锅炉汽包水位模糊控制系统的设计Word格式.docx
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三冲量;
串级系统;
PID控制;
模糊控制
ADesignofFuzzyControlSystemtoThe
DrumLevelofBoiler
Abstract
Theself-adaptabilityfuzzyPIDcontrolwiththreeimpulsesforboilerwaterlevel
thesystemforboilerwaterlevelisatypicalcomplicatedthermaltechnicalsystem.At
present,thediversifiedstyleboilershaveseverallacksinchina.Due
toequipment’s
separated,nogoodofmanageandthecausationoftechnical,duetoabovecausation,
itisdifficultthatthemostboileringoodcondition,andincreasingthe
fuel’sconsume
anddepressingefficiencyoftheboiler.
Theproblemofmodelingandcontrolisanattentionfocusofpeople.Theboiler
waterleverisimportanceindexofindustryboilersafetyandstabilization.
Itis
importancemeaningtoensurewaterlevelindefiniterangeforincreasingqualityof
steamandreducingwastageofequipmentandinsuringsafetyofwholeheart-power-
net.Atpresent,themostlymethodisadopttheroutinePIDcontrol.Becauseofroutine
PIDcontrolparameterischangeless.Itisdifficultytoadaptthediversiondisturbsand
variationobjects.Themethodisnotsatisfyrequireandideality.
Thefuzzycontrolbasedonfoundationofmanpowerexperience,itissummarize
anddescribeofskillworker’spracticeexperience,anditisgiverexpressiontousing
vocabulary,itsgainedmathematicsmodelofnopreciseobject.Thefuzzycontrolis
facilitytobeacceptedandstructure.
Thisarticleanalysesdynamiccharacteristicofwaterlevelobjectandintroduces
traditionalcontrolmethod.Becausetherearethreeinputsaccedetoadopterofwater
levercontrolsystemofboiler,itiseasytobringerrorofwaterlevercontrolling.This
articleputsforwardtwomethodstodispelerrorofwaterlever:
(l)assistantsignalself-
disappear.
(2)Assistantsignalseachotherdispel.Accordingtothreeimpulsecontrol
waterlevererror,designingthreeimpulsePIDcascadeiscontrolsystem.
Accordingtoactualityofboilercontrol,puttingforwardfuzzycontrolruleof
parameterself-adaptability,designingTheSelf-AdaptabilityFuzzPIDControlSystem.
Thissystemgetsoverdisadvantageofnoprecisionanddefaultingtoadjustparameter
forusingtraditioncontrolmethods.ThisarticledesignscascadePIDcontrolsystem
andself-adaptabilityfuzzyPIDthreeimpulsecontrolsystemforcontrollingwater
level.Thesimulationresultsshowthatfuzzycontrollerisbetterthanthetraditional
PIDcontrollerinMATLABatadaptability,anti-jamming,etc.
Keywords
Waterlevel;
Threeimpulse;
Cascadesystem;
PIDcontroller;
Fuzzy
controller
目
录
摘要…….....................................................................................................I..........
Abstract II
第1章绪 论...........................................................................................1.........
1.1锅炉汽包水位...................................................................................1........
1.2锅炉汽包水位的系统结构.................................................................2......
1.3汽包水位调节对象的特性.................................................................3......
1.3.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性.....................................4...
1.3.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性.....................................6...
1.4本文研究目标...................................................................................8........
第2章锅炉水位PID控制系统设计..........................................................9.....
2.1PID控制原理....................................................................................9........
2.2PID对控制的影响...........................................................................1..0.....
2.2.1比例P调节..............................................................................1..0......
2.2.2积分I调节...............................................................................1..0.....
2.2.3微分D调节.............................................................................1..0......
2.2.4PID控制器的参数整定..............................................................1..0...
2.3串级控制系统.................................................................................1..2......
2.3.1串级控制系统...........................................................................1..2.....
2.3.2串级控制系统设计的几个问题..................................................1.2...
2.3.3串级控制系统的参数整定.........................................................1..3...
2.4汽包水位调节系统的设计...............................................................1..3....
2.4.1单冲量水位调节系统................................................................1..3....
2.4.2双冲量水位调节系统................................................................1..4....
2.4.3三冲量水位调节系统................................................................1..6....
2.4.4汽包水位的三冲量PID串级控制系统 1.9.
2.4.5锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真 2.0
2.5本章小结........................................................................................2..5.......
第3章模糊控制......................................................................................2.6.......
3.1模糊控制的产生与发展...................................................................2.6.....
3.2模糊控制的基本原理......................................................................2..6.....
3.2.1模糊控制系统组成....................................................................2.6.....
3.2.2模糊控制器的基本结构............................................................2..7....
3.3模糊PID控制器.............................................................................3..1.....
3.4本章小结........................................................................................3..2.......
第4章自适应模糊PID控制系统设计.....................................................3..3..
4.1自适应模糊PID控制器的设计........................................................3.3...
4.2三冲量自适应模糊PID控制系统 3..9..
4.3三冲量自适应模糊PID控制与传统PID控制仿真结果比较 39
4.4本章小结........................................................................................4..3.......
结 论......................................................................................................4..4........
致谢.........................................................................................................4..5.........
参考文献..................................................................................................4..6........
附录A......................................................................................................4.7.........
附录B.....................................................................................................5..5.........
第1章
绪
论
1.1
锅炉汽包水位
锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点,锅炉的复杂特性使得采用常规方法难以获得良好效果,近年来锅炉的建模和控制融入了智能化的手段。
自从1965年加利福尼亚大学的查德教授创建模糊集理论和1974年英国的
E.H.Mamdani成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来,模糊控制得到广泛发展并在现实中得以成功应用。
模糊控制在70年代才引入中国,研究起步较晚,但发展较快,目前在模糊
控制、模糊辨识、模糊聚类、模糊模式识别等领域取得很大成就。
我国是最早把模糊理论引入气象预报、地震预测和高炉冶炼控制方面的国家。
在自适应模糊PID控制器方面,我国的许多学者研究提出了采用模糊逻辑的非常规的PID控制器,研究表明自适应、自调整以及模糊PID不仅可以解决简单线性问题,而且对于许多复杂非线性、高阶、时延等系统具有很好的效果。
最近几年对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应控制与多变量模糊控制的研究,特别是针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究受到学者的关注。
汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢,影响传热效率,严重的引起过热器爆管;
水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管。
汽包水位的动态特性主要有:
非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。
对锅炉汽包水位控制方法大多采用传统的PID控制方式,由于传统PID控制系统的参数是固定不变,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,造成系统的不稳定甚至失控。
在实际运行中常常需要手工操作。
自适应模糊控制就是运用模糊的基本理论和方法,把规则的条件、操作用模糊表来表示,并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入知识库中,然后根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理即可自动调整最佳参数。
本文设计了汽包水位三冲量PID串级控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统。
提出了三冲量辅助信号对消方法消除水位偏差。
根据锅炉控制现状及本人的仿真结果,提出三维PID自整定规则。
仿真结果表明三冲量自适应模糊PID控制系统提高系统抗干扰能力及鲁棒性,改善控制效果。
锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。
其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用[1]。
根据锅炉的作用不同,可分为电站锅炉,工业锅炉,生活锅炉等。
其中电站锅炉主要用于发电,工业锅炉主要用于工农业生产,而生活锅炉主要用于供热取暖。
随着工业生产规模不断扩大,生产过程不断强化,生活设备不断革
新,锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。
为确保生产生活安全,对锅炉
设备的自动控制就显得十分重要。
锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。
其主要工艺流程如图1-1.
D
过热蒸汽送往负荷设备
S
PM
减温器
气包
炉墙
炉膛
过热器
热空气送往炉膛
燃料
省煤器
燃烧嘴
空气预热器
给水(由水泵来)
冷空气(由送风机来)
烟气(经引风机送往烟囱)
图1-1锅炉主要工艺流程图
1.2
锅炉汽包水位的系统结构
锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包的
水位在工艺允许的范围内。
维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件,也是锅炉正常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,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故。
同时会使饱和蒸汽中含盐量增高,降低过热蒸汽品质,增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。
水位过低,则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节,以致局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸事故。
这些后果都是十分严重的。
随着锅炉容量的增加,水位变化速度愈来愈快,人工操作愈来愈繁重,因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。
耗气量D
给水调节
给水量W
水冷壁
燃料量B
图1-2锅炉汽水系统结构图
锅炉汽水系统结构如图1-2所示。
汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水,贮藏量
的多少是以被调量水位表征的,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[2]。
1.3汽包水位调节对象的特性
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,那么根据汽包物质平衡,则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式:
F(t)=Qw(t)-QD(t) (1-1)
其中Qw(t)、QD(t)分别为给水流量与进出汽包的蒸汽,F(t)为汽包水位的变化量。
通过检测仪器(蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器)可得到
Qw(t)、QD(t)、F(t)的信号,则从1-1式可得到:
cρdH(t)=αΔp-βΔp
dt
w
(1-2)
其中c为锅炉截面积,ρ为锅炉水重度,H(t)为水位;
α为水量流量系数,
ΔPw为流经
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