锅炉汽包水位控制系统

兵团广播电视大学

毕业论文

题 目：锅炉汽包水位的视频监控数字兼容

学 生 姓 名：路正丽 系 别：机电工程系 专 业：热能动力 班 级：13-34班 指 导 教 师：卡拉哈尔老师

摘 要

锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。

锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，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。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅护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。

汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。

模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点。

给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。

传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制，其控制效果还可以进一步提高。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，非常适合用于非线性、滞后系统的控制。

模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。

基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。 关键词:汽包水位；模糊控制；三冲量

目 录

引言.................................................................... 20 1 锅炉工作过程及其设备 .................................................... 2

1.1课题背景 .......................................................... 2 1.2锅炉的工作过程简介 ................................................ 2 1.3锅炉设备的调节任务 ................................................ 3 1.4本文研究内容 ...................................................... 4 2锅炉汽包水位特性及其控制 ................................................ 4

2.1锅炉汽包水位的特性 ................................................ 4 2.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 .......................... 5 2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性 .......................... 5 2.1.3燃料量B扰动下汽包水位的动态特性 .............................. 6 2.2汽包水位控制方式 .................................................. 7 2.2.1单冲量控制方式 ................................................ 7 2.2.2双冲量控制方式 ................................................ 8 2.2.3三冲量控制方式 ................................................ 8 3 模糊控制原理 ........................................................... 10

3.1概述 ............................................................. 10 3.1.1模糊控制的形成 ............................................... 10 3.1.2模糊控制的特点 ............................................... 10 3.2 模糊控制系统组成 ................................................ 11 3.3模糊控制的工作原理 ............................................... 12 3.3.1模糊控制系统的组成 ........................................... 12 3.3.2模糊控制的基本原理 ........................................... 13 4 汽包水位模糊控制器设计及仿真 ........................................... 14

4.1汽包水位的PID控制方式 ........................................... 14 4.1.1PID控制方式概述 .............................................. 14 4.2模糊控制器的设计方法 ............................................. 14 4.2.1模糊控制器的结构设计 ......................................... 14 4.2.2精确输入量的模糊化 ........................................... 15 4.2.3确定控制规则 ................................................. 17 4.2.4模糊量的判决方法(解模糊) ..................................... 19 4.3汽包水位的模糊控制器的设计 ....................................... 20 4.3.1模糊控制器结构 ............................................... 20 4.3.2模糊控制器的设计 ............................................. 20 4.3.3仿真结果 ..................................................... 21 5………………………………………………………………………………………...35

谢辞..................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................. 1

III

引言

锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十苍白台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅护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。

模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。

基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。

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1． 锅炉工作过程及其设备

1.1课题背景

由前述可知，在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。

另一方面，自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授首先提出模糊数学和模糊控制以来，经过几十年的研究，模糊控制得到广泛发展并在实际中得以广泛应用。这主要在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。模糊控制的突出特点在于:(1)控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。(2)控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。(3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。(4)控制推理采用“不精确推理”。由于推理过程模仿人的思维过程，引入了人类的经验，因而能够处理复杂系统。

在一般的模糊控制系统中，通常采用偏差E及其变化EC为输入语句变量，因此它具有类似于常规PID控制器的作用，缺点是静态性能不能令人满意。由于模糊控制作用能消除稳态误差，又具有较高的动态响应。因此常常把PI控制策略引入模糊复合控制，是常用的一种方式。模糊控制在工业过程中有大量的成功应用，但在锅炉水位控制上还没有形成系统的理论，还存在一些不足，仍然有必要继续研究。 1.2锅炉的工作过程简介

锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。

锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。

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