锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究.doc
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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说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
2、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
3、,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 日注 意 事 项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论
4、文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告
5、、外文译文、译文原文(复印件)次序装订3)其它锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究摘 要锅炉是化工、发电、炼油、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。因此,对锅炉设备的自动控制系统进行分析研究就显得尤为重要。锅炉汽包液位控制是锅炉生产过程中最重要的环节。锅炉的大部分事故是由汽包液位控制不当而引起的,由于受到蒸汽负荷干扰而产生虚假液位,使控制器反向动作,进而引发汽包液位的大幅振动。本文针对锅炉汽包液位的动态特性,研究FUZZY-PID控制在锅炉汽包液位控制中的应用。传统的锅炉汽包液位三冲量控制系统大都采用PID控制。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型,只需要操作人员的经验知
6、识及操作数据,鲁棒性强,适合用于非线性、滞后系统的控制,但其静态性能不能令人满意,限制了它的应用。为消除模糊控制的稳态误差,本文将FUZZY-PID引入锅炉汽包液位的三冲量控制中,并利用Simulink分别在设定值及干扰作用下对控制系统进行仿真,结果表明,较之单纯的模糊控制和常规PID控制,这种控制效果较为理想,可满足锅炉的汽包液位控制要求。关键词:汽包液位;PID控制;糊控控制;FUZZY-PID控制;仿真 The design and imitate resesrch of intellectual control system of boiler drum water levelAbst
7、ractThe boiler is absolutely necessary significant power plant of industry productions process such as the chemical industry,heatedible oil,generation of electrical energy,papermaking and refines sugar and so onSo,it is especially important to analyze and research the automatic control in the boiler
8、 installationSegment that the boiler drum water level control is the most significant in the process of boiler productionThe most accidents of boiler were caused by the unfit control of drum water level,which was due to the interference of steam to the drum,causing the false water level,making the r
9、eaction of controller,then arousing the large margin vibration of the drum water levelAccording to the feather of the drum water level,we research the using of the fuzzy-pid compound control in the boiler drum water level control systemThe traditional control mode of three-variable in the drum water
10、 level mostly uses PIDThe fuzzy control does not need precise mathematical model of the controlled object,it only needs the experience of operator and the data of operating,it has good robustness and is fit to control the system with nonlinearity and time lag,but its static characteristic is dissati
11、sfied,which limits its applicationIt is usual mode of three-variable drum water level in order to eliminate the static error that using fuzzy-PID control,and the simulation with the action of setting value and noiseThe result of simulation indicates that the effect of control improves comparing with
12、 simple fuzzy control and traditional PID control,which can satisfy the control requirement of the drum water levelKey words:drum water level;PID control;fuzzy control;fuzzy-PID control;simulation内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)目 录锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究I摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 课题背景与意义11.2 锅炉控制的研究现状31.3 本文的主要研究内容
13、5第二章 控制理论分析62.1 PID控制理论62.2 模糊控制理论82.2.1 模糊控制理论的起源与发展82.2.2 模糊控制的基本思想92.2.3 模糊控制系统的组成112.2.4 模糊控制器的设计122.2.5 模糊论域、量化因子和比例因子的选择162.2.6 模糊控制的主要优点172.2.7 模糊控制存在的问题182.3 模糊-PID控制182.3.1 模糊自适应PID原理简介182.3.2 多模态模糊-PID控制原理192.3.3 多模态模糊-PID控制系统实现19第三章 锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析203.1 汽包液位的动态特性203.1.1 汽包液位在给水流量作用下的动态特
14、性203.1.2 汽包液位在蒸汽流量作用下的动态特性223.2 锅炉汽包液位控制233.2.1 单冲量控制系统243.2.2 双冲量控制系统253.2.3 三冲量控制系统26第四章 锅炉汽包液位PID控制系统设计及仿真研究284.1 汽包液位的PID控制系统设计284.1.1 汽包液位的PID控制系统的建立284.1.2 PID参数的整定284.2 仿真研究304.2.1 关于MATLAB304.2.2 关于SIMULINK314.2.3 仿真研究31第五章 多模态模糊-PID控制系统设计及仿真研究335.1 模糊控制系统的设计及仿真研究335.1.1 模糊控制器的设计335.1.2 模糊控制
15、系统的设计395.1.3 仿真研究395.1.4 多模态模糊-PID控制系统的设计455.1.5 仿真研究465.2 几种控制效果比较分析47第六章 结束语48参考文献50致谢52 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)引 言课题背景与意义锅炉是工业生产部门重要的动力设备,它产生的高压蒸汽可作为动力源,也可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。就热电厂而言,锅炉产生的合格蒸汽用来推动汽轮机转动,再由气轮机带动发电机,将机械能转化为电能,送给用户。为此,生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。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。锅炉是
16、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。只有在充分保证锅炉安全生产、保护环境和运行可靠的前提下,通过科学管理、技术改造、提高操作及运行水平,使锅炉实现热效率高的状态。锅炉控制系统的研究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。其中,压力、液位、温度是锅炉运行质量的重要指标,液位过高会影响汽水分离,产生汽带水现象;液位过低会影响汽水循环,使金属局部过热而爆管,导致重大事故。因此,必须对汽包液位进行自动调节,使液位严格控制在规定范围内。正常运行时的锅炉燃烧系统必须使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内,该参数的控制质量直接影响
17、着机组运行的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高,可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏;过热蒸汽温度过低,降低汽轮机的效率,加剧对叶片的侵蚀。所以,在锅炉运行中必须保持过热汽温的稳定性。另外,压力过大容易带来危险。所以,要把压力、液位、温度控制在规定范围内。为了满足负荷设备的要求,保证锅炉本身运行的安全性和经济性,工业锅炉主要有下列自动调节任务:(1) 保持汽包液位汽包液位是工业锅炉正常运行的主要指标。液位过高会影响汽水分离,产生汽带水现象;液位过低会影响汽水循环,使金属管壁局部过热而爆管,导致重大事故。因此,必须对汽包液位进行自动调节,将其严格控制在工艺允许的范围内。(2) 维持蒸
18、汽压力蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标,是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高,对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高,会导致锅炉受损;压力过低,就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此,控制蒸汽压力是安全生产的需要,也是保证燃烧经济性的需要。(3) 维持炉膛负压炉膛负压的变化,反映了引风量与送风量的相适应程度。通常要求炉膛负压保持在-20-40Pa的范围内,这对燃烧状况、锅炉房工作条件、炉膛的维护及安全运行都最为有利6。如果炉膛压力太大,炉膛容易向外喷火,既影响环境卫生,又可能危及设备与操作人员的安全。负压太小,炉膛吸入冷风量增大,增加引风机的电
19、耗和烟气带走的热量损失。因此,需要维持炉膛压力在一定的范围之内。(4) 保持过热蒸汽温度恒定为了保证汽轮机正常工作,必须保证过热蒸汽温度恒定,汽温过高或过低都会影响汽轮机的安全运行,所以,过热蒸汽温度是影响安全的重要参数,一般要求温度变化保持在士5的范围之内。(5) 保证锅炉燃烧的经济性锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当,空气不足,结果导致燃料的不完全燃烧,当大部分燃料不能完全燃烧时,热量损失直线上升;如果空气过多,就会使大量的热量损失在烟气之中,使燃烧效率降低。因此,必须使空气和燃料维持适当的比例,使锅炉工作在最佳工况下,使锅炉热效率最高,避免环境污染,达到节能降耗的目的。通过对工业
20、锅炉自动调节任务的分析,我们知道:工业锅炉的汽包液位是正常运行的主要指标之一,汽包液位是一个十分重要的被调参数。如果液位过低,则由于汽包内的水量较少,而负荷却很大,水的汽化速度又快,因而汽包内的水量变化速度很快,如不及时控制,就会使汽包内的水全部汽化,导致锅炉烧坏或爆炸;液位过高会影响汽包的汽水分离。产生蒸汽带水现象,会使过热器管壁结垢导致破坏,同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮机动力的话,还会损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性和经济性。由此可见,锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的,它对减轻运行人员的劳动强度,保证锅炉的安全运行具有重要意义。本文以锅炉汽包液位控制为例来研究模糊-PI
21、D复合控制在锅炉控制中的应用。锅炉控制的研究现状锅炉是火力发电厂的重要设备,同时也是工矿企业生产的重要热力设备,随着改革开放后国民经济的高速发展,锅炉工业得到了飞速发展,我国每年有很多套的新造工业锅炉投入运行。因为锅炉的燃烧是多输入多输出系统,各参数之间相互影响,相互制约,并且有时受负荷干扰严重,因此很难用精确的数学模型来表示,用经典控制理论难以实现有效的控制,目前在工程设计中经常采用的方法是具体分析生产过程的特点和要求,在设计单回路为主的基础上,考虑到多变量系统的特点,加以补充修正。因各回路之间的相互制约,控制效果也不尽人意,并且设计复杂,造价高,这样中小型用户就难以实施。因此还有相当多的锅
22、炉,特别是中小型锅炉还在简单的启动停止的状态下运行,控制靠人工实现,这样,锅炉运行好坏完全依靠工人的经验和责任心。这一方面造成经济效益差和不安全,容易造成工业事故,另一方面,煤燃烧不充分也会造成严重的环境污染。目前,一些科研人员运用以下控制理论来控制锅炉:1基于PID控制的锅炉控制传统的PID控制用在锅炉控制中,原理简单,易于实现,鲁棒性较强,是应用最广泛的控制方法,但是也存在局限性,超调量大,无法实现非线性系统的精确控制。2基于模糊控制的锅炉控制模糊控制用在锅炉控制中,有效地克服复杂系统的非线性及不确定特性,与传统控制比较有较强的鲁棒性,但模糊控制的控制作用较粗糙,使得稳态控制精度较低。3基
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- 锅炉 汽包 智能 控制系统 设计 仿真 研究
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