智能控制在除氧器温度自动控制中的应用.doc

题 目：智能控制在除氧器温度自动控制中的应用 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名：日 期：使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日 期：学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年 月 日 导师签名：日期：年 月 日 智能控制在除氧器温度自动控制中的应用智能控制在除氧器温度自动控制中的应用 摘要摘要 除氧器是将溶解在水中的有害气体尤其是水中的溶解氧从水中除去，以免这些有害气体进入锅炉系统造成热力设备腐蚀，从而影响锅炉系统的正常运作，所以除氧器在热力发电厂中起到了很重要的作用。为了保证除氧器能达到很好的除氧效果，就需要采用先进的控制方法，应用自动化控制技术来控制除氧器。本论文以发电厂的除氧器为控制对象，采用 PID、模糊控制、模糊 PID 控制技术设计了除氧器温度控制系统。本论文研究的重点是放在二个方面：第一，设计和实现适用于除氧器温度控制的控制规律及控制算法。具体研究了热力除氧器的特点、结构和运行特性，根据除氧器系统参数的变化特性，设计除氧器温度控制系统；第二，使用 MATLAB 的模糊工具箱结合 SIMULINK 对控制系统进行仿真，比较了 PID 控制、模糊控制及模糊 PID 控制的仿真结果。本论文工作注重理论与工程实际的结合，并在此研制过程中取得了比较全面的资料和数据，为类似的除氧器温度控制研究打下了良好的基础。关键词关键词：除氧器；温度控制；PID 控制；模糊控制；模糊 PID 控制 The Study of Temperature Control System of Deaerator Based on IntelligentControl Abstract Deaerator plays an important role in thermodynamic power plants since it can remove the harmful gas,especially oxygen,from the water before it enters the boiler and erodes thethermodynamic equipments.In order to accomplish the good effect,people design the autocontrol system of deaerator which based on the advanced control method.According to the circumstances of deaerator of Power Plant.I design the control system based on PID、fuzzy control、Fuzzy-PID Control Multi-modal on this paper.Two points are focused on this paper.Firstly,the temperature control algorithm and control laws of the deaerator system are designed and realized.I study the characteristic,configuration and characteristic of running of deaerator system.A design method of the controller is presented based on the deaerator of Power Plant.Secondly,Simulation of temperature control system is also performed to study the performance of fuzzy control by MATLAB,simulation result of fuzzy controller compare to PID controller and Fuzzy-PID Control.The research work is closely connected to the practical application,during the research,I have got the general data and information which can be used by the study of other deaerator.Key words：Deaerator;Temperature Control;PID Control;Fuzzy Control;Fuzzy-PID Control 目目 录录 摘要.IV Abstract.V 第一章 引言.1 1.1 锅炉除氧概述.1 1.2 除氧器控制系统的研究现状.1 1.2.1 国外状况.1 1.2.2 国内状况.2 1.3 本课题的来源及任务.3 第二章 热力除氧器及其温度控制系统结构与原理.4 2.1 除氧器介绍.4 2.1.1 除氧器的结构.5 2.1.2 除氧器的工作原理.5 2.1.3 除氧器的分类.6 2.2 热力除氧系统介绍.7 2.2.1 水中气体的溶解特性.7 2.2.2 除氧的根本途径.8 2.2.3 热力除氧的特点.8 2.3 热力除氧器实验建模.8 2.4 热力除氧器温度控制方案设计.10 2.4.1 系统设计思路.10 2.4.2 控制方案的确立.10 第三章 PID 控制系统设计.12 3.1 引言.12 3.2 PID 控制的原理和特点.12 3.3 控制器的构成.13 第四章 模糊控制系统设计.14 4.1 模糊控制理论概述.14 4.1.1 引言.14 4.1.2 模糊控制特点.15 4.1.3 模糊控制在应用中的基本思想.16 4.1.4 模糊控制的基本原理.17 4.1.5 模糊控制系统的组成.17 4.2 模糊控制器的设计.18 4.2.1 模糊控制器的设计方法.18 4.2.2 模糊控制器的结构设计.19 4.2.3 模糊控制规则设计.20 4.2.4 精确量的模糊化.22 4.2.5 模糊推理.24 4.2.6 模糊量去模糊化.25 4.2.7 模糊查询表的建立.26 4.3 模糊 PID 控制.28 4.3.1 引言.28 4.3.2 模糊 PID 控制概述.28 4.3.3 模糊 PID 开关切换控制.29 第五章 控制系统仿真研究.30 5.1 仿真软件简介.30 5.2 控制系统仿真.30 第六章 总结.35 参 考 文 献.36 致 谢.38 第一章第一章 引言引言 1.1 锅炉除氧概述锅炉除氧概述 在火力电厂锅炉给水处理工艺过程中,除氧是一个非常关键的环节。氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀性物质,给水中的氧应当迅速得到清除,否则它会腐蚀锅炉的给水系统和部件,腐蚀产物氧化铁会进入锅炉内,沉积或附着在锅炉管壁和受热面上,形成传热不良的铁垢,而且腐蚀会造成管道内壁出现点坑,造成阻力系数增大。管道腐蚀严重时,甚至会发生管道爆炸事故。另外,在热交换器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行,降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的,尤其是氧气,它将直接威胁设备的安全运行。因此，如何减缓或消除锅炉中的氧腐蚀已逐渐成为水处理技术的一项热门课题。国家规定蒸发量大于等于 2t/h 的蒸汽锅炉和水温大于等于 95的热水锅炉都必需除氧。锅炉给水(补水)常用的除氧方法有热力除氧、真空除氧、解析除氧、化学除氧等。火力电厂给水除氧一般采用热力除氧的方法。即用蒸汽加热给水,提高水的温度,使水面上蒸汽的分压力逐步增加,而溶解气体的分压力渐渐降低,溶解于水中的气体就不断逸出,当水被加热至应压力下的饱和温度,液面上的蒸汽的分压力几乎等于全压力,其它气体的分压力趋近于零,于是溶解于水中的气体就从水中全部逸出而除去。为保证除氧效果,热力除氧必须具备两个条件:必须把水加热到除氧器压力对应的饱和温度;必须及时排出水中分离逸出的气体。第一个条件不具备,气体不能全部从水中分离出来;第二个条件不具备时,已分离出来的气体会重新回到水中。由此可见,对除氧器的温度进行控制是很必要的。1.2 除氧器控制系统的研究现状除氧器控制系统的研究现状 由于除氧器在工业过程中起着重要作用，关系着锅炉系统的安全运行，所以人们用了许多办法来对除氧器进行控制，在这方面国内外都做了许多研究工作，同时也取得了一些较好的效果。1.2.1 国外状况国外状况 加拿大的Chou,Q B等人在新型除氧器水位压力控制系统一文中提出了用控制策略和容错算法来控制除氧器水位和压力，这种新的控制方法并不是相互矛盾的控制方法，适用于不同的运行状态，很大程度地提高了系统性能，在系统受到严重干扰时降低了除氧器的噪声，提高了设备的可靠性和安全性 4。C.X.LU 和 R.D.Bell 等人发表了题为发电厂除氧器的策略控制的论文，该文中提出运用策略控制的方法来控制除氧器，通过仿真研究证明该方法对除氧器的启动和过渡过程控制效果良好 5。澳大利亚 Bell,Rodney等人在题为除氧器建模与控制的论文中提出了适用于预测除氧器装置的瞬态状态的数学模型。该数学模型是基于能量和质量平衡方程，建立了除氧器、给水泵、吸水泵的模型。由于该模型是完全基于物理特性，所以很容易应用于不同尺寸的同类装置。并在该模型的基础上应用于不同的控制方法，对除氧器的水位进行了控制仿真。其结果表明很理想 6。美国 BenAbdennour,Adel 提出用高斯线性二次型(LQG/LTR)的鲁棒性控制器对实验增值反应堆(EBR-II)进行了控制，在这篇文章中提到了当运行条件改变，系统受到扰动，或发生故障时，传统的 PI 控制器是不能维持它的理想性能，并反过来会影响其它设备的性能，上述鲁棒性控制器能适应系统故障,并能在一定范围内，模型的不确定性仍有较好的控制性能。该鲁棒性控制器具有以下几个优点：即使在运行条件发生很大的变化时，控制器仍有理想的控制性能。能适应可能发生的一些故障。通过选择加权系数，使一个变量比另一个变量起更大的控制作用。虽然国内外对锅炉以及除氧器的控制研究很多，也取得了一些成果，以上国内外的研究经验为我们的课题研究提供了宝贵的经验。本课题主要从除氧器的温度变化方面考虑，来控制除氧器，以达到除氧的目的 7。1.2.2 国内状况国内状况 东南大学吕剑虹等人采用模糊控制方法对电站除氧器水位和凝汽器水位进行控制，通过对国内 200MW 火电机组除氧器及凝汽器水位控制系统进行分析，他们采用模糊控制技术对除氧器水位进行多变量控制，仿真了机组负荷变化，除氧器水位也发生相应阶跃变化响应的几种情况 8。郝吉廷和王莉在除氧器水位及溶氧的控制一文中，提出在原有的除氧器水温和水位的单回路调节系统中增加前馈控制回路，实现除氧器水温和水位控制的稳定和快速作用 9。曲延滨、潘毅等人发表的题为除氧系统模糊控制器的设计与实现的论文中，设计了基于模糊控制理论的多维模糊控制器来控制除氧器压力和水位，为了消除多台除氧器并联工作时相互间的影响,控制各除氧器平稳运行,结合人工控制经验设计了智能控制器,其控制效果达到了预期要求10。马海林、刘军还针对除氧器水位自动调节系统投入难的问题，定性分析其症结所在，提出在常规控制系统的基础上采用协调控制策略进行控制，并将其运用在黄岛发电厂 125MW 和 210MW 火电机组上，取得了较为理想的效果 11。1.3 本课题的来源及任务本课题的来源及任务 本课题是针对发电厂的除氧器设计控制系统，发电厂除氧器的控制系统采用传统的PID 控制方法，当系统负荷变化较大时，实际运行结果很不理想，很难达到现场要求。现在只能靠操作工人的实际经验和习惯来操作。因此，须采取智能化控制技术对除氧器控制系统进行改造，其主要任务是在满足经济性、实用性、科学性的条件下设计一套稳定、可靠的热力除氧器的温度控制系统，使除氧器能达到良好的除氧效果。本课题主要工作如下：实际考察热电厂的现行状况并查阅相关资料，分析研究除氧器的结构与运行特性，明确热力除氧器的温度控制系统的设计思路，选定控制方案。根据热力除氧器系统的特点及运行状况，设计 PID、模糊控制及模糊 PID 控制算法，运用 Matlab 对热力除氧器的温控系统进行仿真，分析仿真结果，确定模糊控制器的最佳参数。第二章第二章 热力除氧器及其温度控制系统结构与热力除氧器及其温度控制系统结构与原理原理 2.1 除氧器介绍除氧器介绍 在凝汽式发电厂中，水汽呈循环运行。如图 2.1 所示，锅炉产生的蒸汽经过汽轮机进入凝汽器，在这里被冷却成凝结水，此凝结水经泵送到低压加热器，加热后送入除氧器，在由给水泵将已除氧的水送到高压加热器后进入锅炉。除氧器是锅炉热力系统中除去给水中溶解氧，保证给水品质的重要设备。锅炉产生的蒸汽经过汽轮机后进入凝气器，在这里被冷却成在火力电厂锅炉给水处理工艺过程中,除氧是一个非常关键的一个环节。氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀性物质,给水中的氧应当迅速得到清除,否则它会腐蚀锅炉的给水系统和部件,腐蚀产物氧化铁会进入锅炉内,沉积或附着在锅炉管壁和受热面上,形成传热不良的铁垢,而且腐蚀会造成管道内壁出现点坑,造成阻力系数增大。管道腐蚀严重时,甚至会发生管道爆炸事故。另外,在热交换器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行,降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的,尤其是氧气,它将直接威胁设备的安全运行。国家规定蒸发量大于等于 2t/h 的蒸汽锅炉和水温大于等于 95的热水锅炉都必需除氧。除氧器的主要作用是除去给水中的氧气,保证给水的品质。除氧器本身又是给水回热系统中的一个混合式加热器,同时高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的疏水、排气等均可通入除氧器汇总并加以利用,减少电厂的汽水损失。锅炉过热蒸汽原水补给水凝结水冷却水汽轮机发电机凝汽器凝结水泵冷却水泵低压加热器除氧器给水泵高压加热器水处理设备 图 2.1 发电厂水汽循环系统主要流程 2.1.1 除氧器的结构除氧器的结构 除氧设备主要由除氧塔头、除氧水箱两大件以及接管和外接件组成,其主要部件除氧器(除氧塔头)是由外壳、新型旋膜器(起膜管)、淋水篦子、蓄热填料液汽网等部件组成。下面着重介绍除氧塔头的结构及原理。外壳:是由筒身和冲压椭圆形封头焊制成。中、小低压除氧器配有一对法兰联接上下部,供装配和检修时使用,高压除氧器留配有供检修的人孔。旋膜器组:由水室、汽室、旋膜管、凝结水接管、补充水接管和一次进汽接管组成.凝结水、化学补水、经旋膜器呈螺旋状按一定的角度喷出,形成水膜裙,并与一次加热蒸汽接管引进的加热蒸汽进行热交换,形成了一次除氧,给水经过淋水篦子与上升的二次加热蒸汽接触被加热到接近除氧器工作压力下的饱和温度（即低于饱和温度 2-3）,并进行粗除氧，一般经此旋膜段可除去给水中含氧量的 90-95%左右。淋水篦子:是由数层交错排列的角形钢制作组成,经旋膜段粗除氧的给水在这里进行二次分配,呈均匀淋雨状落到装在其下的液汽网上。蓄热填料液汽网:是由相互间隔的扁钢带及一个圆筒体,内装一定高度特制的不锈钢丝网组成,给水在这里与二次蒸汽充分接触,加热到饱和温度并进行深度除氧目的,低压大气式除氧器低于 10g/L、高压除氧器低于 5g/L(部颁标准分别为 15g/L、7g/L)。水箱除过氧的给水汇集到除氧器下部容器即水箱内,除氧水箱内装有最新科学设计的强力换热再沸腾装置,该装置具有强力换热、迅速提升水温、更深度除氧、减小水箱振动、降低口音等优点,提高了设备的使用寿命,保证了设备运行的安全可靠性。2.1.2 除氧器的工作原理除氧器的工作原理 除氧器分有头型和无头型除氧器，一般锅炉选配有头型除氧器，但是大型机组1000t/h 以上采用无塔型除氧器。其除氧工作原理是：来自低压加热器的主凝结水（含补充水）经进水调节阀调节后，进入除氧器，与其他各路疏水在除氧器内混合，经旋膜多孔管喷出，形成裙状水膜，与由下而上的加热蒸汽进行混合式传热和传质，给水迅速达到工作压力下的饱和温度。此时，水中的大部份溶氧及其他气体基本上被解析出来，达到除氧的目的。从水中析出的溶氧及其他气体则不断地从除氧器顶部的排汽管随余汽排出器外。进入除氧器的高加疏水也将有一部分水闪蒸汽化作为加热汽源，所有的加热蒸汽在放出热量后被冷凝为凝结水，与除氧水混合后一起向下经出水口流出。为了使除氧器内的水温保持在工作压力下的饱和温度，可通过再沸管引入加热蒸汽至除氧器内。除氧水则由出水管经给水泵升压后进入高压加热器。2.1.3 除氧器的分类除氧器的分类 除氧器有过滤式除氧器、旋膜除氧器、海绵铁除氧器和喷雾除氧器等。过滤式除氧器是软化水或除盐水通过滤层除掉水中的溶解氧，再经过滤料层除去溶解于水中的 Fe3，从而使水质达到除氧标准。旋膜式除氧器是将锅炉给水加热到对应除氧器工作压力下的饱和温度，除去溶解于给水中的氧及其它气体。海绵铁除氧器是一种除氧装置，含有氧气的水进入除氧器，穿过海绵铁滤料层，这种特制的海绵铁滤料具有巨大的比表面积，可使水中的溶解氧与铁发生彻底的氧化反应，其反应的化学方程式如下：222222OHOFOHFee （2-1）反应生成的2OHFe为白色沉淀物，由于2OHFe在水中很不稳定，在含有氧气的水通过时，将发生如下反应：)(3222424OHFOHOHFeeO （2-2）反应生成的为3OHFe稳定的沉淀物，它将附着在海绵铁的表面，当海绵铁表面附着到一定程度时，海绵铁将失去除氧的能力，需要反洗将沉淀下来的3OHFe冲洗出去，还原海绵铁的除氧能力。喷雾除氧器防止和降低锅炉给水管道、省煤器和其它附属设备的腐蚀。由于水中溶有多种不凝性气体，其中氧气对设备的危害最大，它能使设备过早的出现腐蚀情况，从而缩短设备的使用寿命，降低设备的安全可靠性。同时由于氧化物沉积形成的盐垢，使部分换热面的热阻增加，从而降低了设备的经济性。由于气体在高温下的溶解度比在低温下要小很多，当水温达到沸点时，水就不再具有溶解气体的能力。利用此原理对除盐水中的氧气进行去除。经软化或除盐的水由除氧给水泵送至除氧头的进水喷嘴，水在进水压力下被雾化，喷射到除氧塔中通过特殊的填料，与高温蒸汽充分接触加热至 104，使溶解气体由水中逸出。由于雾状水滴具有较大的表面积，既有利于汽水之间的热交换，又利于气体的逸出，气体通过除氧器顶部的放气管排出，从而达到除氧目的。经部分除氧的水继续下流时，与下面的填料层接触，并形成水膜，提高了除氧效果。2.2 热力除氧系统介绍热力除氧系统介绍 312 锅炉给水中往往溶解有氧、氮、二氧化碳等气体，其中二氧化碳和氧气的存在，对于锅炉就易发生腐蚀。尤其是氧的存在，腐蚀特别严重，因此，我们有必要研究气体，特别是氧在水中的特性及除氧的根本途径。热力除氧器系统简介 2.2.1 水中气体的溶解特性水中气体的溶解特性 各种气体在不同压力和温度下，其饱和含量都不相同，表 2.1 所示即为不同压力、温度下水的饱和含氧量，空气中氧较多，水与空气接触后，其含氧量很容易达到饱和或接近饱和，因此工业企业锅炉房一般不分析生水、软水或除氧前给水的含氧量，而按该压力及温度下水的饱和含氧量作为除氧前水的含氧量。很显然，以饱和含氧量来代替水的含氧量，其数值比实际情况偏高，因为水与空气接触，其含氧量不一定就真正达到饱和，尤以混有大量回水的给水，由于回水中含氧量较低，故这种给水的含氧量都未达到饱和。表 2.1 水中含氧量与温度、压力的关系 含氧量 水温 mgL 压力 MPa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0.01 14 11 8.3 5.7 2.3 1.2 10.8 8.5 6.4 4.2 2.0 0.9 8.8 7.0 5.3 3.5 1.6 0.8 7.5 5.7 4.3 2.7 1.4 0.5 6.2 5.0 3.7 2.2 1.2 0.2 5.4 4.2 3.0 1.7 1.0 0 4.7 3.4 2.3 1.1 0.4 0 3.6 2.6 1.7 0.4 0 0 2.6 1.6 0.8 0 0 0 1.6 0.5 0 0 0 0 0 0 0 当水被加热至沸腾时，汽水界面上的压力就是水的饱和蒸汽压，此时，气体在水中的溶解度也应等于零。氧气是很活泼的气体，它能跟很多非金属直接化合，而且能跟绝大多数金属（金、银、铂等少数金属除外）直接化合。当其与非金属或金属化合以后，往往形成稳定的氧化物，或生成沉淀。这些氧化物中的氧就不再与金属化合，故实际上起腐蚀作用的。都是水中的溶解氧。2.2.2 除氧的根本途径除氧的根本途径 本课题的研究对象采用的是热力除氧。即用蒸汽加热给水，提高水的温度，使水面上蒸汽的分压力逐步增加，而溶解气体的分压力渐渐降低，溶解于水中的气体就不断逸出，当水被加热至相应压力下的饱和温度，液面上的蒸汽的分压力几乎等于全压力，其它气体的分压力趋近于零，于是溶解于水中的气体就从水中全部逸出而除去。为保证除氧效果，热力除氧必须具备两个条件：第一，必须把水加热到除氧器压力对应的饱和温度；第二，必须及时排出水中分离逸出的气体。第一个条件不具备，气体不能全部从水中分离出来；第二个条件不具备时，已分离出来的气体会重新回到水中。热力除氧的实质是除气，在除氧的同时可以除掉溶解于水中的其他气体，而且不会生成任何残留物质；另外热力除氧可作为一级回热加热器，除氧工艺的成本又很低廉，故被广泛采用。2.2.3 热力除氧的特点热力除氧的特点 热力除氧就是将水加热至沸点，氧的溶解度减小而逸出，再将水面上产生的氧气排除，使充满蒸汽。如此使水中的氧气不断逸出，而保证给水含氧量达到给水质量标准的要求。热力除氧有以下特点：不仅能除氧，而且能除二氧化碳及氮。铵鈉离子交换，当给水加热后产生的氨气也可除去；较其他除氧方法效果稳定可靠；除氧水中不增加含盐量，也不增加其他气体的溶解量；易于进行控制；蒸汽消耗量比较大，通常按设计规范达到锅炉自产蒸汽量的 20%左右，造成热力除氧运行费用非常高；提高给水进入省煤器温度，影响烟气废热利用；负荷变动时不易调整；必须配置一个高位水箱，才能保持给水泵中的除氧水不发生汽蚀现象；基建投资大。2.3 热力除氧器热力除氧器实验建模实验建模14 测定除氧器系统响应曲线时用的标准信号有阶跃信号和矩形方波信号，阶跃信号是最常见的输入信号，其对应的随时间变化的输出信号曲线称为阶跃响应曲线(或称飞升曲线)，它能比较直观地反映被控对象的动态特性，特性参数数据直接取自记录曲线，无须中间转换，试验方法也较简单。因此，本系统采用阶跃信号作为输入信号。将系统处于开环状态，将控制器置于手动，阶跃改变控制器的手操输出电压，记录温度测量变送器的输出电流，可得到一条阶跃响应曲线，如图 2.2 所示。经简单处理，就可得到该过程的模型参数。图 2.2 飞升曲线及特征值示意图 典型的工业过程的传递函数可以取如下形式 nsTsKesG)1()(2-3)热工被控对象的绝大多数是属于有自平衡能力的，并且属于有纯滞后的多阶惯性环节13。除氧器控制系统可以用二阶惯性环节和一个延时环节来近似，这样可以得到除氧器系统的传递函数：2)1()(TsKesGs （2-4）式中，除氧器的滞后时间，T除氧器的时间常数，K放大系数。现将除氧器的控制器不接入控制回路中，使系统处于开环状态，用飞升曲线法测得式 2.4 各系数的近似值如下：=3 秒，T=4.6 秒，K=9.4 于是就得到了该除氧系统的传递函数为：23)16.4(4.9)(sesGs (2-5)2.4 热力除氧器温度控制方案设计热力除氧器温度控制方案设计 2.4.1 系统设计思路系统设计思路 针对发电厂锅炉热力除氧器及其控制系统的特点，我们可以从下面几个方面来设计研究热力除氧器的控制系统，以提高系统的控制品质，提高除氧器的除氧效果。从水中气体的溶解特性以及热力除氧的特点可以看出，采用温度控制系统来替代压力控制系统，能更好地满足热力除氧工艺对温度的要求。通过分析计算，我们可以得到以下结论，除氧器内压力保持在 0.020.025Mpa,温度为 104时，水中的溶解氧几乎完全逸出，水中的含氧量为零，而且只要除氧器内的温度不超过 107，除氧器的压力就不会超过最大允许压力。因此，我们将温度的控制范围设定在 104 土 3。考虑到除氧器的滞后特性以及执行器不宜频繁动作，当除氧器的温度在 101107范围内时，系统微调或不调，当除氧器的温度超出这个范围，系统粗调。除氧器内的主要干扰是给水干扰，其扰动幅值大而频繁，对被调参数影响较大，反馈控制难于达到除氧工艺的要求，采用简单的 PID 控制系统通常不能满足除氧工艺的要求。因此，我们采用模糊控制系统来控制除氧器内的温度，使得除氧器温控系统具有较好的控制品质。要想达到更高的标准我们采用多模态控制。2.4.2 控制方案的确立控制方案的确立 除氧器温度控制的基本任务是在电站锅炉负荷宽幅波动，除氧器给水流量扰动等因素的作用下，将除氧器内的温度控制在 104 土 3范围内，从而满足热力除氧器除氧工艺的要求，使电站锅炉安全、平稳的运行。发电厂热力除氧器具有大滞后、时变、参数变量耦合等非线性特性，同时还存在着多种随机干扰，因此，需要控制器具有较高的智能性。采用简单的 PID 控制系统通常不能满足除氧工艺的要求，模糊控制是一种仿人思维的自动化控制技术，采用模糊控制方法设计系统是不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场有经验的操作人员或有关专家的经验、知识，或者操作者在操作过程中的操作数据及被控对象的运行数据等。该除氧器温控系统采用闭环控制，其方框图如图 2.3 所示。控制器D/A转换器执行器A/D转换器测量变送器给定值+-除氧器温度 图 2.3 除氧器温度控制系统框图 如图 2.3 除氧器的温度由温度传感器检测，并转换成 420mA 的标准电流信号，在经过电压转换装置，转换成 05V 的电压信号，进行 A/D 转换，然后送给智能控制器（包括 PID 控制器、模糊控制器和多模态控制器等）将转换值与给定值作比较，然后计算出温度误差，再根据控制算法求出控制系统的控制输出量，经 D/A 转换器进行数模转换后驱动执行器工作，调节除氧器水箱的温度，从而使除氧器温度恒定在给定值。第三章第三章 PIDPID 控制控制系统系统设计设计 3.1 引言引言 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e(t)与输出 u(t)的关系为)()(1)()(01dttdedtteTtektUtDpT （3-1）式中，积分的上、下限分别是 0、t；其中的PK为比例系数，1T为积分时间，DT为微分时间。PID 控制器用途广泛、使用灵活，因此已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（PK，1T和DT）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到三个单元，但比例控制单元是必不可少的。3.2 PIDPID 控制的控制的原理和原理和特点特点 （1）P 控制特性 由于 P 控制器的输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，控制器的输出就会立刻与偏差成比例地变化，因此比例控制作用及时迅速，这是它的一个显著特点，其缺点是存在静差。（2）PI 控制特性 只要有偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，控制器的输出才稳定下来。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故控制缓慢，这样会造成控制不及时，使系统稳定裕度下降。因而积分作用一般不单独使用，而是与比例作用组合起来构成 PI 控制器，用于控制系统中。（3）PD 控制特性 微分作用是根据偏差变化速度进行控制的。即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有控制输出，故有超前控制之称。在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性。3.3 控制器的构成控制器的构成 除氧器温度控制，可采用 PID 控制，P、I、D 模块的并联构成如图 3.1 所示，这种结构的特点是，由于三个运算电路并联连接，避免了级间误差累积放大，对保证整机精度有利。同时，并联结构可消除1T、DT变化对控制器实际整定变量的影响。PDI偏差输出UI00,+如图 3.1 PID 运算模块方框图 第四章第四章 模糊控制模糊控制系统系统设计设计 模糊控制是以模糊集合、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它现在已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。尤其是模糊控制和遗传算法、神经网络及混沌理论等新学科相结合，正在显示出其巨大的应用潜力。4.1 模糊控制理论概述模糊控制理论概述1516 4.1.1 引言引言 传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂，建立精确的数学模型特别困难，甚至不可能的。这种情况下，人们期望有一种不依赖于数学模型的控制方法，模糊控制方法就应运而生了。模糊控制作为智能控制中的一个子系统，它的发展和应用是相当迅速的。自从 1965 年美国的 L.A.Zadeh 教授提出模糊集合和模糊控制的概念后，许多国家都投入了大量的研究人员对模糊理论和模糊控制进行研究。尽管模糊集理论的提出至今只有多 40 年，却得到了极大的发展，关于模糊理论和算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与集成、以及稳定性研究等方面的许多重要论文都极大地促进了模糊控制理论的应用与发展。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、专家模糊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(或规则)自 调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。最早取得应用成果的是英国伦敦大学教授 E.H.Mamdani,1974 年他利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质。随后，丹麦、美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功应用在温度、热水装置、压力与液面、十字路口交通枢纽指挥、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。1983 年日本学者M.Sugeno 和 K.Murakani 将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度控制，并取得成功。1984 年，美国推出“模糊推理决策支持系统”。我国在模糊控制应用方面也取得了显著的成果。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。19791980 年，李宝绥、刘志俊等人设计了一类缺乏数学模型的控制句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质。随后，丹麦、美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功应用在温度、热水装置、压力与液面、十字路口交通枢纽指挥、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。1983 年日本学者 M.Sugeno 和 K.Murakani 将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度控制，并取得成功。1984 年，美国推出“模糊推理决策支持系统”。我国在模糊控制应用方面也取得了显著的成果。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。19791980 年，李宝绥、刘志俊等人设计了一类缺乏数学模型的控制器，对模糊控制器的特性进行了仿真，并与 PI 调节器进行比较，结果表明，模糊控制器对单位阶跃响应具有速度较快、精度较高以及对参数变化不敏感等优点。1986 年，都志杰等人用单片机研制了工业用模糊控制器。随后，何钢、能秋思、刘浪舟、于旭亮、张广成、田成方、李友善等人相继将模糊控制方法成功应用在碱熔釜反应温度，气炼机、玻璃炉窑、化工大滞后过程、功率因数补偿、九管还原炉与选矿破碎过程、锅炉与甜菜制糖控制系统中。目前模糊控制技术日趋成熟和完善。模糊控制在化工、机械、冶金、工业窑炉、水处理、食品生产、家电产品等诸多领域中得到应用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果。可以预料，随着模糊控制理论的不断完善，其应用领域将会更加广泛。4.1.2 模糊控制特点模糊控制特点 模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，因此与经典的控制方法比较更有工程意义。它具有以下特点:模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。由工业过程酌定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。基于模糊的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。因此，模糊控制被广泛的应用于工业锅炉、煤炭生产过程、金属冶炼、石油化工等方面，并取得了较为理想的效果。4.1.3 模糊控制在应用中的基本思想模糊控制在应用中的基本思想 在控制系统传统设计中，都需要了解被控制对象的数学模型。但是对于一些生产过程，要获得既有足够的精确性，又便于系统分析的数学模型是相当困难的。这就使得现代控制理论的应用受到了限制。然而，一个熟练的操作人员却能够对系统中的各种参量，如温度、压力，以致颜色、气味等，做出响