軋鋼加熱爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書書設(shè)計(jì)（論文）題目：軋鋼加熱爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（論文）題目：軋鋼加熱爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 學(xué)學(xué) 部：部： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 2012 年年 05 月月 22 日日摘 要-I-摘 要本文為軋鋼加熱爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。加熱爐汽包水位的高低直接影響加熱爐效率及設(shè)備的安全運(yùn)行。文中首先介紹了研究軋鋼加熱爐汽包水位控制系統(tǒng)這一課題的背景及意義，包括對(duì)加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)、加熱爐汽包特性的概述，以及與課題相關(guān)的控制系統(tǒng)、PLC 的發(fā)展史等；其次，介紹了汽包水位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展，分為兩類：汽包水位經(jīng)典

2、控制策略和先進(jìn)控制策略。然后敘述了此汽包水位控制系統(tǒng)采取 PLC 控制方案，即基于前饋串級(jí)反饋控制方式的三沖量水位控制系統(tǒng)，主回路實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應(yīng)負(fù)荷和水位要求。報(bào)警系統(tǒng)用于在控制過(guò)程出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。該控制系統(tǒng)由四部分組成：儀器儀表，PLC 可編程序控制器，上位機(jī)，和應(yīng)用程序。此系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，維護(hù)量小，控制模式設(shè)計(jì)合理，完全滿足加熱爐汽化冷卻的工藝要求。包括了檢測(cè)控制流程圖、控制系統(tǒng)介紹、硬件的選型以及軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。最后，對(duì)此畢業(yè)設(shè)計(jì)做了總結(jié)。關(guān)鍵詞：加熱爐；汽包；水位；PLC；控制Abstract-II-AbstractThis article is for

3、 the heating furnace of steel rolling the drum water level control system design. Heating furnace drum water level can control the efficiency and heating equipment safety operation directly.First, the article introduced the research the heating furnace of steel rolling the drum water level control s

4、ystem of the subject the background and significance, including the heating furnace evaporative cooling system, heating furnace drum characteristics of the paper, and on the topic, the history of PLC control system, and so on. Secondly, this paper introduces the drum water level control system both

5、at home and abroad and the present situation and the development, divided into two classes: the drum water level classical control strategy and advanced control strategy. Then described the drum water level control system by PLC control scheme, which based on feedforward-cascade feedback control mod

6、e of water level control system three impulse, the main loop adjustment to realize water level, deputy circuit make water flow can adapt to the load and water level requirements. Alarm system used in control process failure give out sound and light alarm. The control system consists of four parts: i

7、nstruments, PLC programmable controller, PC, and applications. This system is a high degree of automation, the maintenance quantity was small, control pattern design is reasonable, fully meet the technological requirements of the evaporative cooling heating furnace. Including the detection control f

8、low chart, control system is introduced, and the hardware and software design of the selection of the content. Finally, it sums up the graduation design.Keywords heating furnace; steam pocket; water stage; PLC; control 目 錄-III-目 錄摘 要.IABSTRACT .II第 1 章 緒論.11.1 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的背景和意義.11.1.1 加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)介紹.

9、11.1.2 加熱爐汽包.21.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展.31.3.PLC 的發(fā)展.41.4與課題相關(guān)的控制系統(tǒng).81.4.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介.81.4.2 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)介紹.91.5 本章小結(jié).10第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r.112.1汽包水位經(jīng)典控制策略.112.1.1 單沖量水位控制系統(tǒng).112.1.2 雙沖量水位控制系統(tǒng).122.1.3 三沖量水位控制系統(tǒng).132.2 先進(jìn)控制策略的發(fā)展.142.2.1 預(yù)測(cè)控制.142.2.2 模糊控制.162.2.3 自適應(yīng)控制.172.3本章小結(jié).18第 3 章 汽包水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).193.1 方案分析.193.1.1 控制過(guò)程.

10、213.2 硬件設(shè)計(jì).213.2.1 PLC 的硬件選型.213.2.2 電接點(diǎn)電致發(fā)光水位計(jì).253.2.3 變送器的選擇.263.2.4 執(zhí)行器的選擇.283.2.5 報(bào)警器的選擇.293.3 PLC 軟件編程.293.4 本章小結(jié).30結(jié) 論.31參考文獻(xiàn).32謝 辭.34第 1 章 緒論-1-第 1 章 緒論1.1 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的背景和意義二十一世紀(jì)自動(dòng)控制技術(shù)在工程和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起著重要作用。隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)的凸顯，越來(lái)越多的企業(yè)要把核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。我國(guó)工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度普遍較低，PLC 產(chǎn)品有很大

11、的應(yīng)用空間，如機(jī)械行業(yè) 80%以上的設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器進(jìn)行控制。因此，PLC 在我國(guó)的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)沒有得到充分發(fā)揮，其中大中型企業(yè)普遍采用了先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，但絕大部分小型企業(yè)尚未應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)和產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。隨著競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，越來(lái)越多的小型企業(yè)將采用經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的自動(dòng)化產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計(jì)并不多，所以還有必要繼續(xù)深入的研究。1.1.1 加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)介紹軋鋼生產(chǎn)線中加熱爐是一個(gè)不可忽視的重要環(huán)節(jié)。能否保證加熱

12、爐安全、正常的運(yùn)行，能否經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，加熱出合格的板坯，對(duì)整個(gè)軋線安全、持續(xù)、順利生產(chǎn)，都有著至關(guān)重要的決定作用。若沒有嚴(yán)格地執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章制度，可能導(dǎo)致板坯的加熱質(zhì)量不好，出現(xiàn)板坯的過(guò)熱、過(guò)燒、脫碳、氧化鐵皮過(guò)厚，以及加熱溫度不均引起的上翹下曲等常見的加熱缺陷1。一般加熱爐由爐膛、燃料系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、余熱利用裝置等幾部分組成。加熱爐冷卻構(gòu)件采用汽化冷卻，由軟水箱、除氧器、汽包、循環(huán)泵及水循環(huán)管路構(gòu)成。主要是利用水變成蒸汽時(shí)吸收大量的熱量，使冷卻構(gòu)件得到充分的冷卻2。具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）用工業(yè)水冷卻時(shí)，由冷卻水帶走的熱量全部損失，而采用汽化冷卻所產(chǎn)生的蒸汽，則可供生產(chǎn)、生活

13、方面使用，甚至可以用來(lái)發(fā)電。例如，一個(gè)大型軋鋼廠四座加熱爐，其汽化冷卻裝置產(chǎn)生的蒸汽為 5060 立方米，用于發(fā)電，裝機(jī)容量可達(dá) 800010000MW。（2）采用水冷卻時(shí)，一般使用工業(yè)水，其硬度較高，容易結(jié)成水垢常使冷卻構(gòu)件發(fā)生過(guò)熱或燒壞。當(dāng)采用汽化冷卻時(shí)，一般用軟水為工質(zhì)，以避免結(jié)成水垢，從而延長(zhǎng)冷卻構(gòu)件的壽命。河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-2-（3）縱爐底管采用汽化冷卻時(shí)，其表面溫度比采用水冷卻時(shí)要高一些，這對(duì)于減輕鋼料加熱時(shí)形成的黑印，改善鋼料溫度的均勻性有一定的好處。汽化冷卻系統(tǒng)主要工作原理是軟化水由汽包通過(guò)下降管、爐底水深、上升管然后回流至汽包的不間斷流動(dòng)。下降管中流動(dòng)的是軟化水，上升管中

14、流動(dòng)的是汽水混合物，由于水的密度大于汽水混合物的密度，同時(shí)汽包本體高于爐底支撐梁，因而產(chǎn)生了滾動(dòng)壓頭，滾動(dòng)壓頭克服阻力就可形成一定流量的不間斷滾動(dòng)，這就形成自然循環(huán)。汽包中的水經(jīng)下降管道和強(qiáng)制循環(huán)水泵送至爐底水梁，在爐底水梁內(nèi)吸收熱量后變成汽水混合物，然后經(jīng)上升管道回到汽包，這樣形成密閉回路的強(qiáng)制循環(huán)。在汽包中，汽水混合物分離成水和蒸汽，蒸汽送出并進(jìn)入全廠蒸汽管網(wǎng)，水則與給水裝量補(bǔ)充的新水混合，然后重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程。自然循環(huán)不需要循環(huán)水泵，也不要設(shè)置備用水冷卻裝置，不但具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，消耗電能少，工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且在遇到突然停電時(shí)，也比較容易實(shí)現(xiàn)安全停爐。強(qiáng)制循環(huán)需要設(shè)置循環(huán)水泵

15、和備用水冷卻裝置，由于系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)不便，消耗電能多，尤其遇到突然停電時(shí)，轉(zhuǎn)換水冷卻的操作較為繁雜，容易造成停爐事故。過(guò)去，我國(guó)的加熱爐汽化冷卻裝置，大多數(shù)采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，隨著技術(shù)水平的提高，目前基本都已采用自然循環(huán)系統(tǒng)。由于汽化冷卻采用除氧軟水作為其冷卻介質(zhì)，避免了冷卻系統(tǒng)發(fā)生腐蝕、結(jié)垢、堵塞，從而延長(zhǎng)了冷卻構(gòu)件及其連接管道的壽命，減少了事故，提高了軋機(jī)作業(yè)；其次，汽化冷卻系統(tǒng)利用 194的高溫軟化水汽化過(guò)程重吸收的汽化潛熱進(jìn)行冷卻，支撐梁與冷卻水溫度都有所提高，所以相應(yīng)減少了冷卻水帶走的熱損失，同時(shí)減少了補(bǔ)水量和耗水量。氣化冷卻利用支撐梁的熱量產(chǎn)生的蒸汽并入廠區(qū)管網(wǎng)，供廠區(qū)統(tǒng)一分配使用3

16、。1.1.2 加熱爐汽包加熱爐汽包是一種非線性、時(shí)變大、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，對(duì)這種動(dòng)態(tài)特性有較大時(shí)變且非線性比較嚴(yán)重的對(duì)象，難以建立準(zhǔn)確的模型，而且汽包在運(yùn)行中，水位是經(jīng)常變化的。加熱爐汽包水位的高低直接影響加熱爐效率及設(shè)備的安全運(yùn)行，因此要時(shí)刻掌握加熱爐汽包水位情況，研究加熱爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)是非常有必要的。加熱爐汽包水位反映了加熱爐負(fù)荷與給水的平衡關(guān)系，要求汽包水位控制在一定范圍內(nèi)，以適應(yīng)各種工況的運(yùn)行。若水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，造成出口蒸汽水分過(guò)多而使過(guò)熱器管壁結(jié)垢，容易燒壞過(guò)熱器；水位過(guò)低，將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁第 1 章 緒論-3

17、-局部過(guò)熱而爆管。汽包水位過(guò)高過(guò)低的后果非常嚴(yán)重，其控制的好壞直接影響了加熱爐能否正常運(yùn)行4。影響汽包水位的因素，除了加熱汽化之外，還有蒸汽負(fù)荷和給水流量的變化所造成的影響，必須加以嚴(yán)格控制。蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對(duì)水位的影響：在傳熱過(guò)程不變的情況下，當(dāng)出口蒸汽用量突然增加，瞬間必然導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰加劇，水中氣泡迅速增加，使得汽化量突然增多，將整個(gè)水位抬高，形成假上升液位現(xiàn)象。當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象，在開始階段水位不僅不會(huì)下降，反而先上升，然后下降（反之，當(dāng)出口蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）。蒸汽流量突然增加時(shí)，實(shí)際水位的變化，是不考慮水面下氣泡容積變

18、化時(shí)的水位變化H1，與只考慮水面下氣泡容積變化所引起水位變化H2的疊加，即HH1+H2。給水流量對(duì)水位的影響：當(dāng)給水流量突然增大時(shí)，由于在這個(gè)時(shí)間內(nèi)煙道氣傳給汽包的熱量不變，給水溫度又有比汽包內(nèi)的飽和水溫度低，致使汽包中氣泡含量減少，導(dǎo)致水位虛假下降，因此當(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(lái)描述時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)5。1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論及工程應(yīng)用的發(fā)展至今已有 100 多年的歷史，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。電廠熱工系統(tǒng)更不例外主要表現(xiàn)在系統(tǒng)越來(lái)越大，高參數(shù)大容積，除

19、了對(duì)控制硬件提出了高可靠性要求之外，對(duì)控制理論也不斷提出新要求，希望能不斷解決新出現(xiàn)的控制難題，以下為自動(dòng)控制理論的發(fā)展：“經(jīng)典控制理論”階段上世紀(jì) 50 年代前發(fā)展的控制理論被稱為“古典控制理論”。它主要研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，被控對(duì)象集中于 SISO 系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論所采用的方法通常是以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為基礎(chǔ)的波德圖法和根軌跡法，包括各種穩(wěn)定性判據(jù)和對(duì)數(shù)頻率特性。“現(xiàn)代控制理論”階段60 年代以后發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代控制理論主要研究 MIMO 系統(tǒng)。系統(tǒng)可以是線性或非線性的，定?；驎r(shí)變的。它采用狀態(tài)方程代替經(jīng)典理論中的一個(gè)高階微分方程式來(lái)描述系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中各個(gè)變量均為

20、時(shí)間 t 的函數(shù)，因而屬于時(shí)域分析方法。采用狀態(tài)方程的好處可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，可以分析系統(tǒng)的本河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-4-質(zhì)。主要內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析；（2）李亞譜諾夫穩(wěn)定性理論和李亞譜諾夫函數(shù)，系統(tǒng)識(shí)別和卡爾曼濾波理論；（3）非線性系統(tǒng)控制；（4）系統(tǒng)最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制“大系統(tǒng)理論和先進(jìn)控制理論”階段前兩個(gè)階段的控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，主要討論存在數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是對(duì)于那些不具有數(shù)學(xué)模型或很難找到數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，應(yīng)用經(jīng)典控制理論的方法等無(wú)法解決。但是，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和價(jià)格的下降，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越寬，先進(jìn)控制日益發(fā)展和應(yīng)用起來(lái)

21、了。先進(jìn)控制主要包括自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、智能控制、魯棒控制等。人工智能學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制理論向著智能控制方向發(fā)展，而智能控制和具有智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)又是人工智能的一個(gè)既有廣泛應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。70 年代末開始的智能控制理論和大系統(tǒng)理論的研究與應(yīng)用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開拓，因此在控制工程界受到極大的關(guān)注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制、學(xué)習(xí)控制等。智能控制具有如下特點(diǎn)：以專家和熟練操作工人的知識(shí)為基礎(chǔ)進(jìn)行推理、判斷、預(yù)測(cè)和規(guī)劃，采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)，知識(shí)表示和自學(xué)習(xí)、推理與決策的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的綜合性求解。先進(jìn)控制離不開前兩個(gè)階段的控制理論，只是

22、把自動(dòng)控制理論推向一個(gè)更深化的嶄新階段6。1.3.PLC 的發(fā)展起源：1968 年美國(guó)通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求。1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司研制出了第一臺(tái)可編程控制器 PDP-14，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這是第一代可編程序控制器，稱 Programmable，是世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC。 1969 年，美國(guó)研制出世界第一臺(tái) PDP-14 1971 年，日本研制出第一臺(tái) DCS-8 1973 年，德國(guó)研制出第一臺(tái) PLC 1974 年，中國(guó)研制出第一臺(tái) PLC 發(fā)展：20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可

23、編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái)后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（PLC） 。 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)第 1 章 緒論-5-已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20 世紀(jì) 80 年代初，

24、可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 3040%。在這時(shí)期，PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工

25、業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易?？删幊炭刂破魇前凑沼脩舻目刂埔缶帉懗绦騺?lái)進(jìn)行工作的，程序的編制就是用一定的編程語(yǔ)言把一個(gè)控制任務(wù)描述出來(lái)。PLC 采用的編程語(yǔ)言基本有四種：梯形圖，指令表，邏輯功能圖和高級(jí)語(yǔ)言。絕大部分 PLC 是使用梯形圖和指令表編程。西門子 SIMATIC 編程語(yǔ)言編寫用戶程序時(shí)，軟件平臺(tái) STEP7中包含下列語(yǔ)言的程序編輯器：梯形邏輯（LAD） 、功能塊圖（FBD）和語(yǔ)句表(STL)。就目前 PLC 的基本控制結(jié)構(gòu)與模式講7，根據(jù)控制的不同要求一般分為四種類型：（1）單機(jī)控制系統(tǒng) 采用一臺(tái) PLC 控制一臺(tái)控制設(shè)備和存儲(chǔ)器容量比較小，控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單明了。圖 1.1 是典型

26、的單機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，任何類型PLC 都可選擇，但不宜將 PLC 的功能和 I/O 點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量的裕量選擇過(guò)大。這種控制模式一般是用于控制簡(jiǎn)單的小型系統(tǒng)。 （2）集中控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)采用一臺(tái) PLC 控制多臺(tái)被控設(shè)備的形式。該控制系統(tǒng)多用于各種控制對(duì)象所處的地理位置比較接近且相互之間動(dòng)作輸入/輸出 PLC控制對(duì)象圖 1.1 單機(jī)控制系統(tǒng)河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-6-有一定聯(lián)系的場(chǎng)合。如果控制對(duì)象地理位置比較遠(yuǎn)，而且大多數(shù)的輸入輸出都要引入控制器，這需要大量的電纜線，施工量也大，系統(tǒng)成本增大，在這種場(chǎng)合，推薦使用遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)。圖 1.2 是集中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它比上一個(gè)圖的單機(jī)控制

27、系統(tǒng)要經(jīng)濟(jì)的多。PLC控制對(duì)象控制對(duì)象控制對(duì)象輸入/輸出圖 1.2 集中控制系統(tǒng)但是當(dāng)某一個(gè)控制對(duì)象的控制程序需要改變時(shí)，必須停運(yùn)控制器，其他的控制對(duì)象必須停止運(yùn)行，這是集中控制系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)。因此，該控制系統(tǒng)用于有多臺(tái)設(shè)備組成的流水線上比較合適。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備停運(yùn)時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)線都必須停運(yùn)，從經(jīng)濟(jì)上的考慮是有利的。采用集中控制系統(tǒng)時(shí)，必須注意將 I/O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)容量選擇裕量大些，以便增設(shè)控制對(duì)象。（3）分散控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示。在許多分散控制系統(tǒng)中，每一臺(tái) PLC 控制一個(gè)對(duì)象，各控制器之間可以通過(guò)信號(hào)傳遞加以溝通聯(lián)系，或上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。上位機(jī)PLC-A

28、PLC-BPLC-C控制對(duì)象控制對(duì)象控制對(duì)象圖 1.3 分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)多用于多條機(jī)械生產(chǎn)線的控制，各條生產(chǎn)線間有數(shù)據(jù)連接。由于各控制對(duì)象都由自己的 PLC 控制，當(dāng)某一臺(tái) PLC 停運(yùn)時(shí)，不需要停運(yùn)其第 1 章 緒論-7-他 PLC。該控制方式與集中控制系統(tǒng)具有相同 I/O 點(diǎn)數(shù)時(shí)，雖然分散式多用了一臺(tái)或幾臺(tái) PLC，導(dǎo)致價(jià)格偏高，但從維護(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)或增設(shè)控制對(duì)象等方面看，極大的增加了系統(tǒng)控制的柔韌性。（4）遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng) 遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)（RIOS）就是 I/O 模塊不是與 PLC 放在一起，而是遠(yuǎn)距離的放在被控設(shè)備附近。RISO 就是提供可應(yīng)用同一個(gè)系統(tǒng)與其他 I/O

29、產(chǎn)品相聯(lián)接的能力，通常需要經(jīng)過(guò) RISO 適配器與相應(yīng)的I/O 相連接。遠(yuǎn)程 I/O 通道與控制器之間通過(guò)同軸電纜連接傳遞信息。由于不同企業(yè)的不同型號(hào)的 PLC 所能驅(qū)動(dòng)的同軸電纜長(zhǎng)度是不同的，選擇時(shí)必須按控制系統(tǒng)的需要選用。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，某種型號(hào) PLC 雖能滿足所需的功能和要求，但又由于能驅(qū)動(dòng)同軸電纜長(zhǎng)度的限制而不得不改用其它型號(hào) PLC。圖 1.4 是遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)的構(gòu)成，其中使用 3 個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 通道和一個(gè)本地 I/O 通道。PLC控制對(duì)象控制對(duì)象控制對(duì)象控制對(duì)象本地 I/O 通道圖 1.4 遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)如前所述，遠(yuǎn)程 I/O 通道適用于控制對(duì)象遠(yuǎn)離控制的場(chǎng)合。一個(gè)

30、控制系統(tǒng)需設(shè)置多少個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 通道（站）要視控制對(duì)象的分散程度和距離而定，同時(shí)易受所選控制器所能驅(qū)動(dòng)的 I/O 通道數(shù)的限制。在上述的系統(tǒng)介紹過(guò)程中，DCS 控制系統(tǒng)有許多的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要本控制系統(tǒng)采用 DCS 控制系統(tǒng)，以 PLC 為主要組成部分，根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要設(shè)計(jì)如下控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組態(tài)如圖 1.5 所示。一個(gè)合理的自動(dòng)控制方案，不僅要有正確的檢測(cè)和控制方法，而且選擇和使用各種自動(dòng)化儀表。在加熱爐汽化冷卻包 PLC 控制系統(tǒng)中溫度、壓力、流量三大參數(shù)及其重要，這就要求我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中必須準(zhǔn)確地獲得他們的瞬時(shí)值，因此儀表選型也是個(gè)重要的環(huán)節(jié)。河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)

31、院-8-圖 1.5 分散控制系統(tǒng)總體硬件圖1.4 與課題相關(guān)的控制系統(tǒng)與課題相關(guān)的控制系統(tǒng)1.4.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于“串級(jí)” ，它把兩個(gè)或兩個(gè)以上的單回路控制系統(tǒng)以一定的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)在一起。即由兩臺(tái)控制器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)控制閥，從而使工藝生產(chǎn)的主要參數(shù)達(dá)到更好的控制效果。1）主回路的選擇主回路的選擇就是確定主變量。即凡能夠直接或間接地反映生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)量質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性或者安全性能的參數(shù)都可被選用為主變量。2）副回路的選擇副回路的選擇也就是確定副變量。由于串級(jí)控制系統(tǒng)的種種特點(diǎn)主要來(lái)源于它的副環(huán)，因此，副環(huán)的設(shè)計(jì)好壞決定著整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。在確定主變量之后，副

32、變量的選擇一般應(yīng)遵循下面幾條原則：（1）主副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即通過(guò)調(diào)整副變量能有效的影響主變量。（2）副回路應(yīng)包括主要的和更多的干擾。（3）主副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配。PLC 主站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備DCS 上位系統(tǒng)DCS 下位系統(tǒng)PLC300PLC200現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備第 1 章 緒論-9-（4）應(yīng)考慮工藝上的合理性和可能性。3）主副控制器的選擇控制器的選擇包括控制器的選型即控制作用的選擇和正反作用的選擇兩部分內(nèi)容。（1）控制作用的選擇對(duì)主變量的控制品質(zhì)要求高，因而主控制器宜選 PI 控制作用。有時(shí)為了克服對(duì)象的容量滯后，進(jìn)一步提高主變量的控制質(zhì)量，則應(yīng)加入微分作用，即選擇 PID 作用。對(duì)于副控制器，因?qū)Ω弊兞?/p>

33、的控制品質(zhì)要求不高，一般選擇 P 作用就行了。（2）正反作用方式的選擇正反作用方式確定的基本原則是保證系統(tǒng)為負(fù)反饋。首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選定控制閥的氣開氣關(guān)形式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和控制閥的形式?jīng)Q定副控制器的正反作用方式；最后再根據(jù)主副參數(shù)的關(guān)系，決定主控制器的正反作用方式。1.4.2 前饋前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)介紹反饋復(fù)合控制系統(tǒng)介紹前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)指的是系統(tǒng)中既有針對(duì)主要擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆伩刂?，又存在?duì)被調(diào)量采用反饋控制以克服其它的擾動(dòng)信號(hào)，這樣的控制系統(tǒng)就是前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。復(fù)合控制是指系統(tǒng)中存在兩種不同的控制方式，即前饋控制和反饋控制； 前饋控制的作用是對(duì)主要的擾動(dòng)信

34、號(hào)進(jìn)行完全補(bǔ)償，可以針對(duì)主要的擾動(dòng)信號(hào)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的前饋控制器； 引入反饋控制，是為了使系統(tǒng)能克服所有擾動(dòng)信號(hào)對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生的影響；因?yàn)槌艘阎闹饕臄_動(dòng)信號(hào)以外，系統(tǒng)中還存在其它的擾動(dòng)信號(hào)，這些擾動(dòng)信號(hào)對(duì)被調(diào)量的影響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們根本就考慮不到或無(wú)法測(cè)量，都通過(guò)反饋控制加以克服；系統(tǒng)中需要測(cè)量的信號(hào)既有被調(diào)量，又有擾動(dòng)信號(hào)。前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)主要由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：(1) 擾動(dòng)信號(hào)測(cè)量變送器：對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電信號(hào)；(2) 被調(diào)量測(cè)量變送器：對(duì)被調(diào)量進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電信號(hào)；(3) 前饋控制器：對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行完全補(bǔ)償； (4) 調(diào)節(jié)器：反饋控制調(diào)節(jié)器

35、，對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)；(5) 執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；(6) 擾動(dòng)通道對(duì)象：擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)該通道對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生影響；(7) 控制通道對(duì)象：調(diào)節(jié)量通過(guò)該通道對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)；河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-10-其特點(diǎn)是系統(tǒng)綜合了反饋控制和前饋控制的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們的缺點(diǎn)，因而前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用；引入前饋補(bǔ)償沒有影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；很顯然，前饋無(wú)論加在什么位置，它都不構(gòu)成閉合回路，系統(tǒng)的特征式保持不變，因而不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。引入反饋控制后，前饋控制中的完全補(bǔ)償條件并沒有改變8。1.5 本章小結(jié)本章主要分析了課題的背景和意義，包括對(duì)加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)、加熱爐汽包特性的概述。并對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展、P

36、LC 的發(fā)展史進(jìn)行介紹，強(qiáng)調(diào)了自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛性，最后把與課題相關(guān)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了講解。第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r-11-第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2.1 汽包水位經(jīng)典控制策略加熱爐汽包是加熱爐的重要設(shè)備之一，它的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的連續(xù)性、安全性以及生產(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響9。如圖2.1為一個(gè)加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：汽包水位控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是維持加熱爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)。汽包水位的控制手段就是控制給水，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高加熱爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。汽包水位經(jīng)典控制策略主要有三種模式：?jiǎn)螞_量控制模式、雙沖量水位控制模式及三沖

37、量水位控制模式。2.1.1 單沖量水位控制系統(tǒng)它只通過(guò)檢測(cè)汽包水位來(lái)控制給水量。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，以維持加熱爐汽包的物料平衡，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，送水量反而減少，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)很厲害，甚至?xí)蛊畧D 2.1 加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-12-位降到危險(xiǎn)程度，以至發(fā)生事故。圖 2.2 單沖量控制系統(tǒng)LC蒸汽LT給水2.1.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將蒸汽流量信號(hào)引入構(gòu)成雙沖量水位控制模式，監(jiān)測(cè)汽包水位、蒸汽流量，將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，與

38、汽包水位組成前饋反饋控制方式。在汽包水位的控制中，最主要的干擾是負(fù)荷的變化。將蒸汽流量信號(hào)引入就可根據(jù)蒸汽流量來(lái)起校正作用，糾正假水位引起的誤動(dòng)作，使控制閥的動(dòng)作十分及時(shí)，從而減少水位的波動(dòng)，改善控制品質(zhì)。第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r-13-LCFT給水蒸汽圖 2.3 雙沖量控制系統(tǒng)FCLT2.1.3 三沖量水位控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個(gè)缺點(diǎn)：控制閥的工作特性不一定成為線性，要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；對(duì)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(hào)，構(gòu)成三沖量水位控制模式。此模式監(jiān)測(cè)汽包水位、蒸汽流量、給水流量的變化后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)能有效地克服假液面和給水干擾對(duì)控

39、制系統(tǒng)的影響，提高控制系統(tǒng)的性能，改善高壓汽包的運(yùn)行狀況，使高壓汽包的水位波動(dòng)很小，水位控制相對(duì)平穩(wěn)10。由于加熱爐水位系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用以上三種控制系統(tǒng)。單沖量控制模式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(shí)間較長(zhǎng)，假水位現(xiàn)象不顯著的小型加熱爐汽包。雙沖量水位控制系統(tǒng)可以及時(shí)糾正負(fù)荷干擾下的假水位引起的調(diào)節(jié)閥的誤動(dòng)作，減少汽包水位的波動(dòng)，但是仍不能克服給水流量的干擾。三沖量水位控制系統(tǒng)克服了上述缺點(diǎn)，對(duì)于給水的擾動(dòng)也能夠及時(shí)克服，并且在蒸汽流量和給水流量共同影響下，能得到令人滿意的控制效果11。河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)

40、院-14-2.2 先進(jìn)控制策略的發(fā)展2.2.1 預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)函數(shù)控制由Richalet 和Kuntze 等人提出，并成功地應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的快速高精度控制。PFC把控制結(jié)構(gòu)的輸入作為關(guān)鍵，可以克服其他模型預(yù)測(cè)控制可能出現(xiàn)規(guī)律不明的控制輸入問(wèn)題，同時(shí)具有良好的跟蹤能力、較強(qiáng)的魯棒性，抑制干擾能力好。PFC應(yīng)用到加熱爐汽包汽包水位控制系統(tǒng)，并考慮負(fù)荷變化對(duì)汽包水位的影響，將蒸汽流量信號(hào)引入到PFC的預(yù)測(cè)模型中， 用具有對(duì)負(fù)荷變化前饋補(bǔ)償?shù)钠幌到y(tǒng)預(yù)測(cè)函數(shù)控制策略。仿真結(jié)果表明，采用該新型汽包水位系統(tǒng)控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)和很強(qiáng)的魯棒性。汽包水位控制系統(tǒng)如圖2.4所示。與常規(guī)PID- P

41、ID串級(jí)控制的不同之處在于，圖2.4中用PFC代替了常規(guī)外環(huán)的PID控制器。 H測(cè)量擾動(dòng) PFCCt(s)kZCw(s)nDnGrGkTrDrHCd(s)蒸汽流量給水流量廣義受控對(duì)象一一Ho圖 2.4 三沖量汽包水位的 PFC-PID 控制框圖圖中， H， H0 分別代表汽包水位及其給定值;Gw ( s) ， Gd ( s) 分別為給水流量和蒸汽流量對(duì)汽包水位的傳遞函數(shù);PFC ，Gc ( s) 分別為預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法和PID;PFC ，Gc ( s) 分別為預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法和PID控制器;rD ， rG ， rH 分別為蒸汽流量、給水流量和汽包水位測(cè)量變送器的傳遞系數(shù);nD ， nG 分別為

42、蒸汽流量和給水流量的分壓系數(shù);Kz ， Kf 分別為執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門的特性系數(shù)。第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r-15-該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： (1) 該方法綜合了預(yù)測(cè)控制、串級(jí)控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)。給水流量的擾動(dòng)在內(nèi)回路得以迅速消除，而蒸汽流量外擾及系統(tǒng)參數(shù)的變化主要由PFC的強(qiáng)魯棒性來(lái)保證; (2) 采用PFC- PID串級(jí)控制策略的水位系統(tǒng)，與傳統(tǒng)PID- PID串級(jí)控制相比，在參數(shù)整定上要簡(jiǎn)單得多，相對(duì)于以往的模型預(yù)測(cè)控制，主要只有2 個(gè)參數(shù)需要整定：參考軌跡時(shí)間常數(shù)一般取為主通道對(duì)象模型時(shí)間常數(shù)的1/ 10 ，1/ 5 即可。仿真研究表明，這2 個(gè)參數(shù)的取值自由度很大，對(duì)控制效果影響卻很小，而

43、對(duì)于傳統(tǒng)的PID-PID串級(jí)控制，PID的參數(shù)略有改變則對(duì)控制效果影響甚大，因而其調(diào)試工作量很大。雖然PFC- PID控制需要確定預(yù)測(cè)模型，但對(duì)模型的精度要求不是很高; (3) 預(yù)測(cè)函數(shù)控制以其采用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型而得到運(yùn)算量很小的簡(jiǎn)單算法，因而易于在廣泛使用的DCS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和在對(duì)象特性變化情況下有很強(qiáng)的魯棒性因而完全能夠滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，從而其具有良好的應(yīng)用前景。模型預(yù)測(cè)控制(MPC)或稱后退時(shí)域控制(RHC)是一類特殊的控制。它的當(dāng)前控制作用是在每個(gè)采樣瞬間通過(guò)求解一個(gè)有限時(shí)域開環(huán)最優(yōu)控制問(wèn)題而獲得12。過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)作為最優(yōu)控制問(wèn)題的初始狀態(tài)，解得的最優(yōu)控制序列只實(shí)施

44、第一個(gè)控制作用，這是它與那些使用預(yù)先計(jì)算的控制率的常規(guī)控制方法的最大不同。各種不同的模型預(yù)測(cè)控制它們的結(jié)構(gòu)基本上是相同的，應(yīng)用到汽包水位控制系統(tǒng)就如圖2.5所示。進(jìn)水蒸汽流量汽包干擾模型預(yù)測(cè)控制器最優(yōu)化算法觀測(cè)器加熱爐汽包水位對(duì)象模型預(yù)測(cè)控制首先需要得到加熱爐汽包水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性模型，由于加熱爐汽包動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜，不易從理論上直接求取，所以目前主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)獲得。在對(duì)象特性測(cè)試中，施加擾動(dòng)的形式主要有階躍擾動(dòng)和脈沖擾圖 2.5 模型預(yù)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)水位河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-16-動(dòng)，在加熱爐汽包運(yùn)行過(guò)程中， 出現(xiàn)的許多擾動(dòng)接近于階躍變化。如：進(jìn)水閥門突然開大或關(guān)小，蒸汽負(fù)荷突然增加或減

45、小等，由于階躍信號(hào)既典型又便于實(shí)現(xiàn)，因此加熱爐汽包動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中，輸入信號(hào)常常采用階躍變化的形式。優(yōu)點(diǎn)：模型預(yù)測(cè)控制能大大提高對(duì)象的響應(yīng)速度，極大地提高控制質(zhì)量。2.2.2 模糊控制在汽包水位控制中，模糊控制是主要控制策略之一，模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯理論為基礎(chǔ)的一類計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法。模糊集合論是20世紀(jì)60年代中期由L. A. Zadeh提出的。此后，模糊數(shù)學(xué)得到迅速發(fā)展，形成了一系列比較完整的基礎(chǔ)理論。模糊集合的引入，使得人們有可能用比較簡(jiǎn)單的方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)做出合乎實(shí)際的、符合人類思維方式的處理。1973年，L . A. Zadeh繼續(xù)豐富和發(fā)展了模糊集合論，提出了

46、一種把邏輯規(guī)則的語(yǔ)言表達(dá)轉(zhuǎn)化成相關(guān)控制量的思想，從而為模糊控制的形成奠定了理論基礎(chǔ)。模糊控制方法與通常系統(tǒng)分析所用的定量方法有著本質(zhì)的區(qū)別。它有如下3個(gè)主要特點(diǎn)：(1) 用語(yǔ)言變量代替數(shù)學(xué)變量或者兩者結(jié)合應(yīng)用; (2) 用模型條件語(yǔ)句來(lái)刻劃變量間的函數(shù)關(guān)系; (3) 用模糊算法來(lái)刻劃復(fù)雜關(guān)系13。工業(yè)加熱爐汽包汽包水位模糊控制系統(tǒng)通常是由汽包、水位變送器、模糊控制器(一般由微機(jī)組成) 和進(jìn)水調(diào)節(jié)閥等部件組成。當(dāng)汽包水位連續(xù)變化時(shí)，水位變送器信號(hào)也不斷改變，由此測(cè)定值和水位給定值進(jìn)行比較，得出其誤差量。經(jīng)采樣和A/ D轉(zhuǎn)換，送入模糊控制器，模糊控制器的輸出控制量經(jīng)D/ A轉(zhuǎn)換， 與信號(hào)功率放大器

47、控制給水閥門，從而改變進(jìn)水量，保持水位在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。模糊控制的特點(diǎn)：(1)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，可以不要求知道對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，但要對(duì)受控對(duì)象的特性有充分了解，是以現(xiàn)場(chǎng)操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)的總結(jié)和歸納而建立知識(shí)模型的; (2)用語(yǔ)言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，或兩者結(jié)合運(yùn)用，來(lái)構(gòu)造形成專家的知識(shí)庫(kù); (3)控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于常規(guī)控制難以解決的非線性、時(shí)變性、多層次、多干擾的滯后系統(tǒng)(汽包水位具有這樣的性質(zhì)) 。應(yīng)用在汽包水位控制上存在的缺點(diǎn)有：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整定困難、仍舊存在誤差;模糊控制規(guī)則的制訂，依賴于人們的操作經(jīng)驗(yàn)，往往帶有很大的主觀片面性; 控制規(guī)則旦確定，在控制過(guò)程中就不會(huì)

48、改變;普通模糊控制由于在模糊量化過(guò)程中的信息丟失和制定模糊規(guī)則時(shí)人為因素的制約，必然會(huì)影響到控制的精度;過(guò)多的規(guī)則數(shù)目使得其推理過(guò)程較為繁瑣;最后加熱爐汽包現(xiàn)場(chǎng)其他一些隨機(jī)干擾、噪音、過(guò)程時(shí)變性等等因素，有時(shí)會(huì)造成控制規(guī)則較粗糙，而影響控制品質(zhì)。第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r-17-2.2.3 自適應(yīng)控制 自校正控制(STC)系統(tǒng)是自適應(yīng)控制系統(tǒng)的一種，自校正系統(tǒng)是由受控對(duì)象、參數(shù)辨識(shí)器和控制器等3部分組成。在工業(yè)過(guò)程控制中，當(dāng)被控對(duì)象是時(shí)變的或者有很強(qiáng)的非線性時(shí)，用常規(guī)的PID控制不能得到良好的控制效果，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)的PID不能在線實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)的緣故，而自校正控制系統(tǒng)中，受控對(duì)象的初始不確定性及

49、因受到隨機(jī)干擾而引起的參數(shù)變化，可以通過(guò)對(duì)受控對(duì)象參數(shù)和狀態(tài)的不斷在線估計(jì)得到正確反映，也就是說(shuō)STC可以在線實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到較好的控制效果?？刂品桨笧椋翰捎米孕Ｕ刂破鞣謩e控制主汽壓力和水位;主汽壓力控制和水位控制中的外擾和通道引入隨即干擾信號(hào)，并且對(duì)外擾加入前饋控制;控制通道中考慮飽和非線性、死區(qū)非線性。系統(tǒng)特點(diǎn)是：自校正控制器對(duì)于那些存在著隨機(jī)干擾、對(duì)輸入響應(yīng)有遲后、過(guò)程特性具有一定非線性的比較復(fù)雜的對(duì)象有很好的控制效果。缺點(diǎn)：自校正控制器的算法比較復(fù)雜。PID參數(shù)的自整定是為了提高PID調(diào)節(jié)器的適應(yīng)能力，將自適應(yīng)技術(shù)和PID調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生了自校正PID調(diào)節(jié)器。這里采用相關(guān)系數(shù)辨

50、識(shí)法來(lái)在線調(diào)節(jié)PID 參數(shù)。相關(guān)系數(shù)辨識(shí)法的過(guò)程為：采集所要整定回路閉環(huán)運(yùn)行時(shí)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，用采集的實(shí)際輸入數(shù)據(jù)激勵(lì)選用的模型，計(jì)算實(shí)際輸出與模型輸出的相關(guān)系數(shù)，不斷調(diào)整模型參數(shù)，搜索對(duì)應(yīng)于相關(guān)系數(shù)最大值的數(shù)學(xué)模型，再在此模型的基礎(chǔ)上按照二次型性能指標(biāo)設(shè)計(jì)最優(yōu)的PID控制器。此過(guò)程在系統(tǒng)運(yùn)行中不斷在線進(jìn)行。參數(shù)整定流程圖如圖2.6所示，圖中SP和PV分別表示控制過(guò)程的設(shè)定值和測(cè)量值，OP表示控制器的輸出。圖 2.6 相關(guān)系數(shù)法辨別 PID 參數(shù)被控過(guò)程OPPV參考模型相關(guān)系數(shù)SPPID 控制器河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-18-參考模型為供選擇的過(guò)程對(duì)象的可能的數(shù)學(xué)描述，每一種參考模型都可以用有限

51、的幾個(gè)參數(shù)確定，若一個(gè)參考模型是對(duì)一個(gè)實(shí)際過(guò)程的比較好的描述，則在相同的控制序列作用下，模型輸出序列和實(shí)際過(guò)程輸出序列的子樣相關(guān)系數(shù)最大。求得最大的相關(guān)系數(shù)后，采用Hooke -Jeeve模式搜索法來(lái)尋求最優(yōu)的PID參數(shù)。實(shí)際運(yùn)算中，要設(shè)定3個(gè)PID參數(shù)的上、下限(缺省值為控制系統(tǒng)PID參數(shù)的上、下限) ，而Hooke -Jeeve搜索的初值可以取PID參數(shù)上、下限內(nèi)的任意數(shù)值。引入PID自整定是因?yàn)椴捎萌龥_量串級(jí)控制系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)整好以后，控制效果較好，但過(guò)了一段時(shí)間或者工況改變后，效果變差。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、魯棒性強(qiáng)，特別是無(wú)需開環(huán)運(yùn)行，一般不需要施加擾動(dòng)信號(hào)，比較適合

52、工業(yè)過(guò)程控制。目前，國(guó)內(nèi)外汽包水位控制策略采用三沖量控制、模糊控制及PID自校準(zhǔn)與自調(diào)整的比較多，特別是前兩種，其中模糊控制主要是朝智能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制與智能控制的結(jié)合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等。主要解決的問(wèn)題是：規(guī)則的完整性、規(guī)則的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性; PID自調(diào)整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行自調(diào)整;預(yù)測(cè)函數(shù)控制、廣義預(yù)報(bào)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制等基于模型的控制方法發(fā)展的比較少，具體在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)用的則更少;前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，引入汽包水位噪聲的因素，并基于這些控制策略開發(fā)新的控制策略將是項(xiàng)很有意義的工作，也是可行的14。2.3 本章小

53、結(jié)本章主要對(duì)國(guó)內(nèi)外的汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了講解，包括對(duì)現(xiàn)階段汽包水位經(jīng)典控制策略中的單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量水位控制系統(tǒng)和三沖量水位控制系統(tǒng)的介紹。并對(duì)先進(jìn)控制策略的發(fā)展中的預(yù)測(cè)控制、模糊控制和自適應(yīng)控制進(jìn)行了說(shuō)明。最后對(duì)國(guó)內(nèi)外的汽包水位控制策略存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提出了自己的意見。第 3 章 汽包水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)-19-第 3 章 汽包水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1 方案分析軋鋼加熱爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)采用：（1）三沖量水位控制系統(tǒng)，即將汽包水位作為主控，蒸汽流量、給水流量作為輔助控制，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，給水流量作為控制器的反饋信號(hào)，以及液位控制器 LC（主

54、調(diào)節(jié)器）與流量控制器 FC（副調(diào)節(jié)器）構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)組成前饋串級(jí)反饋控制方式。主回路實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應(yīng)負(fù)荷和水位要求。如圖 3.1 所示，為三沖量水位控制流程圖；圖 3.2 為控制過(guò)程方框圖。LCF1T給水蒸汽圖 3.1 三沖量水位控制流程圖F1CF2CLT河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-20-液位給定值圖 3.2 控制過(guò)程方框圖副控制器給水調(diào)節(jié)閥主控制器汽包給水流量變送器蒸汽流量變送器液位變送器+-（2）報(bào)警系統(tǒng)，利用 PLC 控制器，在三沖水位控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)用報(bào)警器發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。（3）另外選用電接點(diǎn)電致發(fā)光水位計(jì)測(cè)量水位，提供一個(gè)數(shù)字量信號(hào)，可以直觀水位的情況，連

55、接報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)在線觀測(cè)與報(bào)警的功能。與三沖量水位控制系統(tǒng)共同工作，形成雙系統(tǒng)。該方案的示意圖如下圖 3.3 所示：h電接點(diǎn)電致發(fā)光片測(cè)量桶汽包圖 3.3 水位計(jì)方案示意圖該方案測(cè)量水位時(shí)，首先用測(cè)量桶將加熱爐汽包或其他容器的水位引出，然后再測(cè)量桶上安裝幾層電接點(diǎn)，電接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)原理是中間部分為一根金屬芯，外層做成用于固定的金屬螺絲，兩層之間用陶瓷固定、絕緣，則當(dāng)該電接點(diǎn)被第 3 章 汽包水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)-21-水淹沒時(shí)，中間金屬芯與外層金屬螺絲導(dǎo)電，將其作為電致發(fā)光片的導(dǎo)電開關(guān)，那么就形成有水時(shí)發(fā)光片點(diǎn)亮，無(wú)水時(shí)發(fā)光片就熄滅，從而實(shí)現(xiàn)水位的測(cè)量。3.1.1 控制過(guò)程在穩(wěn)定狀態(tài)下，液位測(cè)量信號(hào)

56、為給定值，液位控制器的輸出，蒸汽流量及給水流量三個(gè)信號(hào)通過(guò)加法器得到輸出電流。若在某一時(shí)刻，蒸汽負(fù)荷突然增加，蒸汽流量變送器的輸出電流增加，加法器的輸出電流減少，從而會(huì)開大給水調(diào)節(jié)閥，與此同時(shí)出現(xiàn)了虛假液位現(xiàn)象，液位調(diào)節(jié)器輸出電流將增大。由于進(jìn)入加法器的兩個(gè)信號(hào)相反，蒸汽流量變送器的輸出電流會(huì)抵消一部分虛假液位輸出電流，所以虛假液位所帶來(lái)的影響將局部或全部被抵消15。待虛假液位過(guò)去，水位開始下降，液位調(diào)節(jié)器輸出電流開始減小，此時(shí)它與蒸汽流量信號(hào)變化的方向相反，因此加法器的輸出電流減小，此時(shí)要求增加給水量以適應(yīng)新的負(fù)荷需要并補(bǔ)充液位的不足。調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行到液面重新穩(wěn)定在給定值，給水量和蒸發(fā)量達(dá)到新

57、的平衡為止。當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，給水量本身因壓力波動(dòng)而變化時(shí)，加法器的輸出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)閥門開度直至給水量恢復(fù)到所需的數(shù)值為止。由于引進(jìn)了蒸汽流量和給水流量?jī)蓚€(gè)輔助沖量，起到了“超前信號(hào)”的作用，使給水閥一開始就向正確的方向移動(dòng)，因而可減小液位的波動(dòng)幅度，抵消虛假液位的影響，并可縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。報(bào)警系統(tǒng)由報(bào)警事件服務(wù)器和報(bào)警事件信息管理軟件兩部分構(gòu)成，由報(bào)警事件服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，一旦出現(xiàn)給定的報(bào)警或其他事件，便將該報(bào)警事件信息通知報(bào)警事件信息管理器進(jìn)行記錄，并觸發(fā)相應(yīng)的響應(yīng)。設(shè)定 4 個(gè)汽包水位給定值，最高和最低水位為給水系統(tǒng)正常情況下的限定值，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在給水超過(guò)最高水位時(shí)依然沒有停

58、止給水，那么在此設(shè)定一個(gè)合適的界限，水位達(dá)到此界限，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)；同理，在蒸汽過(guò)多而使水位達(dá)到最低限時(shí)水泵依然沒有供水，在此設(shè)定一個(gè)比最低適當(dāng)?shù)偷慕缦蓿竭_(dá)此界限時(shí)報(bào)警。操作人員可通過(guò)確認(rèn)按鈕解除音響報(bào)警信號(hào)。3.2 硬件設(shè)計(jì)3.2.1 PLC 的硬件選型PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是指硬件選型。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多生產(chǎn)廠家提供了多種系列、功能各異的 PLC 產(chǎn)品，已有幾十個(gè)系列、幾百種型號(hào)。PLC 品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、I/O 點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)器容量、運(yùn)算速河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院-22-度、指令系統(tǒng)、編程方法和價(jià)格等各有不同，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對(duì)提高 PLC

59、 控制系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用：1）PLC 機(jī)型選擇機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比。具體應(yīng)考慮的因素如下所述：(1)結(jié)構(gòu)合理對(duì)丁工藝過(guò)程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場(chǎng)合，選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC；否則，選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC。(2)功能強(qiáng)、弱適當(dāng)對(duì)于以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目，可選用含 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和含有 D/A 轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，以及具有加減乘除運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸功能的低檔 PLC。如西門子公司的 S7-300 或 S7-400。(3)機(jī)型統(tǒng)一PLC 的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式

60、兩種。整體式結(jié)構(gòu)把 PLC 的 I/O 和 CPU放在塊印刷電路板上，并封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省了插接環(huán)節(jié)，因此體積小、價(jià)格便宜。但由于整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 功能有限，只適用于控制要求比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。 般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結(jié)構(gòu)，這樣功能易擴(kuò)展，比整體式靈活16。一個(gè)大型企業(yè)選用 PLC 時(shí)，盡量要做到機(jī)型統(tǒng)一。對(duì)于同一機(jī)型的 PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購(gòu)和管理；另外，功能及編程方法統(tǒng)一，有利于處術(shù)人員的培訓(xùn)；其外部設(shè)備通用也有利于資源共享。若配備了上位計(jì)算機(jī)，可把各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺(tái) PLC 聯(lián)成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，相互通信，集中協(xié)調(diào)管理。(4)是否在線編程PLC 的特點(diǎn)之是使