基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析学士学位论文.docx
《基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析学士学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析学士学位论文.docx（66页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析学士学位论文
基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析
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或缺的一部分。
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。
锅炉是工业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；汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。
汽包水位的控制大多采用PID控制方式，PID控制器参数的整定是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定规则来确定的，能进行在线调整，以适应锅炉汽包水位这样一个复杂多变的控制系统。
本文应用控制技术，设计了一种三冲量PID控制器，对锅炉汽包水位进行控制，实现了锅炉汽包水位的自动调节。
并利用MATLAB对控制系统进行仿真；结果表明，PID控制技术响应速度快、精度高，同时对虚假水位有较好的控制效果。
关键词：
PID控制；MATLAB；仿真；锅炉汽包水位
Abstract
Theboilerisabsolutelynecessarysignificantpowerplantofindustryproductionsprocesssuchasthechemicalindustry,heatedibleoil,generationofelectricalenergy,papermakingandrefinessugarandsoon.Asaresult,itisindispensablesystematicallytoanalyzeresearchtotheautomaticcontrolintheboilerinstallation.
TheboileristhePowerPlantthatthewholefactory,.Segmentthattheboilerwaterlevelcontrolsystemisthemostsignificantintheboiler.Toboilerproductionoperation,ifunreasonablewilloftencausetheaccident.Themajorityoftheseaccidentsareboilerwatermonitorcausingimproper,obviouslytheimportanceofboilerdrumwaterlevelcontrolintheBoilerdevicecontrolsystem.Drumwaterlevelistoohighortoolow,theconsequencesareveryserious,sothewaterlevelmustbetightlycontrolled.
ThetraditionalcontrolmodeofthedrumwaterlevelmostlyusesPID.PIDtuningparameterstoobtaintheobjectisbasedonthemathematicalmodel,basedonatuningrulestodetermine,on-linecanbeadjustedtosuittheboilerdrumlevelcontrolsuchacomplexsystem.
Inthispaper,controltechnology,thedesignofathreeimpulsePIDonboilerdrumlevelcontroltoachievetheautomaticadjustmentofboilerfeedwater.AndcontrolsystemsusingMATLABsimulating;resultsshow,PIDtechnology,fastresponse,highaccuracy,whilefalsewaterlevelhasgoodcontroleffect.
Keyword:
PID;MATLA;boilerfeedwater;simulating
1绪论
1.1课题背景
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、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动提供来源。
但是，由于锅炉往往负荷变化大、起停频繁，依靠人工操作很难保证其安全、稳定地在经济工况下长期运行，所以必须装备自动控制设备。
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。
锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。
汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，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，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。
现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。
锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。
锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。
目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。
由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。
因此，研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常有必要的。
锅炉控制系统中大部分系统是用PLC控制的；采用PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。
它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。
如今锅炉汽包水位控制系统主要采用串级三冲量控制系统，采用主、副两个调节器。
两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。
在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本设计中体现。
1.2锅炉控制系统
1.2.1锅炉概述
锅炉由汽锅和炉子组成。
炉子是指燃烧设备，为化石烯料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。
汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。
锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。
国外的锅炉控制工业50～60年代发展最快，70年代达到高峰。
我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂,从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。
应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。
伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。
锅炉的自动化控制，经历了三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代初期的计算机过程控制几个阶段，随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。
计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。
锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；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损坏，尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。
故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内，并兼顾锅炉的稳定运行。
对蒸汽锅炉来说，汽包水位是其正常运行的主要指标之一，是一个重要的被调节参数。
由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位，所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。
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：
（1）汽包的个数和体积减小，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）锅炉容量增大，显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷对水位的影响加剧了；
（3）提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。
由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。
1.2.2锅炉控制系统的分类
目前，在工程处理上做了一些假设后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统，主要包括：
1）锅炉汽包水位的控制；
2）锅炉燃烧系统的控制；
3）过热控制系统的控制；
本文是对锅炉汽包水位控制的研究。
1.2.3给水调节的任务
给水自动调节也叫水位自动调节，其主要任务是：
（1）维持锅炉水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。
锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。
水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；对于工业锅炉，蒸汽带水量过多，也要影响用户的某些工艺过程。
水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。
水位过高或过低，都是不允许的。
所以，正常运行时汽包水位应在给定值的
15mm上下范围波动。
（2）保持给水量稳定。
给水量稳定，有助于省煤器和给水管道的安全运行。
上述两个任务中，第一个任务尤为重要。
实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。
1.3控制方法的分类
在锅炉汽包水位自动控制系统中，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，降低了天界质量。
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
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。
当液位负荷变化时，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。
（3）三冲量控制系统
一般而言，锅炉容量越大，汽包容量相对就越小，允许的需水量就更小，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。
对于几台锅炉并行运行时，几台锅炉的汽包水位控制会互相影响，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自动控制方法的发展及现状
我国工业锅炉的自动化控制，经历了三四十年代的单参数仪表控制，四五十年代的单元组合式综合参数仪表控制，从六十年代开始，人们对锅炉水位系统进行了许多更深入的研究，采用了更先进的计算机控制方法，如数字PID控制、最优控制、自适应控制等。
在控制结构上采用串级、前馈--反馈控制。
针对控制对象的滞后特性，采用Smith纯滞后补偿控制等。
国外许多学者正在深入地研究汽包水位的智能控制算法
近年来，集散控制系统迅速发展并为锅炉控制提供了强有力的手段，使汽包水位得到更好的控制，总的来说，汽包水位控制正经历一个由单元组合式仪表到计算机控制、由PID控制到更高级的智能控制、由直接现场控制到集散控制的发展过程。
1.5控制方法存在的问题和解决方向
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。
所以有必要对常规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。
1.6本文研究的目的和意义
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，采用PID控制方法来设计锅炉汽包水位控制系统。
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。
然后,本文分别采用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。
从仿真图中观察控制结果。
2PID控制算法的理论基础
2.1PID控制器发展及应用
PID控制器产生并发展于1915-1940年期间，尽管自上世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论研究的深入开展，出现了许多先进的控制算法，然而，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。
至今，仍有90%以上的控制回路采用PID结构或其改进型。
概括的说，PID控制器应用如此广泛主要有以下几个原因：
（1）只要设计和参数整定合适，PID控制器在许多应用场合都能获得较满意的效果。
（2）PID控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要精确的数学模型；并且，PID控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高，因而在现有控制系统中使用容易。
（3）现在，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统PID控制的复杂控制算法能够得到实现，而且控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化。
然而在这种情况下，为什么PID控制器依然能在过程工业中得到广泛应用?
其中一个原因，是许多高级控制策略都采用分层结构，而PID控制被用于最底层;上层多变量控制器给底层的PID控制器提供设定值；另一个原因，是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。
（4）借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向发展。
微处理器的出现对PID控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的PID控制器都是建立在微处理器基础上。
这样也就给PID控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。
自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器参数整定上。
PID控制器在功能和作用上，可以提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。
它能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下
2.2PID控制器的结构
PID控制是比例、积分、微分控制的简称，是工业生产过程中最常用的算法。
把比例、积分、微分三种控制结合起来，其结构如图2.1所示。
积分+Y
+
_+
图2.1PID控制系统原理框图
PID控制器的控制规律为：
（2.1）
式中：
——控制器的输出；
——控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，即
r（t）为系统参考输入（设定值），y（t）为系统输出（被控量），称为偏差信号；
——控制器的比例系数；
——控制器的积分时间；
——控制器的微分时间；
对公式（2.1）两边去拉氏变换后，可以得到：
（2.2）
整理后得到PID控制器的传递函数：
（2.3）
由PID控制器的数学模型，可知它由比例、积分、微分三部分组成。
这三部分的表示方式和作用分别是：
（1）比例部分
在比例部分，比例系数
越大，则过渡过程越短，控制结果的静态偏差也越小；但
越大，也越容易产生振荡。
故而，比例系数
选择必须适当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
[1]
（2）积分部分
从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增
加。
只有在偏差e（t）=0时，它的积分才会为一个常数，控制作用才是一个不会增大的常数。
可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。
积分时间
对积分部分的作用影响极大。
当
较大时，则积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡。
但是消除偏差所需的时间较长。
当
较小时，则积分作用较强。
这是系统过渡过程中有可能产生振荡，但是消除偏差所需的时间较短。
（3）微分部分
微分部分的作用强弱由微分时间
决定。
越大，则它抑制e（t）变化的作用越强；
越小，它抑制e（t）变化的作用越弱。
它对系统的稳定由很大的影响。
2.3PID控制器的分类
随着计算机技术的发展，在实际应用中，大多采用数字PID控制器。
数字PID控制算法通常分为位置式和增量式两种：
[4]
（1）位置式PID控制算法
位置式PID控制系统如下图所示：
图2.2位置式PID控制系统
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此连续PID控制算法不能直接使用，需要进行离散化处理。
按模拟PID控制算法的算式（2.1），现以一系列的采样时刻点KT代替连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换:
（2.4）
（2.5）
其中，T是采样周期。
上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。
为了书写方便，将e（KT）简化表示为e（k），即省去T。
将式（2.3）代入式（2.1）可得离散的PID表
达式:
2.4PID控制的优缺点
PID控制的特点，使它在过程控制中有很多优点：
第一，PID控制的原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整且应用经验丰富，使用起来比较方便；
第二，PID控制对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性；
第三，在过程控制中的适应性强，在多种生产部门都得到应用，在生产过程控制发展历程中，尽管控制器的实现几经换代，但基本的控制功能仍然是PID控制。
但传统的PID控制也存在许多不足，最突出的一点就是有关PID参数的问题。
首先，传统PID控制无自整定能力，这主要表现在两个方面:
第一，PID控制器的参数整定必须相对于某一模型已知、系统参数已知的系统;第二，PID控制器参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。
但事实上大多数的生产过程都具有非线性，且其特性随时间的变化而变化，显然固定的一组参数是不能满足这种变化的。
其次传统的PID控制器的参数只能整定为满足生产过程控制目标某一个方面的要求。
在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是“设定值踉踪特性’和“干扰抑制特性”。
而传统的PID控制器，只能通过整定一组PID参数来满足一个方面的要求。
因此常常采用折中的办法整14定控制器参数，这样得到的控制效果显然不是最佳的。
但是，PID三大参数选择的好坏，直接影响到控制效果的好坏：
合理的参数会使控制效果优良，不合理的选择会使系统的动静态性能变差，有时甚至使系统闭环不稳定。
所以，探求一种精确的整定方法有着重要的理论意义和工程应用意义。
在实际生产过程中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性较差。
针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。
微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，以及近年来各种先进算法的不断涌现，为控制复杂系统开辟了新途径。
[1]
2.5智能整定PID参数
随着智能控制理论和技术的发展，人们将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能PID控制器。
如基于神经网络的PID控制器、模糊PID控制器、专家PID控制器、基于遗传算法的PID控制器等，它们吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点：
首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自
动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化；
其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁
升级会员 