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1、摘 要学 号：201214410504毕业设计说明书GRADUATE DESIGN设计题目：基于模糊PID算法的锅炉液位控制设计学生姓名：xxx专业班级：12电4学 院：电气学院指导教师：xxx 讲师 2016年06月08日摘 要锅炉是我们在工业生产过程中必不可少的工业设备，锅炉汽泡液位是锅炉正常运行中的相当重要的参数。而锅炉汽泡液位经常受到锅炉的负荷变化、进出水速度、水质等许多因素的影响,本设计采用串级三冲量锅炉汽泡液位控制系统来提高系统的稳定性及准确性，本设计设计了误差E及误差变化率EC为输入,PID控制器的KP、KI、KD为输出的二输入三输出的模糊PID控制器,改善了PID控制的参数整定
2、困难、适应差的缺点。本设计通过在MATLAB的Simulink环境中仿真进行了验证,结果表明锅炉汽泡液位控制系统在负荷变化的情况下,还是在负荷剧烈变化的运行工况下,都可以实现液位的平稳调节,液位始终保持在规定的波动范围之内。关键词:汽泡液位;串级三冲量控制；模糊PID控制器；二输入三输出 IAbstractAbstractThe boilerIs indispensable in the process of production of industrial equipment, boiler steam bubble level is quite important parameters i
3、n the normal operation of boiler. But the water level of boiler steam bubble is usually influenced by the factors,such as changes of load access water speed water quality etc which has the delay and the nonlinear and other feators . The design use the cascade three impulse boiler steam soak liquid l
4、evel control system to improve system stability and accuracy, this design to design the error E and error change rate EC as input, the PID controller of KP, KI, KD for the output of the two input three output of fuzzy PID controller.the purpose is to improve the shortcomings of PID control parameter
5、 which is Parameter settingand adapting poorly. And through the simulation in MATLAB Simulink environment is verified, the results show that the boiler steam drum water level control system both in the load change under the condition of small, or severe changes in load operation condition, can achie
6、ve smooth regulation of water level, water level always stay within the specified range.Key words: Drum level; Dascade three impulse control; Fuzzy PID controller; Two input -three output1目 录目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1来源背景11.2主要研究目标11.3研究的主要内容11.4研究的方法21.5研究应用价值、改进及创新2第二章 工业锅炉的理论基础32.1锅炉的控制要求与流程32.2
7、锅炉设备控制系统42.3锅炉液位控制系统的重要性5第三章 锅炉汽泡液位的控制系统的设计63.1锅炉汽泡液位的基本特性63.1.1汽泡液位在给水扰动下的动态特性63.1.2汽泡液位在蒸汽扰动下的动态特性73.1.3汽泡液位在燃料量扰动下的动态特性83.2锅炉汽泡液位控制系统93.21锅炉汽泡液位控制系统控制方案的选择93.22汽泡液位的串级三冲量PID控制系统13第四章 PID控制系统154.1PID原理154.2 PID控制系统的仿真17第五章 模糊PID控制系统205.1 模糊控制的产生与发展205.2模糊控制的基本原理205.2.1模糊控制系统组成205.2.2模糊控制器的基本结构215.
8、3模糊PID控制器265.4模糊PID控制系统设计275.5三冲量模糊PID控制与传统PID控制仿真结果比较36结论40参考文献41谢 辞42附 录44III第一章 绪论第一章 绪论1.1来源背景锅炉是我们在生产和生活中的能量设备，同时在生产和生活中都起很重要的作用。而锅炉汽泡液位在锅炉正常工作过程中的及其重要，汽泡液位过高，会影响汽泡内汽水分离的效果，使汽泡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。也会使饱和的蒸汽中含盐量增高，降低蒸汽品质，增加结垢。液位过低，可能破坏环锅炉汽水自然循环系统中某些比较薄弱的环节，可能导致水冷管壁被烧坏，甚至会造成爆炸
9、事故。因此维持汽泡液位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件，也是其正常运行的主要指标。但是随着工业锅炉容量的增加，锅炉汽泡液位变化速度愈来愈快，人工操作难以达到要求，因此对汽泡液位实现自动调节提出了迫切的要求。由于锅炉汽泡液位经常受到负荷变化、进水速度、水质等许多因素的影响,呈典型的时变、非线性特点,采用常规的PID控制往往不能得到理想的控制效果。因此,必须采取特殊的控制策略针提高系统的抗干扰能力,使控制效果明显改善,保证汽泡液位能够保持稳定。PID控制本身具有结构简单、特性直观、调试使用方便等优点,但由于PID受其控制参数整定的限制,对于非线性、大滞后系统难以达到满意的控制效果。相反，模
10、糊控制是模拟人类逻辑思维能力,不依赖被控对象的精确数学模型,只需提供专业技术人员的经验知识及操作数据,对复杂系统有着良好的控制效果。因此,结合上述两种控制方法,设计出模糊PID控制器,可实现对PID控制参数的调整,对复杂汽泡液位系统有较强的适应性,本设计借助MATLAB/Simulink直观便捷的构建复杂系统模型的能力对锅炉汽泡液位的控制进行仿真实验。1.2主要研究目标 1）基于系统因素，建立SIMULINK系统框图； 2）基于MATLAB设计模糊控制器； 3）完成控制系统的仿真及两种仿真的对比；1.3研究的主要内容 （1）研究工业锅炉汽泡液位控制的基本要素，建立基本系统框图，比较多种锅炉液泡
11、液位控制方法的优缺点，采用最佳系统方案：串级三冲量控制系统 （2）建立系统的基本数学模型。 （3）研究传统的控制方法，设计模糊PID控制器。 （4）将模糊控制器加入到系统中，进行系统最终的设计 （5）进行MATLAB/SIMULINK仿真及仿真对比。1.4研究的方法根据工业锅炉汽泡液位控制系统的特点，建立其数学模型，研究传统的控制方法，设计模糊PID控制器，在SIMULIMK中搭建系统结构模型，调整参数，完成仿真1.5研究应用价值、改进及创新 随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点
12、，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。并且工业锅炉燃烧过程有许多被控量和控制变量，这些变量间存在很强的耦合，并且互相关联。要对其建立一个精确地数学模型相当苦难。传统的PID控制方案在锅炉液位的自动调节中通常都是单个变量的独立控制回路，虽然PID控制器的控制精度可以很高，但对于多变量且具有强耦合性的时变系统表现出很大的局限性。并且汽泡液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；液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。汽泡液位的动态特性主要有：非线性、
13、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。对锅炉汽泡液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。采用模糊控制的方法，根据专家知识和熟练操作人员的经验积累来确定隶属函数，建立知识库（包括数据库与规则库），进行合成推理和控制决策的模糊控制策略，可以取得令人满意的控制效果，能够更加精确的控制锅炉液泡液位，增加生产的安全性和效率。-41-第二章 工业锅炉的理论基础第二章 工业锅炉的理论基础2.1锅炉的控制要求与流程 锅炉的建
14、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
15、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。汽泡液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；液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。汽泡液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。对锅炉汽泡液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
