本發明涉及鍋爐液位控制設備
技術領域：
，具體而言，涉及一種鍋爐液位的控制系統及其控制方法。
背景技術：
：燒結余熱的利用是采用燒結環冷煙氣鍋爐經過回收采集到的煙氣余熱進行發電。具體來講就是結合余熱發電技術，把余熱鍋爐釋放出的熱蒸汽推動汽輪機組，使汽輪機組進行做功，最后產生電力的新型節能技術。它與傳統的火力發電技術相比，有著得天獨厚的優勢，在不消耗外部能源，不排放污染氣體、污染粉塵與其他有害氣體的前提下，使余熱能源有效的利用，這將成為我國工業發展的必然趨勢與處理工業排污的解決辦法，在節能減排與改善污染環境下將做出巨大貢獻。燒結余熱鍋爐按照工藝系統來分可以分成兩部份：煙氣以及汽水系統。煙氣部分是循環風機抽取由燒結環冷機產生的高溫煙氣，經過除塵系統，分別進入鍋爐過熱器、上蒸發器、下蒸發器、省煤器等進行成分換熱，再次送回至燒結環冷機繼續冷卻燒結礦掉。汽水流程為：由能源系統供給的純水，經除氧給水泵，由鍋爐純水槽經副級省煤器，送入除氧器熱力除氧；鍋爐給水經過除氧后，通過給水泵，經省煤器，直接送入爐頂的汽包；給水和汽包內已有的水混合成爐水，通過連接管路和熱水循環送往上下兩級蒸發器，生成的汽水混合物從上集箱的汽水連通管送入汽包，飽和蒸汽從設于汽包內的汽水分離器中分離出來，送往過熱器過熱，并利用減溫器使蒸汽溫度達到要求后，送入管網；分離出來的水，再次進入蒸發器內進行循環。從每種意義上說，鍋爐汽水流程也是一個閉路循環。如何將余熱鍋爐的汽包液位、蒸汽溫度、壓力以及循環水泵給水和煙氣的流量控制得當，是對于被控對象的主要控制目標。(1)汽包液位控制對于鍋爐汽包液位的控制是鍋爐控制的重中之重，保證汽包液位調節在±區間，可以保證最大蒸發面積，保持持續的產氣量，增加發電產量，同時又可以保障鍋爐運行安全。(2)蒸汽溫度和壓力控制鍋爐生產工藝的一個重要參數就是蒸汽溫度。過熱的蒸汽會對生產運行帶來不利的影響，甚至會損壞過熱器爐管道，由于現行的鍋爐金屬強度安全系數多為下限設計，溫度過高或者大大超過了設定溫度將會影響設備的使用年限。但同時，為了可以使鍋爐發揮出最大的效率，還是必須將蒸汽溫度穩定在鍋爐的額定進氣溫度附近。(3)給水量控制鍋爐控制的另一個重要因素就是給水量的控制。一般的，由汽包液位來決定給水量的大小，液位上升時，要減少給水量，而液位下降時，就需要增大給水。需要注意的是給水量的頻繁調整會導致汽包液位的上下波動，如果波動過于頻繁，也不利于鍋爐的產氣量，影響產量，劇烈頻繁的波動甚至會影響鍋爐的安全運行。(4)燒結煙氣流量控制燒結余熱工藝生產的熱源來自于燒結礦進入環冷機后進行冷卻時產生的煙氣。燒結在生產過程中存在很大的波動性。直接導致高溫煙氣的不穩定。由于燒結煙溫是無法進行調整的，所以當煙溫下降時，適當的加大煙氣流量，對于保持熱量的損失。鍋爐的安全生產與制造理想蒸汽的重要指標是鍋爐汽包液位。液位的高低將直接影響鍋爐運行的安全與效率。當液位過低時，有可能破壞水冷壁，甚至會引起鍋爐爆炸。當液位過高時，將影響汽水分離，使得蒸汽含水量大大增加，破壞汽輪機葉片，嚴重時使之破損與斷裂。所以，保持液位的相對穩定是燒結余熱發電生產中是至關重要的一個環節[5-7]。在以往的燒結余熱鍋爐控制中，經常采用PID等傳統控制方法進行調節控制。由于燒結熱源隨燒結生產不斷變化，造成余熱鍋爐汽包液位頻繁大幅度波動。因此，只使用傳統PID來控制余熱鍋爐液位，PID三個參數為固定值，控制效果不是很好。采用參數模糊自整定PID控制方法能夠有效的解決液位變化造成參數變化的控制問題，通過控制器的在線參數調整，實現燒結余熱鍋爐的液位控制，從而實現安全、穩定、最優的鍋爐汽包液位。目前在燒結余熱鍋爐液位控制方面，國內的燒結廠大多都仍是采用傳統的PID來進行控制，而這種控制有其固有的缺陷——不能完全實時的根據現場數據的變化來進行參數的調整，對液位頻繁大幅度變化沒有很好的解決辦法。甚至有些部分企業在沒有找到穩定的控制訪法時，采取使用人工干預，手動調節，使余熱鍋爐液位保證在合理的范圍內。技術實現要素：本發明的主要目的在于提供一種鍋爐液位的控制系統及其控制方法，以解決現有技術中鍋爐液位控制不穩定的問題。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種鍋爐液位的控制方法，包括：將鍋爐的液位變送器發送的實時信號與預設信號進行比較，確定鍋爐的運行誤差；將運行誤差通過模糊控制器進行多次數模轉化得到輸出量，輸出量用于控制調節閥的開度以使鍋爐的液位在預設范圍內。進一步地，輸出量在輸出之前，控制方法還包括對輸出量的自整定步驟，自整定步驟包括：根據運行誤差輸出鍋爐的響應曲線，根據響應曲線對輸出量進行調整。進一步地，運行誤差包括液位誤差和液位誤差變化率，自整定步驟包括：當|e|的數值處于第一預設值時，鍋爐輸出響應位于響應曲線的第一值域時，增加Kp的數值，減少KD的值，使KI為零；或者當|e|和|ec|的數值處于第二預設值時，鍋爐輸出響應位于響應曲線的第二值域時，減小Kp的值；或者當|e|的數值處于第三預設值時，鍋爐輸出響應位于響應曲線的第三值域時，增加KP和KI的值；其中，e為液位誤差；ec為液位誤差變化率；KP為比例控制量系數；KI為積分控制量；KD為積分控制系數。進一步地，輸出量通過以下公式獲得：u(k)＝KPe(k)+KI∑e(k)+KDec(k)，其中，e為液位誤差；ec為液位誤差變化率；KP為比例控制量系數；KI為積分控制量；KD為積分控制量系數；k屬于整數。進一步地，數模轉化包括對運行誤差構建模糊集與模糊關系，通過模糊集與模糊關系計算輸出量。進一步地，在模糊集與模糊關系計算出輸出量的步驟中包括：通過模糊集與模糊關系形成決策矩陣，通過決策矩陣確定輸出量。進一步地，模糊關系可通過以下公式獲得：R＝R1∪R2∪R3∧∪Rk，其中，RK＝(ei×ecj)T×Kpk，RK為模糊子集；Kpk為第k次鍋爐進行自整定的控制量系數；i＝1，2，…，m，m屬于整數；j＝1，2，…，n，n屬于整數；k＝1，2，…，L，L屬于整數；ei為變送器發送的第i次的液位誤差的實時信號；ecj為變送器發送的第j次的液位誤差變化率的實時信號。進一步地，模糊集可通過以下公式獲得：KW＝(e×ec)oR，其中，KW為Kp、KI、KD中的一個；R為模糊關系；KP為比例控制量系數；KI為積分控制量；KD為積分控制系數。根據本發明的另一個方面，提供了一種鍋爐液位的控制系統，控制系統的控制方法為上述的控制方法，控制系統包括調節閥、汽包裝置，調節閥與汽包裝置通過管路相連接，制系統還包括液位變送器和模糊控制器，液位變送器與模糊控制器電連接。進一步地，液位變送器用于對調節閥進行實時監測并獲取實時信號，模糊控制器通過將實時信號進行數模轉化以控制調節閥的開度。應用本發明的技術方案，鍋爐液位的控制方法包括：將鍋爐的液位變送器發送的實時信號與預設信號進行比較，確定鍋爐的運行誤差。將運行誤差通過模糊控制器進行多次數模轉化得到輸出量，輸出量用于控制調節閥的開度以使鍋爐的液位在預設范圍內。采用模糊控制器對變送器發送檢測到的實時信號進行多次的模糊變換，使得鍋爐中的運行誤差得到實時調整，提高鍋爐控制系統對動態環境的適應能力，增加了鍋爐系統的控制效果。附圖說明構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：圖1示出了現有技術中的鍋爐汽包液位控制系統示意圖；圖2示出了現有技術中的鍋爐汽包液位控制系統的流程示意圖；圖3示出了現有技術中的鍋爐汽包液位控制系統示意圖；圖4示出了現有技術中的鍋爐汽包液位單沖量控制系統框圖；圖5示出了現有技術中的鍋爐汽包液位雙沖量控制系統框圖；圖6示出了現有技術中的鍋爐汽包液位前饋-串級三沖量控制原理圖；圖7示出了圖6中鍋爐汽包液位前饋-串級三沖量控制系統框圖；圖8示出了現有技術中的鍋爐汽包液位PID控制器原理結構圖；圖9示出了根據本發明的模糊控制器的控制系統組成框圖；圖10示出了圖9中的模糊規則庫框圖；圖11示出了圖9中的模糊控制器的實施例一的流程圖；圖12示出了圖9中的模糊控制器的實施例二的流程圖；圖13示出了圖9中的模糊控制器的實施例三的流程圖；圖14示出了圖9中的模糊控制器的PID參數模糊自整定控制器流程圖；圖15示出了圖9中的模糊控制器的輸出響應曲線圖；圖16示出了圖9中的模糊控制器的模糊變換流程圖；以及圖17示出了圖9中的模糊控制器的模糊自整定PID控制器的流程圖；圖18示出了控制量KP、KI、KD的隸屬度曲線圖。具體實施方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。需要說明的是，本申請的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的術語在適當情況下可以互換，以便這里描述的本申請的實施方式例如能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。為了便于描述，在這里可以使用空間相對術語，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個器件或特征與其他器件或特征的空間位置關系。應當理解的是，空間相對術語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構造上方”或“在其他器件或構造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構造下方”或“在其他器件或構造之下”。因而，示例性術語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉90度或處于其他方位)，并且對這里所使用的空間相對描述作出相應解釋。現在，將參照附圖更詳細地描述根據本申請的示例性實施方式。然而，這些示例性實施方式可以由多種不同的形式來實施，并且不應當被解釋為只限于這里所闡述的實施方式。應當理解的是，提供這些實施方式是為了使得本申請的公開徹底且完整，并且將這些示例性實施方式的構思充分傳達給本領域普通技術人員，在附圖中，為了清楚起見，有可能擴大了層和區域的厚度，并且使用相同的附圖標記表示相同的器件，因而將省略對它們的描述。結合圖9至圖17所示，根據本發明的實施例，提供了一種鍋爐液位的控制方法。該方法包括將鍋爐的液位變送器發送的實時信號與預設信號進行比較，確定鍋爐的運行誤差；將運行誤差通過模糊控制器進行多次數模轉化得到輸出量，輸出量用于控制調節閥的開度以使鍋爐的液位在預設范圍內。在本實施例中，采用模糊控制器對變送器發送檢測到的實時信號進行多次的模糊變換，使得鍋爐中的運行誤差得到實時調整，提高鍋爐控制系統對動態環境的適應能力，增加了鍋爐系統的控制效果。其中，輸出量在輸出之前，控制方法還包括對輸出量的自整定步驟，自整定步驟包括：根據運行誤差輸出鍋爐的響應曲線，根據響應曲線對輸出量進行調整。運行誤差包括液位誤差和液位誤差變化率，自整定步驟包括：當|e|的數值處于第一預設值時，鍋爐輸出響應位于響應曲線的第一值域時(圖15中Ι區域所示)，增加Kp的數值，減少KD的值，使KI為零；或者當|e|和|ec|的數值處于第二預設值時(圖15中Ⅱ區域所示)，鍋爐輸出響應位于響應曲線的第二值域時，減小Kp的值；或者當|e|的數值處于第三預設值時(圖15中Ⅲ區域所示)，鍋爐輸出響應位于響應曲線的第三值域時，增加KP和KI的值；其中，e為液位誤差，ec為液位誤差變化率，KP為比例控制量系數；KI為積分控制量，KD為積分控制系數。進一步地，輸出量通過以下公式獲得：u(k)＝KPe(k)+KI∑e(k)+KDec(k)，其中，e為液位誤差，ec為液位誤差變化率，KP為比例控制量系數，KI為積分控制量，KD為積分控制量系數，k屬于整數。數模轉化包括對運行誤差構建模糊集與模糊關系，通過模糊集與模糊關系計算輸出量。在模糊集與模糊關系計算出輸出量的步驟中包括：通過模糊集與模糊關系形成決策矩陣，通過決策矩陣確定輸出量。模糊關系可通過以下公式獲得：R＝R1∪R2∪R3∧∪Rk，其中，RK＝(ei×ecj)T×Kpk，RK為模糊子集；Kpk為第k次鍋爐進行自整定的控制量系數；i＝1，2，…，m，m屬于整數；j＝1，2，…，n，n屬于整數；k＝1，2，…，L，L屬于整數；ei為變送器發送的第i次的液位誤差的實時信號；ecj為變送器發送的第j次的液位誤差變化率的實時信號。模糊集可通過以下公式獲得：KW＝(e×ec)oR，其中，KW為Kp、KI、KD中的一個；R為模糊關系；KP為比例控制量系數；KI為積分控制量；KD為積分控制系數。上述控制方法還可以用于鍋爐液位的控制系統中，即根據本發明的一個方面，提供了一種鍋爐液位的控制系統，控制系統的控制方法為上述實施例中的控制方法，控制系統包括調節閥、汽包裝置，調節閥與汽包裝置通過管路相連接，制系統還包括液位變送器和模糊控制器，液位變送器與模糊控制器電連接。具體地，常見的控制系統結構如圖1所示。一般情況下，在耗氣量與進水量相等的情況下，汽包液位指向正常值。在保持進水量恒定的情況下，蒸汽量發生變化增大或減少時，鍋爐汽包液位相應的上升或者下降；相應的，在保持蒸汽耗氣量恒定的情況下，進水量改變時，汽包的液位值也會隨之產生改變。實際控制中，調節器會根據液位高低的變化程度進行開大與關小閥門，使液位固定在指定的標準范圍內。由控制系統框圖2所示可知，系統的被控對象是鍋爐汽包，系統輸出量是鍋爐汽包液位參數，該參數經差壓變送器使測量得到的液位信號轉化為電流信號，電流信號由負反饋再與給定的設定值進行比較，然后將差值傳送到調節器，系統的控制器為調節器，調節器按照差值，并采用一定的控制規則，對調節閥發出控制指令，使調節閥完成相應動作。常見的調節器為氣關式與氣開式，工程上常采用氣關式作為安全保證，系統的主要擾動為給水變化與蒸汽變化，即給水壓力變化與蒸汽負荷變化。關于鍋爐汽包液位控制系統的動態特性分析：鍋爐汽包液位控制的任務是，在保持汽包液位處于標準值范圍的情況下，是給水量的變化與蒸汽量的變化一致。對于燒結余熱鍋爐尤其重要，因為燒結熱源及其不穩定，對于蒸發量的擾動非常頻繁。鍋爐汽包液位控制就是要把汽包液位穩定在標準范圍內，其中主被控量設為鍋爐汽包液位，副控制量設為蒸汽調節閥與給水調節閥，其作用為改變進水量。相應的結構框圖如圖3所示。給水流量的變化與蒸汽流量的改變是汽包液位產生波動的直接原因，控制器會將反饋回來的液位信號值與初始的給定值進行比較，然后將傳輸回來的誤差施加到調節控制器上，從而達到改變給水閥的大小來調節液位高度的目的。鍋爐汽包液位受到多種影響，比如常見的給水與蒸汽影響，以及汽水系統內汽水混合物的體積變化影響。鍋爐液位汽包不僅是液位下氣泡的體積，還體現了整個水路管路的體積?？偟膩碚f，其液位變化主要受以下方面影響：第一，蒸汽量的壓力波動；第二，蒸汽量的負荷擾動；第三、給水母管壓力的波動以及給水閥開度的變化等相關的給水擾動；第四、燃料發熱源的變化。把汽包的體積分為三個部分，即水體積VW、蒸汽蒸發面上下的體積VS與VD，特別的，蒸汽面以下的汽水混合體積由VW和VS組成。由于蒸汽負荷的波動會帶來汽包壓力的擾動，而壓力的浮動可歸結于蒸汽負荷中，故汽包壓力產生的影響可略。熱源的波動雖然對液位有影響，但由于有較大的滯后性，可略去不算。經數學推導與化簡，汽包液位的動態特征方程可表示為以下形式：式中：H為汽包液位；T1、T2為時間系數，單位為s；TW給水量的時間系數，單位為s；TD蒸汽量的時間系數，單位為s；KW給水量的放大倍數；KD蒸汽量的放大倍數。由公式(1)可知，鍋爐汽包液位的主要控制因素來源于蒸汽量與給水量的擾動，將其分為兩種情況討論，即只有內部擾動的給水量下的動態特性，與只有外部擾動的蒸汽量下的動態特性。給水量數值變化擾動下鍋爐汽包液位的動態特性，設給水量發生變化，而蒸汽量的值恒等不變，那么，鍋爐汽包液位調節對象的微分方程如下所示：對式(2)進行拉普拉斯變換，可得：T1T2S2H(S)+T1SH(s)＝TwSUW+Kwuw(3)汽包液位被控量在給水流量擾動下的傳遞函數可由式(3)變化得到：在現實工程中，對于蒸汽壓力不大于2.0MPa的中壓鍋爐，給水量項的時間常數較小，可不做計算，因此(4)式可簡化為：式中，為反應速度，即給水流量按單位流量變化時液位的變化速度，mm/s(t/h)。從式(5)得到，在給水擾動的情況下，汽包液位簡單可視為一個積分環節與一個慣性環節組成的。蒸汽量數值變化擾動下鍋爐汽包液位的動態特性，現設定蒸汽量的數值發生變化，而給水量的數值不變的情況下，由式(3.1)，鍋爐汽包液位的動態特性微分方程可表示為：對上式進行拉普拉斯變換，可得：T1T2S2H(S)+T1SH(s)＝-[TDSUD(S)+KDuD(S)](7)蒸汽蒸發量擾動下汽包液位被控對象的傳函為：上式可等效為兩個動態環節的和：式中：K2＝(KDT2-TD)/T1，Ta＝TD/K1。變送器轉換系數和儀器儀表的選擇，實際工程中變動器的型號采用DDZ2組合儀表，流量計的量程為150t/h，液位變送器的量程為300毫米水柱，標準信號為4-20mADC。蒸汽流量孔板αp、給水電磁流量計αw、差壓液位變送器的轉換系數αm分別為：調節閥采用線性閥，增益為受鍋爐自身容量、調節幅度以及負荷變化速度的影響，鍋爐汽包液位控制可以分為以下三種方式：只針對汽包液位控制的單沖量給水控制系統；液位作為主控制信號，蒸汽耗氣量擾動作為副控制信號的雙沖量給水控制系統，以及在雙沖量給水控制的基礎上加入給水量壓力擾動控制的三沖量控制系統。單沖量控制系統的框圖如圖4所示。該系統是典型的單回路，負反饋控制系統，系統反饋信號為鍋爐汽包液位，變送器通過轉換將電子信號發送至控制器，控制器通過將測量值與給定值進行比較，得出的差值發送給調節器，通過對調節器給水量大小的改變控制，來保持鍋爐汽包液位的數值高度范圍。優點：結構簡單，在“虛假液位”不嚴重的情況下應用。缺點：在產生“虛假液位”時，調節器往往會進行反向操作，這樣會造成，當外界負荷變大時，調節器則關小給水調節閥；當外界負荷變小時，調節器則開大給水調節閥。這樣會造成液位波動很大，難以平息擾動帶來的干擾，而且，給水閥的反應也相對緩慢。雙沖量控制系統的框圖如圖5所示。和單沖量相比，加入了蒸汽擾動信號，將其作為汽包液位控制的主要擾動，并將蒸汽流量作為系統的校正信號，此時，形成汽包液位的雙沖量控制系統。把蒸汽擾動經過處理作用在給水調節閥上，使得給水量與蒸汽量同步進行變化，這樣可以補償“虛假液位”帶來的困擾，減少為之引起的方向誤操作，并且可令給水調節閥動作及時。雙沖量控制系統優劣如下：優點：由于引入了蒸汽擾動信號，使得控制系統的調節精度高于單沖量控制系統。缺點：雖然加入了蒸汽擾動信號作為調節補償信號，但當給水側發生擾動變化時，系統就和單沖量調節系統一致了，依舊無法抵消“虛假液位”帶來的困擾，并且給水閥的工作特性有可能是非線性的，這樣會給靜態補償造成很大壓力。由于雙沖量控制系統依舊無法減少“虛假液位”帶來的干擾，考慮加入給水量擾動信號作為以汽包液位為主沖量控制信號，給水擾動和蒸汽流量擾動為副沖量控制信號的三沖量控制系統。三沖量控制系統可分為前饋-串級三沖量控制系統與前饋-反饋三沖量控制系統，以前饋-串級三沖量控制系統作為研究對象進行論述，所謂“前饋-串級”，即將相比蒸汽擾動信號的給水擾動信號作為前饋信號，將加法器放在控制器與調節器的中間，其控制原理圖和控制系統框圖分別如圖6和圖7所示。通過引入三個沖量信號作為系統調節的主副控制信號，使得“虛假液位”的影響大大減少，當系統外界負荷發生變化時，使用前饋-串級三沖量控制系統能是液位基本保持無差。控制器的種類經歷了多次更迭，但由于PID控制器其設計結構簡單、實踐運用豐富、理論研究深入，使得其成為工業控制領域里使用最為廣泛的控制器。加上PID控制器適用性極強，并且對于調節效果也得到了廣泛的認可。PID控制器的歷史分為兩個階段：其一是1940s年代，PID控制器被設計出來，并初步應用在工業中。隨后，1980s年代末微積分技術的應用，標志著PID控制器形成了固定的結構，同時也將PID控制器的繼續發展進入了下一個階段，PID控制器進化為一種魯棒性強，穩定并且使用在各個工業領域的控制器。PID控制器的發展，絲毫沒有受到現如今各種新控制策略的出現和發展的影響。正因如此，這些技術的發展更進一步的推動了PID控制器的持續完善。例如，這些新的策略與PID控制器相結合的設計，使PID控制器的生命力持續加強，并且發展速度加快。相反，隨著科技與計算機時代的來臨，對于控制的要求變得非常高，所以，對于PID控制器更高、更精并且能具備自整定的能力。PID控制器簡單來講，是由比例環節、積分環節、微分環節進行線性疊加組合而成的控制系統，常規的PID控制器原理如圖8所示。PID控制器的控制規律為：式中：U(t)為控制器輸出e(t)為控制器輸入，是系統給定值和被控對象輸出值的差，即e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)為系統參考輸入，y(t)為系統輸出，也稱偏差信號：Kp為控制器的比例系數；Ti為控制器的積分時間常數；Td為控制器的微分時間常數；對公式(10)進行拉普拉斯變換后，可以得到：對公式(10)進行拉普拉斯變換后，可以得到：經過進一步變換，PID控制器的傳函如下：下面對PID控制器三個部分的變化對被控對象的影響進行簡要闡述：(1)比例調節部分比例環節調節系數Kp的選擇要適度，過大會使系統產生振蕩，過小會達不到控制要求，所以要選擇適中的比例系數，這樣才能有效減少誤差，并且加快調節速度，減少過度時間。值得注意的是，比例控制不能消除穩態誤差。(2)積分調節部分由于比例調節系數無法消除穩態靜差，加入了積分環節來進行調節。積分時間調節系數Ti越大，積分控制調節越弱，相應地，積分時間越小，控制效果越顯著，但有可能產生劇烈振蕩。所以，適當的積分調節系數會使得整個系統完成消除靜差的目的。(3)微分調節部分微分調節系數Td主要用來加快系統響應的作用，可以反映誤差信號的變化趨勢，適當的微分調節系數可以改善系統的動態性能以及調節時間。由于計算采用的是非連續的離散采樣控制，在實際應用時還要把連續的PID控制控制算法轉化為，計算機可以識別的離散控制方法，得出PID的位置式控制算法，以配合計算機的使用，對式(10)進行處理后得到：位置式PID控制算法是全量輸出，計算機運算的工作量很大，要對e(k)進行逐次累加，一旦計算機出現故障，計算機輸出的u(t)將大幅度變化，從而導致執行機構的位置也發生大幅度變化。這種情況在生產實踐中往往是不允許的，尤其可能會導致某些場合發生重大安全事故，因而誕生了增量式PID算法，其算法如下所示：△u(k)＝KP△e(k)+Ki△e(k)+Kd[△e(k)-△e(k-1)](14)增量式PID控制對比位置式PID控制的優點顯而易見。一旦計算發生故障，控制系統可以保持原值，使得計算機的故障對系統的影響比較少。而且增量式的計算方法不是采用歷史的所有數據，這也減少了計算機的運算負擔，增加了運算速度，能夠相對容易的實現控制要求。在長期的理論實踐與實際應用中，以上兩種PID控制方式依然無法滿足當前控制的要求，其重要的原因在于，系統的PID參數一旦設定好，無法進行實時變更，以適應新的控制環境的要求。既然常規的PID控制器無法改變由于外界擾動帶來的困擾，那么，為了實現更高的控制指標與適應更復雜的控制環境，人們漸漸將視線轉移到了一個新的領域—智能控制。模糊控制是典型的非線性控制，它可以應用到不完全明確被控對象數學模型的控制環境中，由于鍋爐汽包液位控制是十分復雜的系統，無法精確的獲得其數學模型，故此，模糊控制就是一個很好的控制方法。經過時間的推移，模糊控制得到了長足的發展，日益成為工業、民用常用的控制方式。如圖9所示，模糊控制器主要分為以下幾部分：模糊控制器：此為模糊控制的核心，如虛線表示。它主要由知識庫與模糊推理組成。通過模糊規則推理產生的結果，實現對被控對象的調節。輸入-輸出接口：被控對象的離散信號通過輸入接口傳遞給模糊控制器，在做完模糊判決后，經輸出接口再次傳送給被控對象，實現對被控對象的控制。傳感器(儀表)：主要是信號轉換的裝置。常見的控制量并不都是電信號，多數是壓力信號，流量信號或者溫度信號，這樣就需要一個轉換裝置將其他類型的信號轉化為電信號作為控制的基礎。常用精度高、穩定性好的儀表作為傳感器。被控對象：多數為機械設備，或各個設備的群體構成。當無法取得精確的數學模型是，適合采用模糊控制進行處理。執行機構：常見的有各種電動機(交流、直流)，液壓器等調節設備。結合鍋爐汽包液位單沖量模糊控制系統為例，簡單闡述一下模糊控制的基本原理：通過液位變送器傳出來的信號與設定信號進行比較，便得到信號誤差e，通過模數轉換，將模擬量轉化成計算機可以識別的數字量，并且送入模糊控制器中，在控制器內通過控制算法，得到數字信號，在通過數模轉化，將數字量信號轉化為模擬量輸出到被控對象上，從而控制調節閥的開度，改變鍋爐給水量，做到保持鍋爐液位范圍控制的目的。以上控制過程與一般的反饋控制有所相似，不同之處在于控制量不是精確量而是模糊量。模糊量通過模糊規則推理得到另一個模糊量，在經過變化才產生控制被控對象的調節信號。規則庫是模糊控制器的另一個核心，通常需要專家以及有一定操作經驗的工程師進行設定，規則庫的表現形式一般展現為人類思想的語言表達。通常有關系詞構成，在鍋爐汽包液位控制系統中，控制規則用語言描述如下：若汽包液位水平處于較低狀態，則加大給水量的供給，液位越低，給水量加大的越多，若汽包液位水平處于較高狀態，則減少給水量的供給，液位越高，給水量減少的越多。模糊控制是為了解決人們無法找到某些被控對象的精確模型而產生的一種非線性控制算法，算法憑借專家知識或熟練操作員的經驗對系統進行控制，其優點簡要如下：1)具有良好的魯棒性，適應外界的干擾與變化。2)不需要知道精確的數學模型，控制原理簡單易于實現。3)采用擬人的控制思想，具有智能控制水平。雖然模糊控制器有諸多優點，但經過長期的時間表明，模糊控制器也存在如下缺點：1)控制精度較低，主要是由于模糊控制的控制方法所致。控制受量化等級的限制，真正實際工作中，為了減少運算時間，計算機不允許使用過多的查詢表進行查詢。2)有可能出現小幅震蕩，或者靜差。為了解決模糊控制帶來的缺點，工程人員想出了很多方法，其中，將傳統的PID控制與現代的模糊控制相結合，就是一種有效的方法。對模糊控制器的設計可以通過以下步驟：1)選定模糊控制器的結構。即選定模糊控制器的輸入、輸出量。2)對模糊控制器的輸入、輸出量進行模糊化。通常采用量化因子與比例因子進行實際論域是模糊論域的轉化，把精確量分為“負小”、“正小”、…“負大”、“正大”等區間，并通過計算得出隸屬度函數。3)設計模糊推理決策算法。通過現場采集到的信號以及專家經驗總結，將系統是輸入輸出量編輯成一系列的“if-then”規則語句，利用專家經驗規則，采用相適應的算法得到控制表，常見的算法有，極大極小法、中位數法等等。4)對輸出量進行解模糊。通過查詢控制表得到輸出控制量，而這個數值的一個模糊量，需要使用比例因子把它從模糊量轉化成在實際輸出范圍的，可以精確控制的精確量，這一過程稱之為解模糊。模糊控制器性能的優劣和控制器設計的結構是密不可分的，常見的單變量控制系統是由一個輸入變量和一個輸出變量構成的自動控系統，在模糊控制中，輸入控制變量的個數一般稱為該系統的維數。而所謂的多變量控制系統即為多個輸入變量與多個輸出變量組成的系統。一維模糊控制器：這是一種相對簡單的模糊控制器如圖11所示，具有單個輸入/輸出變量，用偏差e為控制的輸入，控制量U為控制輸出。經常被用于控制一階被控對象，系統動態控制性能不佳是此控制器的缺點。二維模糊控制器：這種類型的模糊控制器是目前來說比較常用的，如圖12所示，雙輸入(誤差和誤差的變化率)單輸出系統構成了一個PD控制器，與一維控制器相比，有效的降低了系統震蕩以及減少了超調。多維模糊控制器：三維模糊控制器如圖13所示，與二維控制器相比，輸入還增加了偏差變化率的變化率，通常來講，模糊控制器的維數與精確性成正比，同時，維數又與控制器的復雜性成正比，維數過高，控制算法的實現也就更困難。這是三維或多維模糊控制器在應用上存在的問題。模糊控制器的論域：論域及基本論域，基本論域是輸入變量的誤差、輸入變量的誤差變化率以及輸出變量，其范圍值是精確量。通常，誤差的基本論域設定為[-emax，emax]；誤差的變化量的基本論域設為[-△emax，△emax]；輸出控制量的基本論域定義為[-umax，umax]。對于模糊論域把誤差的模糊論域設為{-na，-na+1，…，+1，0，-1，…na-1，na}；誤差的變化率的模糊論域設為{-nb，-nb+1，…，+1，0，-1，…nb-1，nb}；輸出控制量的模糊論域設為{-nc，-nc+1，…，+1，0，-1，…nc-1，nc}。量化因子與比例因子：計算機在實現模糊控制時，每次采樣得到的控制量需要由計算機進行計算，需要將輸入控制變量與輸出控制變量從基本論域轉化到模糊集的論域，這中間就需要量化因子與比例因子的幫助。量化因子一般指誤差的量化因子與誤差的變化率量化因子，將誤差的量化因子定義為：e的量化因子定義為：比例因子一般指控制量輸出變量的比例因子，我們將控制量輸出變量的比例因子定義為：模糊論域的分級與語言值的分檔：模糊語言變量的語言值分檔越多，對事物描述的就越細致、越準確，設定的控制規則就靈活，控制效果也就越好。但是語言值過多時，會造成編程困難，占用存儲量大；語言值分檔太少，則規則變少，控制效果變差。語言變量的語言值一般劃分為：{NB，BM，NS，ZO，PS，PM，PB}，語言值分檔的數量m通常取2到10之間。模糊論域分級一般選取{-6～+6}，{-3～+3}等。通常為了提高控制精度可以采取增加論域元素的數量來實現，但過多的元素有時也不一定能帶來顯著的效果，而且數量越多計算量也就越大，一般地，把模糊論域中所含元素個數n取值為語言變量個數m的兩倍，這樣既可以很好的覆蓋論域，也能消除失控造成的危險。隸屬度函數的選?。撼Ｒ姷碾`屬度函數有正態型隸屬度函數、Z型隸屬度函數、S型隸屬度函數，梯形隸屬度函數、三角形隸屬度函數等。一般常用三角形隸屬度函數與梯形隸屬度函數，其優點是運算簡單，而且計算方便，占用存儲空間小，并且在輸入量發生變化時，靈敏度要高于正態型隸屬度函數。一般情況下，隸屬函數的形狀對于控制的影響要小于其幅寬大小的影響。也就是說，幅寬對與控制器的性能影響較大。把幅寬比較窄，模糊子集形狀比較陡峭的稱為高分辨率，把幅寬比較寬，模糊子集比較平緩的稱為低分辨率。高分辨率控制精度高，但輸出變化大，低分辨率穩定性較好，但輸出變化小。通常要想獲得良好的魯棒性，將高分辨率的隸屬度函數模糊子集放置在偏差較小的區域，將低分辨率的隸屬度函數模糊子集放置在偏差較大的區域。模糊推理決策算法的設計，模糊控制器的核心是對模糊控制規則的設計，控制規則是人們對被控對象受控過程的認知與操作經驗總結，選擇控制規則時應該對其規則條數和質量進行關注，模糊控制規則的確定和可調節性將決定控制器的性能優劣。由于被控對象的特殊性，比如具有高階次、非線性、時變性以及各種其他干擾擾動的因素影響，使得模糊控制規則變得不夠完善，比較粗糙，這從不同程度上將會影響控制效果的優劣，這樣迫使找到一個可以在線調整模糊控制規則或者參數的新型模糊控制器取代以往的不可變更性，模糊自整定控制器就是其中的一員。模糊控制器的算法由運算速度與運算精度的不同可以簡單的分為查表法、公式解析法、推理算法等。輸出量的解模糊，通過模糊推理得出控制變量的模糊子集，并非可以直接控制被控對象的精確量，需要將其轉化，最終目的是作用到被控對象上，把這一轉化過程叫做解模糊，或者去模糊。常用的方法有MIN-MAX重心法、選擇最大隸屬度法、選取中位數法、函數型推理法等等，每個方法各有優缺點。其中最大隸屬度法最為簡單，但這種方法只是強調了隸屬度最大元素的控制作用，并非考慮全體的貢獻，所利用的信息比較少。中位數法則是考慮全體元素的信息，將選取的模糊子集的隸屬度函數曲線和橫坐標所圍成區域的面積平分為兩部分的數，作為解模糊判決的結果。但是計算量比較大，所以在實際的工程當中要考慮系統的復雜程度與精度來選擇最佳的解模糊方式。參數模糊自整定PID控制器的設計，傳統的PID控制對于多數的控制對象和控制過程都表現了很好的控制效果，仍然將此控制方法廣泛應用。值得一提的是，傳統PID控制法在參數調整上具有一定的特殊性，調節參數往往需要有一定的人工經驗，否則，參數將無法確定好。另外，調整好的參數也不一定適用被控對象的整個運行過程，當有外界干擾，或者系統的控制對象參數發生了變化，固定的一組PID參數將無法實現對被控對象的良好控制，控制性能將大打折扣。那么，設計出可在線調整PID參數的控制器將成為解決問題的方法。模糊控制理論是基于人類的思考模式與方法建立起來的控制理論，其最大的特點是，不必須要精準的被控對象數學模型，可以利用專家的控制策略與經驗對控制對象進行良好的控制。將模糊控制與傳統PID控制結合起來，將更好地發揮兩者控制理論的優點，利用模糊控制，使傳統的PID控制具有在線自整定參數的功能，這樣參數自整定PID控制器既有靈活適應性強的優點，又有控制精度高的長處，可謂強強聯合，實現了控制性能的進一步提高。由于考慮工程上的應用需求，采用參數模糊自整定PID控制器的進行設計。PID參數模糊自整定控制器具有原理簡單、魯棒性強、靈活性與適應性高的特點，它通過對控制過程中不同參數的檢測與分析，在線對PID的參數KPKI和KD進行調整，使其更有效的完成對被控對象外界干擾和不確定因素的控制。典型的參數模糊自整定PID控制系統的結構如圖14所示，該系統在工程上易于實現，并且具有良好的動態和靜態性能。由圖可以看出，系統由模糊控制器與傳統PID控制器組成，控制系統的輸入為誤差和誤差的變化率，并將其值傳送到模糊控制器上，由模糊控制器和PID控制器共同進行運算，最終將調整好的參數作用在被控對象上，可以看出，模糊控制器通過模糊推理在線不斷調整PID的三個參數，以實現參數自整定的控制方式。參數自整定PID控制器的原理工作思想是，找到誤差e和誤差變化率ec與PID的三個參數KPKI和KD的關系，通過系統對誤差和誤差變化率的不斷檢測、更新，實現在線對KPKI和KD的參數調整以此滿足對控制對象參數變化的適應，實現對控制系統較好的控制。由于三個參數△KP△KI和△KD對系統輸出特性的影響，下面結合系統的輸出響應曲線圖15來介紹，系統在不同的誤差和誤差變化率的情況下，被控對象參數KPKI和KD的自整定原則：1)當誤差|e|較大時，系統的輸出響應位于曲線的Ι段時，應采取避免誤差過大，加大系統響應，但也要避免系統超出控制范圍。所以，提高Kp的數值，減少KD的數值，去掉積分作用，使KI為零。2)當誤差和誤差的變化率|e|和|ec|數值中等時，系統的輸出響應位于曲線的Ⅱ段時，應減少系統的超調量，為保證系統的響應速度，Kp應該減小，KI和KD應該適當調結。3)當誤差|e|較小時，系統的輸出響應位于曲線的Ⅲ段時，應讓系統得到良好的穩定性，此時應加大KP和KI的取值，同時，為了避免干擾的因素以及持續振蕩的影響，此時應適當調整KD的取值。一般方法是，當誤差的變化率|ec|較小時，KD取值適中；當誤差的變化率|ec|較大時，KD取值減少。控制器的輸入變量為誤差e和誤差的變化率ec，輸出為PID的三個調節參數KPKI和KD，算法的實現設計方法如下所示：第一、把誤差、誤差的變化率以及PID的三個參數進行模糊化，選定每個變量的模糊子集的隸屬度。第二、通過模糊控制規則，將PID的三個參數KPKI和KD進行參數校正。第三、運用模糊推理，得出調整好的PID三個參數KPKI和KD，并且輸出矩陣表。各變量的隸屬函數及值的表示：系統最大動態誤差是蒸汽擾動帶來的液位變化，大約為40mm水柱。由于差壓變送器的轉換系數為0.04(16/400)，因此偏差e的變化范圍為40×0.04＝1.6mA，即偏差的e的基本論域為{-1.6,1.6}。偏差e的量化因子為Ke＝3/1.6＝1.875。在設定值的作用下系統達到最大值(即200mm水柱)經過200S的時間。因此，偏差變化率ec的基本論域為{-0.04,0.04}。偏差變化率的量化因子Kec＝3/0.04＝75。根據執行機構輸入信號的范圍來確定輸出變量u的比例因子Ku。因為選用的是DDZΙΙ型儀表，信號范圍為4-20mA，則Ku＝8/3≈2.67各變量分別具有一定的變化范圍，定義模糊集上的論域為：e、ec、KP、KI、KD＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并設其模糊子集為：e、ec、KP、KI、KD＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}取輸入e、ec及輸出KPKI和KD的隸屬度函數為三角型函數。對應的誤差e和誤差變化率ec的模糊變量表如表1所示：表1e、ec模糊變量表對應的KPKI和KD模糊變量表如表2所示：表2KPKI和KD模糊變量表KP/KI/KD-3-2-10123PB00000.20.61PM00000.510.5PS0000.510.50ZO000.510.500NS00.510.5000NM0.510.50000NB10.50.20000各變量隸屬函數曲線采用三角形，液位誤差e、偏差變化率ec、輸出控制量KP、KI、KD的隸屬度曲線如圖18所示。量化因子與比例因子的選定。誤差的量化因子Kε設定為誤差的變化率量化因子輸出控制量的比例因子其中xε為液位誤差值，xεc為水位誤差變化率，yu為輸出控制量，n、m、l為論域值。在本設計中取m＝n＝3。建立模糊控制規則表：PID參數自整定控制器的核心是參數整定的規則，這一規則是由專家的經驗總結得出的，把規則編制到表格里，如下所示：表3KP模糊控制規則表表4KI模糊控制規則表表5KD模糊控制規則表模糊合成推理算法及調整決策矩陣：通過計算得出KPKI和KD的調整控制規則表后，將進行算法合成，三個參數的計算過程不盡相同，以KP計算過程為例，詳見如下:a)合成推理算法把誤差與誤差變化率(e、ec)輸出(KP)組成的模糊控制系統，按先前給定的控制規則書寫如下：Ife＝eiandec＝ecjtheni＝1，2，ΛΛmj＝1，2，ΛΛn其中ei、ecj、Kpij分別是定義在e、ec、Kp上的模糊集，上式可用一個ei×ecj到Kpij的模糊關系R來描述，即R＝Uij(ei×ecj)×Kpij(18)根據模糊數學理論，“×”運算的含義由下式定義：如果偏差和偏差變化率分別取e和ec，則模糊控制器給出的控制量的變化由模糊推理合成規則算出：Kp＝(e×ec)oR(20)即b)控制規則Kp的控制規則如下所示：ife＝NBandec＝NSthenKp＝PBife＝NBandec＝0thenKp＝PBife＝NBandec＝PSthenKp＝PMife＝PBandec＝PBthenKp＝NB。c)模糊關系R的求取RK＝(ei×ecj)T×KpkR＝R1∪R2∪R3∧∪Rk式中i＝1，2，L，m；j＝1，2，L，n；k＝1，2，L，m×n由控制規則表和上式得：則模糊關系R為：d)參數Kp的模糊集的試算過程KP＝(e×ec)oR，則KP1＝[00000.20.51]KP2＝[00000.50.61]KP48＝[10.60.50.20.500]KP49＝[10.60.50000]下面進行KP的解模糊判決e)KP的解模糊判決在模糊判決里采用簡單易行的最大隸屬度法進行處理。由此可得表6KP參數模糊調整控制表。使用相同的方法，可以繪制出表7、表8KI和KD的模糊調整決策矩陣。表6KP參數的模糊調整表ec/KP/e-3-2-10123-33.03.03.03.02.01.00-23.03.03.03.01.500-12.02.02.02.01.00-1.002.01.01.00-1.0-1.0-1.011.00-1.0-2.0-2.0-2.0-2.0200-2.0-3.0-3.0-3.0-3.030-1.0-3.0-3.0-3.0-3.0-3.0表7KI參數的模糊調整表ec/KI/e-3-2-10123-31.0-3.0-3.0-1.0-3.0-3.01.0-21.0-3.0-3.0-1.0-3.0-3.01.0-10-2.0-2.0-1.0-2.0-2.0000-1.0-1.0-1.0-1.0-1.00102.01.001.02.0021.03.01.01.03.03.01.031.03.02.02.03.03.01.0表8KD參數的模糊調整表f)模糊PID控制算法當用誤差和誤差變化率來表示一個PID控制，則其表達形式為：u(k)＝KPe(k)+KI∑e(k)+KDec(k)(22)其中u(k)為控制器輸出量，e(k)為誤差，ec(k)為誤差變化率，KP為比例系數，KI為積分作用系統，KD為積分作用系數。定義KD＝K'D+{e,ec}KD＝K'D+△KD參數調整算式如下KP＝K'P+{e,ec}KP＝K'P+△KP(23)KI＝K'I+{e,ec}KI＝K'I+△KI(24)KD＝K'D+{e,ec}KD＝K'D+△KD(25)式中KPKI和KD參數是PID控制器的參數，K'P、K'I、K'D是KPKI和KD的初始參數。在控制系統的調整過程中，系統進行實時計算，更新在線調整系數KPKI和KD，最后找到一個最佳值，以實現三個參數的自整定調節控制。通過以上分析，選擇二輸入三輸出類型的模糊控制器作汽包液位為本文的控制器類型，用燒結余熱鍋爐的汽包液位誤差e和汽包液位誤差變化率ec作為模糊控制器系統的兩個輸入量，KPKI和KD作為模糊控制器的三個輸出量。系統結構圖如圖16所示。如圖17所示，仿真(Simulation)是一項結合了多個
技術領域：
的一門新興高科技技術。在計算機模擬環境下，實現和預估產品在真實環境的性能與特征。仿真技術也在不斷發展，拿按照實現方式的不同，分別經歷了物理仿真階段、模擬仿真階段、混合仿真階段、基于圖形工作站的三維可視交互仿真等從實物到計算機仿真一共五個發展階段。由于引入計算機系統以及包括網絡系統、多媒體等外界設備，使得仿真變得越老越友好，功能越來越強大，并普遍得到大家的關注，近些年來，像虛擬現實技術、分布交互技術、仿真培訓等都越來越被大家認可與接受。仿真遵循的是相似性參數模糊自整定PID控制器的流程如圖17所示。在本實施例中，可以采用MATLAB模糊工具箱進行仿真，控制器的模糊推理采用Mamdani型，隸屬度函數為三角形，解模糊采取最大隸屬度法，模糊集為7級，模糊規則為ifeisXXandecisXXthenuisXX。(其中XX為NB、MB、PB等)根據傳統鍋爐液位三沖量PID控制方式，本設計的鍋爐汽包液位控制系統使用串級的控制方式，傳統的PID控制器作為副控制器，模糊自整定PID控制器作為主控制器，該系統控制圖如圖13所示。方案中設有兩個閉環回路，外閉環回路用于克服控制外界蒸汽擾動，內閉環回路用于克服控制給水擾動。其中，外回路中主要為液位控制器，內回路主要為給水控制器，并且蒸汽流量擾動信號會通過前饋控制器進入給水控制器，以減少“虛假液位”帶來的誤差。外閉環為主控制器，任務是實現液位的無靜態偏差控制，達到對液位進行精確調節，內環副控制器是副控制器起到粗調節作用，主要任務是消除給水壓力等其他因素引發的給水量擾動。通過實驗可測得，給水量與液位的傳遞函數為蒸汽流量與液位的傳遞函數為對以下情況進行仿真(1)液位給定階躍跟蹤響應時(2)加入給水流量擾動和連續加入蒸汽擾動時，并且所有仿真曲線的橫坐標單位為秒。自整定模糊控制器本身有較強的自適應能力，能夠抵抗外界的干擾，較少出現或者不出現頻繁振蕩現象，使得避免出現了像有些不好的控制系統，會因某一時刻的外界干擾造成劇烈振蕩，工程上甚至會出現生產危險等情況。由于燒結余熱鍋爐所持有的特殊性，會頻繁產生蒸汽擾動，通過模擬仿真，傳統PID控制器控制時系統輸出有一個明顯的調整，并且產生了小幅的振蕩，說明具有一定的抗外來擾動的能力。但與其對比之下，參數模糊自整定PID控制器對外來信號的抗干擾能力就顯現出了絕對的優勢，外界干擾進入時，偏差很小，并且快速返回穩定狀態。經過仿真實驗可以得出，模糊自整定PID控制比傳統PID控制的控制效果要好，超調量更小，在短時間內可以達到穩定狀態，并且在外界干擾的環境下，更具有較強的魯棒性，能夠適應擾動的影響，保持在穩定的狀態。通過對燒結余熱鍋爐汽包液位分別采取三沖量模糊參數自整定PID控制器和普通傳統PID控制器進行仿真比較，從仿真結果可以看出：1)汽包液位誤差均能良好的消除，使得穩態靜差很小。2)當有外界干擾加入時，傳統的PID控制器抗擾性能很差，有較大的系統響應，造成振蕩加劇，而參數模糊自整定PID控制器超調較小，輸出變化平穩緩和，能夠有效的抵抗外界干擾。3)參數模糊自整定PID控制系統的超調量相對比較小，振蕩周期比較短。魯棒性強，適應力強，適合在控制對象參數不確定，外界干擾大的場合應用。本申請提供了鍋爐液位控制的模糊自整定PID控制器的系統構成，并提出模糊PID參數建立的原則。根據模糊控制的組成要求，給出鍋爐液位模糊自整定PID控制器的論域及模糊子集，并得到偏差和偏差變化率的隸屬度函數圖。根據實際的生產數據建立了合適的模糊規則表，從而得到針對三個PID控制參數Kp、Ki、Kd的整定的模糊控制表，并給出了模糊規則。同時，為在DCS程序中實現模糊自整定PID控制，給出了簡化后的模糊規則及實際的參數值。根據燒結余熱發電生產特點以及工藝流程特殊性，自動控制系統采用對于過程控制性能更優的DCS系統，并沒有采用對于運動控制更優的PLC系統，對需要控制以及參與連鎖的生產設備以及工藝過程集中進行監控。從系統結構上，采用以電氣、儀表、控制為一體的系統，構成一個結構化，功能齊全，結合生產管理與過程控制一體且安全可靠的系統。并且系統針對生產企業日后的長遠發展，預留了優化與擴容的標準接口，做到提前為未來打算。采用分散控制系統(DCS)作為機組的監控，實現2爐1機及輔助系統的集中控制(#2爐設就地控制室)。在少量就地人員配合下，在控制室內實現機和爐的啟/停操作，并能在控制室內實現機組正常運行工況的監視、調整、控制以及異常工況的停爐、停機、報警和緊急事故處理。在控制室內，分散控制系統(DCS)操作員站的LCD、鍵盤/鼠標是運行人員對機組監視、調整與控制的中心。當分散控制系統(DCS)發生整體性或重大事故時，可通過后備手操設備實現機組的緊急停爐、停機操作。機組的監視與控制主要由DCS來實現。分散控制系統DCS包括：數據采集系統(DAS)，模擬量控制系統(MCS)，順序控制系統(SCS)，事件順序記錄(SOE)等。硬件設置上大致可以歸結為“兩線四點”式結構，兩線指的是現場控制級的現場總線以及以以太網為基礎的計算機通訊網絡，四點指的是一個面向被控對象的I/O控制站；五個面向操作員站。分別監控操作余熱鍋爐，汽輪發電機，冷凝器系統，汽機油系統以及電氣綜保系統。實現系統過程狀態的顯示、控制操作、報警顯示、歷史數據采集和各種趨勢的顯示及報表生成打印等；在硬件配置設計上，根據整個燒結余熱發電生產線的控制需求及IO點數要求，選用了和利時FM802作為主控CPU。其中FM802為CPU，FM910為電源模塊。除此之外，還按照點數配置了智能IO模塊，分DI，DO，AI，AO等，用來完成現場數據的采集與控制輸出。和利時采用集成在機柜背板式的現場總線設計。采用冗余的主控單元(CPU)，通過現場總線(Prifibus-DP)連接到各個智能IO模塊。比如與燒結系統的CPU進行數據交換，得到燒結環冷機出口煙溫等運行數據，實現整個項目的功能。除了CPU所在機架的配置以外，還有很多遠程IO站，這些遠程IO站選用和利時性能可靠而又比較常用的?？紤]到汽包液位及其重要，采用杠桿式氣動差壓變送器來測量鍋爐汽包的液位，通過變送器轉換成標準4-20mA信號送至DCS系統；蒸汽流量采用孔板式差壓變送器來測量，通過變送器轉換成標準4-20mA信號也送至同一個DCS系統；經DCS系統的內部運算得出一個0P值來決定給水調節閥閥門的開度，從而達到控制鍋爐汽包液位的目的。為了便于硬件設備的安裝和調試，同時提高保護等級及提高抗干擾能力，硬件CPU主機架和輸入輸出模塊都安裝在DCS柜內。模塊與端子的接線都在出廠前連接好，可以在柜體到達現場后，只考慮出柜端子與外部設備接線即可，柜內的接線在出廠調試時就完成調試工作。上述給出了余熱發電控制系統的硬件設計以及DCS硬件的配置，對液位采集的方法及使用的儀表設備給出了相關的分析并給出了模塊的接線圖。提出傳統PID控制和參數模糊自整定PID控制都是采用相同的DCS硬件。不管是傳統PID控制還是模糊PID控制，在實際的生產應用中都需要人機界面來配合，這個項目中的人機界面軟件采用的是和利時公司的CONMaker軟件。通過畫面的編制，形成一幅一幅的操作界面。在傳統PID控制中，PID參數可以直接從畫面上給定，設定液位也由畫面直接給定，而且還有手動/自動切換功能；在參數模糊自整定PID控制中，畫面設置了模糊選擇與模糊取消功能，在畫面上只有液位設定，PID的參數最終由DCS程序中產生并直接用于PID調節控制。在余熱發電汽包控制程序中，傳統的PID調節方法是采用固定的比例、積分和微分參數，這三個參數可以通過經驗及現場調試后得出一個比較合適的控制參數，在一定的工況條件下，對液位的控制能取得很好的控制效果，當系統出現擾動后，也能快速的重新取得平衡，使控制輸出值穩定在設定的液位值上下波動。但在實際生產應用時，工況基本上是時刻在發生變化的，每當工況發生比較大的變化時，原先調試得到的PID參數將不再能很好的適合余熱鍋爐液位控制，使傳統的PID控制變得不能完全適用于燒結余熱鍋爐液位控制，從而使控制效果變差。在編制傳統PID控制程序時，按和利時MACS編程方法，PID控制功能直接從軟件的固有模塊中直接調用，采用HSPID功能塊，程序的調用不從組織塊MAC01_PRG中調用。通過汽包液位PID功能塊得到一個控制給水流量的輸出值，經過量程轉換后，得到給水控制閥PID的流量設定參數，再次調用HSPID功能塊，從而輸出一個給誰控制閥的閥門開度值去控制給水閥門的開度，進而調節點汽包液位變化。在調試過程中，結合生產的安全要求，給水調節閥進行了調節范圍的設定，在5％至95％之間。參數模糊自整定PID控制程序在和利時DCS中來實現，其方法就是采用變參數的模糊規則來實現的。根據采集反饋回來的實際液位跟設定溫度進行比較，再根據比較得出的偏差值來進行判斷，根據預先取得的經驗數據，及規定好的模糊控制規則，從不同的偏差值得到不同的比例、積分、微分修正參數值，并把得到的修正參數值與初始的PID控制器的三個參數值相加，得到新的控制參數值送到鍋爐液位PID控制器中進行調節控制。與傳統PID控制器的程序一樣，不采用在MAC01_PRG中調用。程序中編制了一個專用的模糊控制功能塊FBFuzzy來實現模糊控制器的功能，并且為這個功能塊配置了局部變量表，可以實現相關數值的中間量運算，同時讀取全局變量表中的目標液位、反饋液位等參數，作為功能的輸入。整個模糊控制器的功能塊由三個子功能FC100～FC102來完成，其中FC100完成液位偏差e的計算；FC101根據得到的液位偏差值進行模糊化處理也就是數據判斷，并且產生程序跳轉變量；FC102根據FC101中產生的跳轉變量直接給出△P、△I、△D值，隨后進行相加處理，得到不同時刻下及不同偏差值下的Kp、Ki、Kd參數，同時把這三個變參數送到HSPID中作為控制量，來調節余熱鍋爐的液位穩定。HSPID是和利時公司MACS開發軟件中自帶的PID調節功能塊，可以在程序中直接調用。在調試過程中，結合生產的安全要求，給水調節閥進行了調節范圍的設定，在5％至95％之間。由于余熱鍋爐液位的穩定性對燒結余熱發電安全生產起著非常大的作用，而目前國內的余熱鍋爐液位控制大部分還是采用傳統的PID控制或人工手工控制，整個控制很不理想，因此針對這個控制現實，提出了采用參數模糊自整定PID控制的思想，并建立了余熱鍋爐液位控制系統的數學模型，用MATLAB進行仿真并用DCS程序來實現。通過模糊控制的原理，建立了余熱發電鍋爐頁為控制的模糊子集，給出了模糊規則表及模糊規則，通過MATLAB軟件進行了仿真實驗，得到傳統PID控制與參數模糊自整定PID控制的仿真曲線，從得到的曲線可知，采用了參數模糊自整定PID控制后，余熱鍋爐液位控制性能得到了很大的改善。參數模糊自整定PID控制器的控制品質優于常規PID，根據系統的誤差和誤差變化率使Kp、Ki、Kd參數及時得到調整，從而提高系統對動態環境的適應能力，因此，在余熱鍋爐液位控制系統中，采用參數模糊自整定PID控制器，得到了更好的控制效果。通過DCS程序來實現的參數模糊自整定PID控制中，對模糊規則進行了簡化，通過對設定液位值后的兩種調節曲線的比較同樣可以得出：采用參數模糊自整定PID控制后，燒結余熱發電鍋爐液位控制能更快速的趨于穩定，而且超調值也大大縮小，控制系統的波動性更加小。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3