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1、分类号密级UDC编号南孝丈tSOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA 硕士学位论文基于模糊神经网络的锅炉汽包水位控制系统研究研究生姓名：黄付刚指导教师姓名、职称：李兰君 教授学科、专业名称：检测技术与自动化装置 研究 方向：智能信息处理与智能控制2010年5月南华大学学位论文原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论
2、文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：年 月 日南华大学学位论文版权使用授权书本学位论文是本人在南华大学攻读 （博/硕）士学位期间在导师指导 下完成的学位论文。本论文的研究成果归南华大学所有，本论文的研究内容不得 以其它单位的名义发表。本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据国 家或湖南省有关部门规定送交学位论文。同意学校将论文加入中国优秀博硕士 学位论文全文数据库，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程
3、 规定享受相关权益。同意授权中国科学信息技术研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。对于涉密的学 位论文，解密后适用该授权。作者签名：导师签名：目录摘要1ABSTRACT21绪论31. 1课题研究的背景和意义31. 2锅炉汽包水位控制研究的现状41. 3本课题主要任务62锅炉汽包水位系统特性82.1锅炉的水循环工作原理82. 2汽包水位动态方程式92. 3锅炉汽包水位系统特性143模糊神经网络的理论基础183. 1模糊控制理论183.2神经网络控制理论274模糊神经网络控制系统394. 1 Mamdani模型的模糊神经网络结构394.2学习算法415
4、锅炉汽包水位控制系统的设计455. 1汽包水位串级三冲量控制系统455.2模糊神经网络的汽包水位控制系统465. 3控制系统的仿真与分析526结论57参考文献58附录1（攻读学位期间发表的论文）61附件2 （FNN程序）62致谢68 11摘要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，其中汽包水位就是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水 位调节过程具有非线性、不稳定性、时滞等特点，传统的锅炉汽包水位控制系统 大都采用PID控制，难以取得满意的控制效果。本文概述了模糊控制、神经网络控制及模糊神经网络控制的基本原理，采用 Mamdani模型的模糊神经网络控
5、制方法，尝试将其应用到汽包水位控制之中，构 造基于模糊神经网络的锅炉汽包水位控制器，以取代目前在锅炉汽包水位控制中 普遍使用的PID控制器。实现对锅炉这种大时滞、参数不稳定的被控对象更为有 效的控制，以求达到较好的节能效果和满意的品质指标。论文首先根据锅炉的工作原理，通过机理建模的方法，并通过一定的假设和 简化，得到锅炉汽包水位对象的模型。阐述了汽包水位在不同扰动条件下的数学 模型。其次论文通过对串级三冲量控制和模糊神经网络控制的Matlab仿真，分析 得出，模糊神经网络控制系统具有良好的控制效果。证实了该控制系统具有适应 性好、抗干扰能力强等优点，说明了这种控制系统的可行性与优越性。关键字：
6、锅炉汽包水位，PID控制，模糊控制，神经网络，串级三冲量控制, 模糊神经网络22Study on Control System for Boiler Drum WaterLevel Based on Fuzzy Neural NetworkABSTRACTBoiler is a necessary power equipment in the process of industry. In order to ensure the production and security, the auto- control of boiler is very important. The drum wa
7、ter level is an important variable to be controlled. Due to the adjustment process of the boiler water level being nonlinearity, instability, time delay and so on, the traditional control system adopting widely used PID mode is unsatisfactory.In the paper, a survey of basic principles of the fuzzy c
8、ontrol,network control and fuzzy neural network is given.A fuzzy-neural network controller with Mamdani model is applied to the drum water level control to replace the PID controller.The controller can resolve the problem of the large time delay and parameter instability existing in the process of w
9、ater level to achieve better energy-saving effects and satisfied with the quality index.At first through certain assumptions and simplification a mathematical model of the boiler drum water level is derived according to the working principle of boiler and the method of theoretical modeling. Describe
10、d the mathematical model of drum water level under different disturbance conditions.By simulation comparison between cascade three-impulse control and fuzzy neural network control, the results show that the fuzzy neural network control system has good control effect in the adaptability, the advantag
11、es of anti-interference ability, indicating the feasibility and superiority of the control system.Fugang Huang (Measurement Technique & Automation)Directed by Lanjun LiKeywords: Boiler drum water level, PID control,Fuzzy control,Neural networks, Cascade three-impulse control,Fuzzy neural network1绪论1
12、.1课题研究的背景和意义锅炉是现代工业、企业、事业单位工作和生产的动力之源，锅炉安全经济运 行是保障国家财产及人民生命安全，促进国民经济发展，合理使用和节约能源的 重要保证，然而锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其安 全性尤为重要。鉴于锅炉的良好控制对于提高系统的安全性、经济性、稳定性具 有深远的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用，所以对锅炉控制系 统的研究是非常重要的，其中压力、温度、水位是锅炉运行质量的重要指标。锅炉控制中的调节任务之一是锅炉汽包水位的控制，锅炉汽包水位的高度， 关系到汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要条件。伴随 科学技术的发
13、展，现代的锅炉逐渐向蒸发量大、汽包容积相对减小的方向发展， 要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快， 稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。因此，保持汽包水位正常是保证 锅炉安全经济运行的必要条件，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定 的范围内。由于锅炉的燃烧是多输入多输出系统，并且各参数之间相互影响，相互制约, 存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非 线性特性，给锅炉的控制增加了难度。尤其是锅炉汽包水位受给水压力和蒸汽压 力等外界因素的影响较明显。锅炉汽包水位的控制具有动态特征强、大滞后、多 变量、强耦合及极强的非线性等
14、特性，因此很难用精确的数学模型来表示，用经 典控制理论和现代控制理论难以实现理想的控制效果。近几年来，随着模糊控制理论的发展，学者和工程技术人员试图把模糊控制 技术应用到锅炉水位控制上。但是由于模糊控制自身的一些问题：如难以建立高 精度和合理性的模糊规则和隶属函数，并且模糊控制系统自学习能力较弱，也难 以满足锅炉水位控制系统的要求。目前，国内外一些技术工作者把控制理论的研究重点转到研究模糊控制与其 他控制思想的结合，如模糊-PID双模控制、自适应模糊控制、SMITH预估模糊控 制、模糊神经网络，而对模糊神经网络的研究是比较引人瞩目的一个研究热点。模糊神经网络综合了模糊控制和人工神经网络控制的二
15、者的优点，具有很强 的容错能力，在处理和解决问题时不需要对象的精确数学模型，通过其结构的可 变性，逐步适应外部环境的各种因素的作用，适用于那些具有强耦合，不确定性 或高度非线性的被控对象。模糊神经网络技术已经在工业控制中广泛应用，但 将其应用于在锅炉汽包水位控制则刚处于开始阶段。本文尝试将模糊神经网络技术应用到锅炉汽包水位的控制之中，构造基于模 糊神经网络的锅炉水位控制系统，以期实现对锅炉这种大时滞、参数不稳定的被 控对象更为有效的控制，达到较好的节能效果和满意的品质指标。1.2锅炉汽包水位控制研究的现状锅炉是重要的动力设备，它广泛地用于国民经济的各个领域，如发电、化工、 纺织、造纸等工业部门。锅炉汽包水位控制系统也经历了几个阶段眈。早期的 控制方案多采用单冲量方式，即以水位为反馈量构成单参数单回路反馈控制系 统，它是一种最简单、最基本的控制方案。但是此方式存在着许多缺点，首先， 这种方案只根据水位信号调节给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时， 由于锅炉的“虚假水位”现象，水位开始时先上升，调节器只根据水位作为调节 信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，它在调节 过程一开始就扩大了蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平 衡。其次，由于给水压力改变等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化 后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后
