鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)畢業(yè)論文.doc

摘 要鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，汽包水位過高過低都會影響運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)性，必須嚴(yán)格加以控制。本文主要是用MATLAB對鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。建立了鍋爐汽包水位對象的數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)，并用Matlab語言在計(jì)算機(jī)上編制鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真程序。通過對象特性、最佳PID參數(shù)整定、控制系統(tǒng)比較分析及魯棒性仿真研究，本文了解了汽包水位對象特性、整定出了最佳PID參數(shù)、總結(jié)出了各種控制方案的特點(diǎn)與適用場合，并提出用模糊自適應(yīng)整定PID控制器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的方案。 關(guān)鍵詞：鍋爐汽包水位；控制系統(tǒng)；仿真研究；Matlab AbstractBoiler is a essential power equipment in chemical industry, oil refining, electricity generation and other industrial production process. Boiler drum water level is a chief indicator of Boiler working, drum water level too high or too low will affect the safe operation and the economy, it must be strictly controlled. This article is mainly about the simulation study of boiler drum water level control system,established the mathematical model and control system of boiler drum water level, and made the simulation programs of boiler drum level control system using Matlab Language on the computer. Through the simulation study of object properties and the Best PID parameters tuning and the Analysis and comparison of control system and robust research, This article acquainted the object characteristics of the drum water level and found out the best PID parameters, summed up the characteristics of kinds of control programs, and proposed the control program of using fuzzy adaptive tuning PID controller .Key words: boiler drum water level; control system; simulation study; matlab目 錄第1章 概述11.1 鍋爐的種類11.2 鍋爐的工藝流程11.3 鍋爐的工藝參數(shù)和主要控制系統(tǒng)2第2章 鍋爐汽包水位對象數(shù)學(xué)模型的歸納42.1 蒸汽負(fù)荷對水位的影響42.2 給水流量對水位的影響5第3章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的方案分析73.1 單沖量控制系統(tǒng)73.2 雙沖量控制系統(tǒng)83.3 三沖量控制系統(tǒng)9第4章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與仿真研究114.1 仿真的目的和意義114.2 仿真軟件和最佳PID參數(shù)整定方法114.3 鍋爐汽包水位對象程序設(shè)計(jì)與仿真研究134.4 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與仿真研究174.5 各控制系統(tǒng)魯棒性的仿真研究33第5章 用模糊自適應(yīng)整定PID控制器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制405.1 模糊自適應(yīng)整定PID控制原理405.2 用模糊自適應(yīng)整定PID控制實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的初步設(shè)計(jì)42結(jié) 論45參考文獻(xiàn)46致 謝47附 錄4852第1章 概述鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的驅(qū)動透平的動力源，又可作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，生產(chǎn)設(shè)備的不斷革新，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高效率發(fā)展。為了確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐設(shè)備的控制系統(tǒng)就顯得愈加重要。1.1 鍋爐的種類按鍋爐的容量、蒸汽壓力、蒸發(fā)量、燃料種類的不同，鍋爐可以有多種分類。（1）按鍋爐的容量可分為：小型鍋爐、中型鍋爐、大型鍋爐和超大型鍋爐。（2）按蒸汽壓力可分為：低壓鍋爐，壓力小于等于2.45MPa；中壓鍋爐，壓力為2.944.90MPa；高壓鍋爐，壓力為7.8410.8MPa；超高壓鍋爐，壓力為11.814.7MPa；亞臨界壓力鍋爐，壓力為15.719.6MPa；超臨界壓力鍋爐，壓力大于等于22MPa。（3）按蒸發(fā)量可分為：小型鍋爐，蒸發(fā)量小于20 t/h；中型鍋爐，蒸發(fā)量為20 t/h 至 75 t/h；大型鍋爐，蒸發(fā)量大于75 t/h。（4）按燃料種類分，在各個工業(yè)部門中，應(yīng)用最多的有燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐。在石油化工、煉油的生產(chǎn)過程中，往往產(chǎn)生各種不同的殘油、殘?jiān)?、馳放氣及煉廠氣。為充分利用這些燃料，所以有油、氣混合燃燒鍋爐和油、氣、煤混合燃燒鍋爐。在化工、造紙、制糖等工藝過程中，還會產(chǎn)生各種毫無規(guī)則的聚合物、殘?jiān)??？衫眠@些“燃料”產(chǎn)生的熱量，以及在化工生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)生成的熱量，來生產(chǎn)各個部門所需的蒸汽，因此又形成了廢熱鍋爐。1.2 鍋爐的工藝流程由于鍋爐的燃料種類、燃燒設(shè)備、制粉系統(tǒng)、爐體型式、鍋爐功能和運(yùn)行要求不同，鍋爐有各種各樣的流程。所有這些鍋爐，種類各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的。常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖1-1所示。由圖可知，燃料和熱空氣按一定的比例送入燃料室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱器，形成一定汽溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為PM的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣1。圖1-1 鍋爐設(shè)備的主要工藝流程圖1.3 鍋爐的工藝參數(shù)和主要控制系統(tǒng)鍋爐是全廠重要的動力設(shè)備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)汽量適應(yīng)負(fù)荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，主要輸入變量是負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度，爐膛負(fù)壓，過?？諝猓ㄑ鯕夂趿浚┑取＿@些輸入和輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響；減溫水的變化會導(dǎo)致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化；等等。所以鍋爐設(shè)備是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對象，目前工程處理上作了一些假設(shè)后，將鍋爐設(shè)備控制劃為若干控制系統(tǒng)。主要控制系統(tǒng)如下。（1）鍋爐汽包水位的控制。受控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐、氣輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件之一，是鍋爐正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。（2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制。其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要（常以蒸汽壓力為受控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最經(jīng)濟(jì)燃燒（常以煙氣成分為受控變量），提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。為達(dá)到上述三個控制目的，控制手段也有三個，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。（3）爐膛負(fù)壓的控制。維持爐膛負(fù)壓一是為了防止一氧化碳等有毒物質(zhì)排除，產(chǎn)生人體傷害。二是為了防止大負(fù)壓進(jìn)入大量冷空氣使?fàn)t膛降溫。（4）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。受控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。第2章 鍋爐汽包水位對象數(shù)學(xué)模型的歸納數(shù)學(xué)模型是描述對象內(nèi)部個物理量（或變量）之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式或圖形表達(dá)式。用實(shí)驗(yàn)測定法建立數(shù)學(xué)模型是對系統(tǒng)施加一定的激勵（輸入），測得它的輸出，根據(jù)輸入輸出的數(shù)據(jù)（或曲線）結(jié)果，通過一定的處理方法，得到反映系統(tǒng)輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模式。對于鍋爐汽包水位對象是一個復(fù)雜的實(shí)體，其影響因素有很多。蒸汽流量、給水流量、鍋爐排污、吹灰等對水位都會有影響。鍋爐排污自汽包里放水，吹灰時使用鍋爐自身的蒸汽，這些都是短時間負(fù)荷的干擾。蒸汽流量和給水流量是鍋爐汽包水位最主要的干擾。2.1 蒸汽負(fù)荷對水位的影響蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對水位的影響，即干擾通道的動態(tài)特性。在燃料量不變的情況下，蒸汽用量突然增加，瞬時間必然導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂假水位現(xiàn)象。在蒸汽流量干擾下，水位變化的階段響應(yīng)曲線如圖2-1所示。圖2-1 蒸汽流量干擾下水位的階段響應(yīng)曲線當(dāng)蒸汽流量突然增加時，由于假水位現(xiàn)象，在開始階段水位不僅不會下降，反而先上升，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）。蒸汽流量突然增加時，實(shí)際水位的變化H，是不考慮水面下汽泡容積變化時水位變化H1，與只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化H2的疊加，即 （2-1）用傳遞函數(shù)來描述可以表示為 （2-2） 式中 在蒸汽流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛生速度；K、T 分別為只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化H2的放大倍數(shù)和時間常數(shù)。假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)，例如一般100300t/h的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷突然變化10%時，假水位可達(dá)3040mm。2.2 給水流量對水位的影響給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性，在給水流量作用下，水位階躍響應(yīng)曲線如圖2-2所示。圖2-2 給水流量作用下水位的階躍響應(yīng)曲線把汽包和給水看作單容無自衡對象，水位響應(yīng)曲線如圖中H1線。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水溫度低，所以給水量變化后，使汽包中汽泡含量減少，導(dǎo)致水位下降。因此實(shí)際水位響應(yīng)曲線如圖中H線，即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當(dāng)于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為 （2-3）式中 給水流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛生速度； 純滯后時間。給水溫度越低，純滯后時間越大。一般約在15100秒之間。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會使增加到100200秒之間。根據(jù)鍋爐汽包水位蒸汽流量和給水流量對水位影響的動態(tài)特性可歸納得出控制通道數(shù)學(xué)模型為 （2-4）干擾通道的數(shù)學(xué)模型為 （2-5）第3章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的方案分析汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)。如果水位過低、則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生汽帶液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機(jī)動力的話，還會損壞氣輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)性。汽包水位過高過低的后果極為嚴(yán)重，所以必須嚴(yán)格加以控制。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)主要有以下三種。3.1 單沖量控制系統(tǒng) 汽包水位的控制手段是控制給水，基于這一原理，可構(gòu)成單沖量控制系統(tǒng)。這里指的單沖量即汽包水位。單沖量控制系統(tǒng)原理圖及方塊圖如圖3-1所示。這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加，由于假水位現(xiàn)象，控制器不但不能開大給水閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，反而關(guān)小控制閥的開度，減少給水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量減少，使水位嚴(yán)重下降，波動很厲害，這種情況嚴(yán)重時會使汽包水位降到危險程度以致發(fā)生事故。 a）原理圖 b）方塊圖圖3-1 單沖量控制系統(tǒng)原理圖及方塊圖3.2 雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位的控制中，最主要的干擾是負(fù)荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)，圖3-2是典型的雙沖量控制系統(tǒng)原理及方塊圖。這是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里的前饋系統(tǒng)僅為靜態(tài)前饋，若需要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，須加入動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。圖3-2所示的連接方式中，加法器的輸出是 （3-1）PC水位控制器的輸出；PF蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開方器）的輸出；C0初始偏置值 (閥位的初值)C1,C2加法器的系數(shù)。 a）原理圖 b）方塊圖圖3-2 雙沖量控制系統(tǒng)原理圖及方塊圖現(xiàn)在分析這些系數(shù)的設(shè)置。C2項(xiàng)取正號還是負(fù)號，即進(jìn)行加法還是減法，要看控制閥是氣開還是氣關(guān)而定。控制閥的氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮機(jī)等，那么為保護(hù)這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為加熱及工藝物料用時，為保護(hù)鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。因?yàn)樵谡羝髁考哟髸r，給水流量亦要加大，如采用氣關(guān)閥，P0應(yīng)減小，即應(yīng)該取負(fù)號；如果采用氣開閥，P0應(yīng)增加，即應(yīng)取正號。C2的數(shù)值應(yīng)考慮達(dá)到穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。如果在現(xiàn)場湊試，那么應(yīng)在只有負(fù)荷干擾的條件下，調(diào)整到水位基本不變。如果有閥門特性數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行計(jì)算。C1的設(shè)置比較簡單，可取1，也可小于1。不難看出C1與控制器的放大倍數(shù)的乘積相當(dāng)于簡單控制系統(tǒng)中控制器放大倍數(shù)Kc的作用。C0是個恒值，設(shè)置C0的目的是在正常負(fù)荷下，是控制器和加法器的輸出都能有一個比較適中的數(shù)值。最好在正常負(fù)荷下C0值與C2PF項(xiàng)正好抵消。還可以采用另一種接法，將加法器放在控制器之前，如圖3-3所示。由于水位上升與蒸汽流量增加時，閥門動作方向相反，所以一定是信號相減。這樣的接法好處是使用儀表少，一只雙通道的控制器就可以實(shí)現(xiàn)加減和控制的功能2。圖3-3 雙沖量控制系統(tǒng)其它接法3.3 三沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個弱點(diǎn)：控制閥的工作特性不一定是線性的，要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；對于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服。為此，可再引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，三沖量控制系統(tǒng)原理圖和方框圖如圖3-4所示。這是前饋與串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。a）原理圖 b）方塊圖圖3-4 三沖量控制系統(tǒng)原理圖及方塊圖 系數(shù)設(shè)置是這樣的，系數(shù)C1通?？扇?或稍小于1的數(shù)值。假設(shè)采用氣開閥，C2就去正值。C0的設(shè)置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。水位控制器和流量控制器的參數(shù)整定方法與一般串級控制系統(tǒng)相同。 a）第二種接法 b）第三種接法圖3-5 三沖量控制系統(tǒng)其它接法還可以采用比較簡單的三沖量控制系統(tǒng)，只用一臺加法器，第二種接法加法器接在控制器之前如圖3-5 a）所示，這種接法使用儀表少，容易實(shí)現(xiàn)。第三種接法加法器接在控制器之后如圖3-5 b）所示3。第4章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與仿真研究4.1 仿真的目的和意義“仿真”一詞譯自英文Simulation,另一個曾經(jīng)用過的譯名是“模擬”。從字面上解釋“仿真”和“模擬”都是表示“模擬仿真世界”的意思。雖然人們很早就采用了模型來分析與研究真實(shí)世界的方法亦即“仿真”或“模擬”的方法,但嚴(yán)格地講,只有在世界20世紀(jì)40年代末計(jì)算機(jī)(模擬計(jì)算機(jī)及數(shù)字計(jì)算機(jī))的問世,才為建立模型及對模型進(jìn)行試驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的支持,仿真技術(shù)也才獲得了迅速的發(fā)展并逐步成為一門獨(dú)立的學(xué)科.仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的。在實(shí)際中，控制系統(tǒng)及設(shè)備在投運(yùn)使用之前其控制器的最佳參數(shù)是不知道的，若直接在線調(diào)整控制器參數(shù)，效率太低，更主要的是會影響產(chǎn)品質(zhì)量。為此，要用仿真的方法整定出它們的最佳參數(shù)，然后再應(yīng)用到實(shí)際設(shè)備及控制器上，再經(jīng)過對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而得到實(shí)際控制的最佳參數(shù)。這樣既方便快捷，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。4.2 仿真軟件和最佳PID參數(shù)整定方法4.2.1 MATLAB仿真軟件簡介MATLAB名字有Matrix和Laboratory兩詞的前三個字母組合而成。意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室” 。目前，MATLAB已成為國際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了，它已經(jīng)成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級編程語言，有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要角色。MATLAB的功能也越來越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。MATLAB環(huán)境下的SIMULINK是Mathworks公司開發(fā)的一個有重要影響力的軟件產(chǎn)品。他有兩個顯著的功能：SIMU（仿真）和LINK（連接），即可以方便地利用鼠標(biāo)在模型窗口上畫出所需系統(tǒng)模型圖，來對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，從而使一個復(fù)雜系統(tǒng)模型的建立和仿真變得相當(dāng)簡單和直觀。SIMULINK不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行。SIMULINK提供了一個圖形化的用戶界面，采用這種結(jié)構(gòu)化模型就像用筆和紙來畫一樣容易，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用位分方程核差分方程建模相比具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。SIMULINK包含Sink（輸出方式）、Sources（輸入源）、Continuous（連續(xù)環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性）、Discerte（離散環(huán)節(jié)）、Signals&System（信號與系統(tǒng)）、Math（數(shù)學(xué)模塊）和Functions&Tables（函數(shù)和查詢表）等模型庫。隨著該軟件的發(fā)展，模型庫不斷得到豐富和發(fā)展。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。SIMULINK的使用對象廣泛，既支持連續(xù)與離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線性與非線性系統(tǒng)，還支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率進(jìn)行組合，以仿真較大較復(fù)雜的系統(tǒng)。使用SIMULINK可以很容易地創(chuàng)建一個新的模型，或者是修改舊的模型。仿真過程是交互的，可以隨時修改參數(shù)，并且能夠立即看到仿真結(jié)果。在SIMULINK中能夠直接訪問MATLAB中所有的工具箱，并可得到可視化的分析結(jié)果。用SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀察模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模型，來檢查下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在模型創(chuàng)建以后，用戶可以通過SIMULINK的菜單命令或MATLAB的命令窗口輸入命令來對它進(jìn)行仿真。通過Scope模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時，可以觀察仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以改變參數(shù)來迅速觀察系統(tǒng)中發(fā)生的變化。仿真的結(jié)構(gòu)可以同時存放到MATLAB的工作空間內(nèi)，供以后的計(jì)算、分析之用。此外，SIMULINK還包括線性化和平衡點(diǎn)分析等模型分析工具4。4.2.2 最佳PID參數(shù)整定方法PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一?？刂破魇强刂葡到y(tǒng)的心臟。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，它將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線形組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。比例作用的特點(diǎn)是控制及時，具有自適應(yīng)性，但是存在余差。積分作用的特點(diǎn)是可以清除余差，但會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分作用越強(qiáng)，余差越小，穩(wěn)定性越低。微分作用的特點(diǎn)是具有預(yù)見性，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但微分作用也不能太強(qiáng)，否則反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。PID控制要取得較好的控制效果，必須通過調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用，形成控制量中既要相互配合又相互制約的關(guān)系?？刂破鲄?shù)有很多整定方法。常用的有經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法、衰減振蕩法和響應(yīng)曲線法。此法是將控制系統(tǒng)分類，。按液位、流量、壓力、溫度來分。屬同一類別的系統(tǒng)對象特性比較接近，其控制器形式和整定的參數(shù)均可相互參考。經(jīng)驗(yàn)湊試法按受控變量的性質(zhì)提出控制器參數(shù)的合適范圍，按P、I、D的順序依次調(diào)試。這種方法最簡單方便。也是本文所使用的方法。對于串級控制系統(tǒng)，副回路整定的要求較低，參數(shù)整定宜用先副后主的方式。有時欲更好的發(fā)揮副回路快速性作用，副回路控制可整定的偏強(qiáng)一些。整定主控制器的的方法與單回路控制時相同。由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值(被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給PID控制器，改變過程變量值，經(jīng)變送器送至PID 控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)閥的開度，使調(diào)節(jié)閥的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值，以達(dá)到控制目的。定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最佳曲線一般是三個半波，且衰減比為10:1到4:1。4.3 鍋爐汽包水位對象程序設(shè)計(jì)與仿真研究4.3.1 對象模擬程序的設(shè)計(jì)在本文中，對于鍋爐汽包水位對象數(shù)學(xué)模型，選取如下一組數(shù)據(jù)作為特性參數(shù)：e0 =0.7(mm/s)/(t/h)，=100s，ef =0.8(mm/s)/(t/h)，K=50，T=20s（為了方便在以下論述中省略數(shù)據(jù)單位）。 a）控制通道仿真程序b）干擾通道仿真程序圖4-1 鍋爐汽包水位的仿真程序用MATLAB環(huán)境下的SIMULINK編制汽包水位對象的仿真程序。 如圖4-1所示，控制通道傳遞函數(shù) （4-1）用一個Integrator(積分)模塊和一個Transport Delay(傳遞延遲)模塊串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。干擾通道傳遞函數(shù) （4-2）道用兩個Transfor Fcn(傳遞函數(shù))模塊，分別設(shè)置Transfor Fcn(傳遞函數(shù))模塊參數(shù)成一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個比例積分環(huán)節(jié)求和實(shí)現(xiàn)。蒸汽流量和給水流量的擾動分別用兩個階躍信號實(shí)現(xiàn)。用Scope顯示仿真結(jié)果。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，干擾信號是電信號，給定值是電信號，測量液位儀表的輸出也是電信號，其電信號的范圍都轉(zhuǎn)換成15V，它們的變化范圍都是4V。在仿真實(shí)驗(yàn)中，加入20%的干擾，即干擾值為0.8，表示實(shí)際的0.8V。在本文中液位輸出顯示范圍都統(tǒng)一為-22，表示的變化范圍是4V。為了使輸出統(tǒng)一在-22范圍內(nèi)，把系統(tǒng)輸出用Gain（增益）模塊進(jìn)行調(diào)整。如圖4-1 a）是控制通道仿真程序，圖4-1 b）是干擾通道仿真程序。仿真結(jié)果如圖4-2。圖4-2 a）是控制通道階躍響應(yīng)仿真結(jié)果，當(dāng)給水流量突然增加20%，汽包水位并不立即增加，而是延遲一段時間（100秒），這個時間是純滯后時間。圖4-2 b）是干擾通道階躍響應(yīng)仿真結(jié)果，蒸汽流量突然增加20%，在開始階段水位不但不下降，反而先上升，然后下降，這是虛假液位現(xiàn)象。 a）給水流量干擾下水位的階段響應(yīng) b) 蒸汽流量干擾下水位的階段響應(yīng)圖4-2 鍋爐汽包水位對象特性的仿真結(jié)果4.3.2 改變K值分別取K=100和K=1，仿真結(jié)果如圖4-3所示。與4-2 b）比較，可以發(fā)現(xiàn)K越大假液位現(xiàn)象越嚴(yán)重且持續(xù)時間越長。當(dāng)K小于1時，假液位現(xiàn)象基本消失。 a)K=100時仿真結(jié)果 b)K=1時仿真結(jié)果圖4-3 改變K值的仿真結(jié)果4.3.3 改變T值分別取T=100、T=5、T=1和T=0.1，仿真結(jié)果如圖4-4所示。與圖4-2 b）比較，可以看出T越小，假液位上升越快，假液位現(xiàn)象也越嚴(yán)重。在T 小于100大于 1的范圍內(nèi)較明顯。內(nèi)當(dāng)T大于等于100時，假液位現(xiàn)象基本消失。當(dāng)T小于1時，假液位對輸出幅值和液位上升速度的影響沒有太大區(qū)別。 a)T=100時仿真結(jié)果 b)T=5時仿真結(jié)果 c)T=1時仿真結(jié)果 d)T=0.1時仿真結(jié)果圖4-4 改變T值的仿真結(jié)果 4.3.4 改變值分別取=150和=50，仿真結(jié)果如圖4-5所示。由圖可知越大，滯后時間越長，反之越短。 a)=150時仿真結(jié)果 b)=50時仿真結(jié)果圖4-5 改變值的仿真結(jié)果經(jīng)過以上研究可知，影響鍋爐汽包液位特性的參數(shù)主要是只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化H2的放大倍數(shù)K和時間常數(shù)T和純滯后時間。K對假水位現(xiàn)象影響最為明顯，K越大假液位現(xiàn)象越嚴(yán)重且持續(xù)時間越長。T對假水位幅值影響較小，而對假水位上升速度影響很大。在一定范圍內(nèi)，T越小，假液位上升越快，假液位現(xiàn)象也越嚴(yán)重。當(dāng)T大于某一值時，假水位現(xiàn)象消失，當(dāng)T小于某一值時，達(dá)到假水位時間最短，假水位最嚴(yán)重，但是T再小，液位輸出將基本不變。對于參數(shù)，越大，滯后時間越長，反之越短。4.4 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與仿真研究4.4.1 單沖量控制系統(tǒng)的仿真研究4.4.1.1 單沖量控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)選取對象參數(shù)為：e0 =0.7，=100，ef =0.8，K=50，T=20。用MATLAB環(huán)境下的SIMULINK編制汽包水位單沖量控制系統(tǒng)仿真程序如圖4-6所示。仿真中的對象為廣義對象，調(diào)節(jié)閥和測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)都可為1。液位給定值為一個常數(shù)，蒸汽流量干擾和給水流量干擾分別用階躍信號Step1和Step2表示。PID控制器封裝子程序如圖4-6（b）所示。P為比例系數(shù)kp，I為積分系數(shù)ki=kp/TI，D為微分系數(shù)kd=kpTD。其中TI是積分時間常數(shù)，TD是微分時間常數(shù)。為了明顯看出干擾信號對系統(tǒng)的影響和分析的方便，干擾信號和輸出信號同時顯示在Scope中。在仿真實(shí)驗(yàn)中，取液位給定值為0，引入20%的干擾。a）主程序b）子程序圖4-6 單沖量控制系統(tǒng)仿真程序4.4.1.2 最佳PID參數(shù)整定過程取Step1=0.8，Step2=0，即引入20%蒸汽流量干擾，首先給定P=1，I=0，D=0。仿真結(jié)果如圖4-7所示。由圖看出系統(tǒng)輸出振蕩嚴(yán)重。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)減小比例作用。圖4-7 在20%蒸汽流量干擾下P=1，I=0，D=0時仿真結(jié)果圖4-8在20%蒸汽流量干擾下P=0.0165，I=0，D=0時仿真結(jié)果圖4-9在20%蒸汽流量干擾下P=0.0165，I=0.00001，D=0時仿真結(jié)果再給定P=0.0165，I=0，D=0。仿真結(jié)果如圖4-8。系統(tǒng)輸出振蕩減弱，但是余差很大。下面加入積分調(diào)節(jié)作用，給定P=0.0165，I=0.00001，D=0。仿真結(jié)果如圖4-9。余差有減小趨勢，但還不夠小。再給定P=0.0165，I=0.00005，D=0。仿真結(jié)果如圖4-10。此時系統(tǒng)輸出在給定值附近衰減振蕩，但衰減速度太慢，應(yīng)再引入微分作用。圖4-10在20%蒸汽流量干擾下P=0.0165，I=0.00005，D=0時仿真結(jié)果下面給定P=0.0165，I=0.00005，D=0.8。仿真結(jié)果如圖4-11。系統(tǒng)衰減加快，且能夠穩(wěn)定到給定值上，但還沒達(dá)到最佳。圖4-11 在20%蒸汽流量干擾下P=0.0165，I=0.00005，D=0.8時仿真結(jié)果再經(jīng)過I和D微調(diào)湊試，得到最佳曲線參數(shù)為：P=0.0165，I=0.0001，D=0.6。最佳曲線仿真結(jié)果如圖4-12所示。在100秒時刻系統(tǒng)受到20%蒸汽流量干擾，約經(jīng)過800秒時間（即調(diào)整時間約800秒），在約900秒時刻液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為80%，衰減比約為9:1。由于后面的討論還是這個對象，其對象特性沒變，所以此最佳PID參數(shù)也可參考使用。圖4-12 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.64.4.1.3仿真研究取Step1=0，Step2=0.8，看一下給水流量突然增加20%時，控制效果如何。如圖4-13，在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，約經(jīng)過800秒，液位穩(wěn)定到給定值，其最大超調(diào)約為65%，衰減比約為8:1。液位輸出曲線同樣達(dá)到了比較令人滿意的效果。圖4-13 20%給水流量干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6有時蒸汽流量和給水流量干擾是同時產(chǎn)生，取Step1=0.8，Step2=0.8，即蒸汽流量和給水流量同時突然增加20%，這時蒸汽流量增加使液位下降，而給水流量增加使液位上升，二者同時作用使干擾相互抵消。如圖4-14，可以看出在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，約經(jīng)過700秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為40%。與圖4-12和圖4-13相比，它的調(diào)整時間和超調(diào)均有所減小。圖4-14 20%蒸汽流量和給水流量同向共同干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6取Step1=0.8，Step2=-0.8，即蒸汽流量突然增加20%，同時給水流量突然減小20%，這時蒸汽流量增加使液位下降，給水流量減小也使液位下降，二者同時作用使干擾增強(qiáng)，則調(diào)節(jié)器輸出變化量較大，調(diào)節(jié)閥開度也較大。這時是干擾最嚴(yán)重的時候，如圖4-15，超調(diào)超過100%，液位輸出最小值低于液位允許波動范圍下限。此時，這個單沖量控制系統(tǒng)已不適用于這個鍋爐汽包液位系統(tǒng)的控制。圖4-15 20%蒸汽流量和給水流量反向共同干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.64.4.2 雙沖量控制系統(tǒng)的仿真研究4.4.2.1 第一種雙沖量控制系統(tǒng)的仿真研究圖4-16雙沖量控制系統(tǒng)的仿真程序鍋爐汽包水位對象參數(shù)為：e0 =0.7，=100，ef =0.8，K=50，T=20。PID控制器參數(shù)為：P=0.0165，I=0.0001，D=0.6。仿真程序如圖4-16所示。引入蒸汽流量的前饋信號，加法器系數(shù)取C1=1，在只有負(fù)荷干擾的條件下，經(jīng)過湊試C2取0.85，C0取0.85。圖4-17 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6當(dāng)蒸汽流量突然增加20%，由于雙沖量控制系統(tǒng)引入了蒸汽流量信號，根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，糾正了虛假水位引起的誤動作，從而能夠明顯克服蒸汽流量的干擾。仿真結(jié)果如圖4-17，約經(jīng)過700秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為40%，與圖4-12相比，它的調(diào)整時間和超調(diào)均明顯減小。由此可見，雙沖量控制系統(tǒng)對蒸汽流量干擾的克服能力明顯增強(qiáng)。圖4-18 20%給水流量干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6當(dāng)給水流量突然增加20%時，如圖4-18，約經(jīng)過800秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為65%，與圖4-13相比，它的調(diào)整時間和超調(diào)都沒有變化?？梢婋p沖量控制系統(tǒng)對給水干擾仍不能克服，與單沖量控制系統(tǒng)是相同的。圖4-19 20%蒸汽流量和給水流量同向共同干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6當(dāng)蒸汽流量和給水流量同時突然增加20%，由于雙沖量控制系統(tǒng)對蒸汽流量干擾的克服增強(qiáng)，而對給水干擾的克服基本沒變，從而使二者相互抵消的作用減小。如圖4-19，約經(jīng)過800秒，液位穩(wěn)定到給定值，其最大超調(diào)約為65%，與圖4-14相比，它的調(diào)整時間和超調(diào)均有所增加。圖4-20 20%蒸汽流量和給水流量反向共同干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6當(dāng)蒸汽流量突然增加20%，同時給水流量突然減小20%，如圖4-20，約經(jīng)過800秒，液位穩(wěn)定到給定值，其最大超調(diào)約為85%。與圖4-15相比，在干擾最嚴(yán)重的時候它仍能夠控制液位輸出在允許波動范圍內(nèi)，表明雙沖量控制系統(tǒng)克服干擾的能力比單沖量控制系統(tǒng)明顯增強(qiáng)，這主要體現(xiàn)在對蒸汽流量干擾的克服上。4.4.2.2 第二種雙沖量控制系統(tǒng)的仿真圖4-21雙沖量控制系統(tǒng)第二種接法的仿真程序仿真程序如圖4-21所示。這個程序與第一種雙沖量控制系統(tǒng)仿真程序的區(qū)別就是把加法器放在了控制器之前。圖4-22 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6當(dāng)蒸汽流量突然增加20%，仿真結(jié)果如圖4-22，與圖4-12基本相同。即與單沖量控制系統(tǒng)的控制效果相同。經(jīng)過多次各種試驗(yàn)，得到的結(jié)果都與單沖量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果基本一樣，很難調(diào)出更好的控制效果。4.4.3 三沖量控制系統(tǒng)的仿真研究4.4.3.1 第一種三沖量控制系統(tǒng)的仿真圖4-23 第一種三沖量控制系統(tǒng)的仿真程序取鍋爐水位對象參數(shù)為：e0 =0.7，=100，ef =0.8，K=50，T=20。副PID控制器參數(shù)取為：P=1000，I=1000，D=0。主PID控制器參數(shù)取為：P=0.0165，I=0.0001，D=0.6。仿真程序如圖4-23所示。這是一個前饋與串級控制，在第一種雙沖量控制系統(tǒng)的仿真程序中增加了副PID控制器，組成了副回路。當(dāng)給水流量突然增加20%，仿真結(jié)果如圖4-24，在副回路調(diào)節(jié)下，經(jīng)過約4秒，給水流量輸出就完全跟蹤了副回路輸入，而且給水流量干擾對副回路輸出幅值影響也非常小，約為0.001?？梢哉f副回路對給水流量干擾是完全克服。如圖4-25，主回路液位輸出始終保持在給定值上，幾乎沒受到給水干擾的影響。這主要是在三沖量控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，使其對進(jìn)入副回路的干擾具有較強(qiáng)的克服能力。由于副回路的快速作用，發(fā)生在副回路的干擾在影響主變量之前就被副控制器校正了，改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。從而得到非常好的控制效果。圖4-24 20%給水流量干擾副回路仿真結(jié)果P=1000，I=1000，D=0圖4-25 20%給水流量干擾主回路仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6圖4-26 20%蒸汽流量干擾副回路仿真結(jié)果P=1000，I=1000，D=0圖4-27 20%蒸汽流量干擾主回路仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6當(dāng)蒸汽流量突然增加20%，如圖4-26，在控制系統(tǒng)副回路調(diào)節(jié)下，給水流量輸出立刻完全跟蹤了輸入給定值，使副回路輸出完全跟蹤輸入。主回路輸出如圖4-27所示，與第一種雙沖量控制系統(tǒng)的輸出基本相同，由此可見，三沖量控制系統(tǒng)對于副賄賂給水流量的干擾，能及時地加以克服，使汽包水位能夠維持穩(wěn)定。而與雙沖量控制系統(tǒng)相比，沒有改善對蒸汽流量干擾的克服能力。由于三沖量控制系統(tǒng)對給水干擾基本完全克服，所以主要干擾只是蒸汽流量干擾。有沒有給水干擾控制效果都是基本一樣的。當(dāng)給水流量和蒸汽流量同時突然增加20%，副回路和主回路輸出仿真結(jié)果分別如圖4-28和圖4-29所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加20%，同時給水流量突然減小20%，副回路和主回路輸出仿真結(jié)果分別如圖4-30和圖4-31所示。液位輸出分別與圖4-26和圖4-27相同。圖4-28 20%給水流量和蒸汽流量同向共同干擾副回路仿真結(jié)果P=1000，I=1000，D=0圖4-29 20%給水流量和蒸汽流量同向共同干擾主回路仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6圖4-30 20%給水流量和蒸汽流量反向共同干擾副回路仿真結(jié)果P=1000，I=1000，D=0圖4-31 20%給水流量和蒸汽流量反向共同干擾主回路仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.64.4.3.2 第二種三沖量控制系統(tǒng)的仿真仿真程序如圖4-28所示，這個程序也相當(dāng)于前饋和串級控制，只是它的副控制器是一個純比例控制器且比例為1。主控制器PID參數(shù)為P=4，I=0.014，D=50。圖4-32三沖量控制系統(tǒng)第二種接法的仿真程序仿真結(jié)果如圖4-33，當(dāng)給水流量突然增加20%，液位輸出基本保持不變。也就是說，給水流量干擾基本完全被克服。如圖4-34，當(dāng)蒸汽流量同時突然增加20%，經(jīng)過約950秒，液位輸出基本穩(wěn)定在給定值上。其最大超調(diào)約為40%。與第一種三沖量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果相比可知，兩種控制方案的控制效果相當(dāng)。圖4-33 20%給水流量干擾仿真結(jié)果P=4，I=0.014，D=50圖4-34 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果P=4，I=0.014，D=504.4.3.3 第三種三沖量控制系統(tǒng)的仿真仿真程序如圖4-35所示，把加法器放在了控制器之前?？刂破鱌ID參數(shù)為P=10，I=0，D=0。一般C1等于1或小于1，在這里我發(fā)現(xiàn)取C1=1.3控制效果更好些。也許這是由于我的PID參數(shù)不是最佳的，但是通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若還取C1小于或等于1很難得到最佳曲線。而我這樣做卻能達(dá)到想要的控制效果。圖4-35 三沖量控制系統(tǒng)第三種接法的仿真程序仿真結(jié)果如圖4-36，給水流量突然增加20%，液位輸出保持不變，給水流量干擾完全被克服。圖4-36 20%給水流量干擾仿真結(jié)果P=10，I=0，D=0當(dāng)蒸汽流量突然增加20%，如圖4-37，約經(jīng)過800秒，液位穩(wěn)定到給定值，其最大超調(diào)約為30%。從控制效果來看，三種三沖量控制系統(tǒng)的控制效果相當(dāng)。都能很好地克服給水流量的干擾使系統(tǒng)輸出維持穩(wěn)定。對于蒸汽流量的干擾，它們的控制能力與雙沖量控制系統(tǒng)的基本相同，比單沖量控制系統(tǒng)要好得多。圖4-37 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果P=10，I=0，D=0由以上對單沖量控制系統(tǒng)，雙沖量控制系統(tǒng)，三沖量控制系統(tǒng)的仿真研究，可以知道，單沖量控制系統(tǒng)只是以液位信號作為反饋對液位進(jìn)行控制，不能克服給水流量和蒸汽流量的干擾。它只適用于汽包停留時間較長，在蒸汽負(fù)荷變化時，假水位現(xiàn)象不顯著的小型鍋爐，再配上一些聯(lián)鎖報警裝置，可以保證安全操作，滿足生產(chǎn)的要求。雙沖量控制系統(tǒng)引入蒸汽流量的前饋信號，能夠克服蒸汽流量的干擾，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但是雙沖量控制系統(tǒng)仍不能克服流量的干擾。三沖量控制系統(tǒng)又引入給水流量信號，能有效克服給水流量和蒸汽流量的干擾。大大改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。4.5 各控制系統(tǒng)魯棒性的仿真研究影響鍋爐汽包水位對象的參數(shù)主要是只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化H2的放大倍數(shù)K和時間常數(shù)T以及給水流量作用下階躍響應(yīng)純滯后時間。若這三個參數(shù)改變，則鍋爐汽包液位對象就改變了。下面分別對各控制系統(tǒng)魯棒性進(jìn)行仿真研究。4.5.1 改變K值根據(jù)前邊對對象特性的研究可知，K越大假液位現(xiàn)象越嚴(yán)重且持續(xù)時間越長。對于單沖量控制系統(tǒng)，在20%蒸汽流量干擾下，當(dāng) K=85時，仿真結(jié)果如圖4-38所示，這時K達(dá)到臨界最大值， K若大于85，由于假液位現(xiàn)象嚴(yán)重，系統(tǒng)輸出超調(diào)過大，液位就會超出允許波動范圍，使汽包水位降到危險程度以致會發(fā)生事故。因此對于停留時間短、負(fù)荷變動較大的情況，這樣的系統(tǒng)不能適應(yīng)，水位不能保證。對于小型鍋爐，由于汽包停留時間較長，假水位現(xiàn)象并不顯著，配上一些連鎖報警裝置也可保證安全操作。 圖4-38 20%蒸汽流量干擾下K=85時單沖量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 圖4-39 20%蒸汽流量干擾下K=170時雙沖量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6圖4-40 20%蒸汽流量干擾下K=175時三沖量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6對于雙沖量控制系統(tǒng)，當(dāng) K=170時，仿真結(jié)果如圖4-39所示，這時K達(dá)到臨界最大值，K若大于85，液位同樣會超出允許波動范圍，使汽包水位降到危險程度以致會發(fā)生事故。對于三沖量控制系統(tǒng)，當(dāng) K=175時，仿真結(jié)果如圖4-40所示，K臨界最大值是175。由以上研究可知，三種控制系統(tǒng)對K的變化都有一定的魯棒性，且雙沖量控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)于單沖量控制系統(tǒng)。三雙沖量控制