锅炉汽包水位模糊控制系统的仿真与设计

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1、锅炉汽包水位模糊控制系统的仿真与设计作者：黄章明、李方圆摘要：锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。在建立了锅炉汽包水位为调节对象的数学模型基础上，应用MATLABsimulink软件对汽包水位控制系统进行验证和仿真，给出了传统PID控制和模糊PID控制的比较结果，同时采用PLC进行模糊控制，明显地改善了汽包水位控制系统。一、前言目前，我国现有工业锅炉几十万台，各种工业炉窑十万余台。锅炉和工业炉窑年耗标准煤约3亿吨以上，是国家的一个耗能大户。由于技术落后、设备陈旧、操作水平低，目

2、前锅炉和工业炉窑普遍存在着热效率低、能耗高的问题。通过对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锅炉正常运行的主要指标之一。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北，导致拐妒烧坏或爆炸；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

3、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。本文以传统PID控制和模糊PID控制来对锅炉汽包水位进行仿真，并最后用PLC实现控制。经过对比，从而提出并设计了模糊PID控制的方案更优于传统PID控制。二、锅炉汽包水位系统结构如图1所示为本文所研究的锅炉汽包水位系统结构。通过现场了解，锅炉汽包水位和锅炉的给水流量和蒸汽流量都有关。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要克服的问题之一。汽包水位模糊控制设计的目的就是要克服锅炉

4、负荷变化所引起的“虚假液位”的影响和各种千扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。综合各类文献所述，在汽包水位控制上采用三冲量控制系统，即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的控制系统。以下给出以汽包水位三冲量的神制框图，如图2所示。三、锅炉汽包水位模糊控制的Matlab仿真图3是传统PID控制系统原理图，PID是一种线性控制器，它根据给定值rin(t）与实际输出值yout(t）构成控制偏差：式中：KP是比例系数，TI是积分时间常数，TD是微分时间常数。在

5、simulink环境下设计一个传统PID控制系统对锅炉汽包水位进行仿真。首先，在MATLAB命令行中运行命令simulink，打开simulink模块。运行File-new-model，建议一个新的模型。接着，在工作区域内加入如图4所示元件，并用导线连接起来，这样就建立了一个传统PID控制系统。其中的TransferFunction是锅炉汽包水位的传递函数，PIDControner是个封装的子系统，内部结构如图5所示。图6为P=10,I=0.001,D=90的仿真结果。模糊PID是一种把PID控

6、制与模糊控制相结合，具有模糊控制灵活而且适应性强的有点，又具有PID控制器精度高的特点。模糊PID控制系统的结构如图7所示。由图7可知该系统由传统PID控制器和模糊推理控制器两部分组成，以偏差e和偏差变化率ec（de/dt）作为模糊控制器的输入，根据模糊控制规则对PID参数进行自适应调整，以满足不同e和ec时对控制参数的要求。运行MATLAB，在命令窗口中输入simulink，打开simulink仿真界面，选择File-new-model，建立一个新模型。接着，在工作区域内加入如下图所示元件，并

7、用导线连接起来，这样就建立了一个模糊PID控制系统，如图8所示。图9为P=10,I=0.001,D=90的时两种不同控制方式下的仿真结果。从图中可以看出：模糊控制比传统PID控制的效果更佳。四、锅炉汽包水位模糊控制的PLC设计在PLC设计中，可以针对锅炉中的液位参数的调节装置设计一个双输入、单输出的模糊控制器。如图10所示。输入变量分别是液位偏差E和液位偏差变化EC，输出变量为供水阀门开度。模糊控制器由精确量的模糊化、模糊控制算法的设计、输出信息的模糊判决三部分组成。锅炉汽包水位控制系统数据采集

8、、分析及处理均通过SIEMENSS7-300PLC系统来完成，Fuzzy-PI双模控制软件通过编程来实现，软件流程如图11所示。程序主要由OB1、FC1、FC2、FC3、FB1、FB2、FB3、OB1等多个功能和数据块组成，各块实现功能如下。OB1：为系统循环组织块，实现系统初始值赋值及各功能块的调用；FC1：完成液位实际值测量并先行转换；计算e=r－y并对e的绝对值大小进行判断，根据e的情况对FB1及FC2、FB2、FC3进行调节；FC2：完成/e=de/dt的计算；FC3：完成尺度变换及控制