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏严重时会造成爆炸事故。

汽包水位与蒸汽含盐量的关系如图2.1所示:

图2.1汽包水位与蒸汽含盐量的关系

工业锅炉的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。

引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。

如果只考虑主要扰动，那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示:

（2-1）

式中

，

—时间常数；

—给水流量项时间常数；

—蒸汽流量项时间常数；

—给水流量项的放大系数；Kd—蒸汽流量项的放大系数；

为稳定状态下的水位，△H为水位高度的变化）；

（△w为给水流量的变化，Dmax为最大蒸汽负荷量）；

（△D为蒸汽负荷量）。

2.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性

给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。

给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量发生变化时，汽包水位对象的微分方程式可以表示为：

经拉式变换后得

（2-2）

从而可得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数：

（2-3）

根据以上公式，在给水流量阶跃输入作用下，汽包水位的反映特性曲线如图2.2所示，从图2.2的特性曲线上可以看到，当突然加大给水流量（蒸汽量不变），给水量大于蒸发量，但汽包水位开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低的更多地给水进入了水循环系统，它从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和热水管路中由于热量的“损失”，汽包体积减少。

经省煤气进入汽包得给水，首先必须填补由于汽水管路中汽包减少让出的空间。

这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。

但水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储水量的增加而逐渐上升。

当水面下汽泡容积不再变化，完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。

因此，当把汽包和给水看做单容无自衡对象时，水位响应曲线应为一条直线。

如图2.2中H1所示。

但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内汽泡含量减少，导致水位下降。

因此实际水位响应曲线如图2.2中H所示，既当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现出一段起始惯性段。

图2.2给水流量扰动下的水位特性曲线

用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个惯性环节的串联，可表示为：

（2-4）

由切线法求得：

[1]（2-5）

2.1.2汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性

蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，其干扰通道的动态特性。

汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性（给水量不变）可直接从公式（2-l）导出：

（2-6）

经拉式变换后:

（2-7）

其传递函数为:

（2-8）

上式可以用两个动态环节的并联来等效，即:

（2-9）

在蒸汽流量F扰动下的阶跃响应曲线如图2所示。

当蒸汽流量突然增加

时，若单从物料不平衡角度考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位如图2.3中H1所示，液位应当直线下降。

但实际上，在扰动的初始瞬间，水位不但没有下降反而是上升的，汽包水