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1、第11卷第2期淮阴师范学院学报(自然科学)Vol11No22012年6月JOURNALOFHUAIYINTEACHERSCOLLEGE(NaturalScience)Jun.2012基于Matlab/Simulink的锅炉汽包水位控制建模仿真12金璐,陈勇(1.南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏南京210042;2.淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安223300)摘要:设计了一种新型的锅炉汽包水位模糊PID控制器,分析了锅炉汽包水位控制系统的数学模型和模糊PID控制器的结构、工作原理和作用,并运用Matlab/Si
2、mulink对模糊PID控制器和常规控制器分别在锅炉汽包水位控制中进行仿真.结果表明,模糊PID控制器设计合理,控制效果良好,具有更好的控制特性.关键词:Matlab;模糊PID;汽包水位中图分类号:TP272文献标识码:A文章编号:1671-6876(2012)02-0150-040引言[1]锅炉是化工、石油、电力等工业部门的重要热源、能源动力设备,锅炉控制系统的水平已经成为衡量锅炉性能的一个重要因素.锅炉控制是一个比较复杂的控制过程,各个环节的工艺参数必须严格控制,而汽包水位控制系统是锅炉自动控制系统中最重要的环节,汽包水位是锅炉正常运行的重要
3、参数,维持汽包水位在一定的范围内变化,是锅炉水位控制的重要任务之一.随着锅炉汽包水位的控制应用领域的不断扩大,要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短,建立锅炉汽包水位控制系统的仿真模型,可以充分利用计算机仿真的优越性,人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数[2]变化,以便考察系统在不同结构和不同工况下的动态特性.本文在分析锅炉汽包水位控制数学模型的基础上,对通常的运动控制系统仿真模型进行了改进,并借助于Matlab/Simulink强大的仿真建模能力,建立了锅炉汽包水位控制系统的计算机仿真模型.1系统基本原理[3]锅炉汽包中储水量的变
4、化是由汽包水位决定的,在水位下汽泡容积的变化过程趋于平衡时,水位的逐渐上升反映了汽包中储水量的增加,因为给水温度比汽包内饱和水的温度低,当给水流量增加后,原有饱和水中的部分热量就被吸收,所以水位下汽泡容积有所减少.锅炉的给水流量实际反映了给水控制系统的操纵变量,可以把汽包水位看作单容量无自衡过程.用传递函数G1表示锅炉汽包水位H与给水流量W之间关系,如果给水量为阶跃变化时,汽包水位在起始状态不会迅速增加,而是呈现出起始惯性段,此过程可近似于积分环节与时滞环节的串联系统特性,G1可表示为:H(S)k1G1==(1)W(S)S(T1S+1)收稿日期:2
5、012-04-26作者简介:金璐(1990-),女,江苏淮安人,研究方向为电气与自动化工程.第2期金璐等:基于Matlab/Simulink的锅炉汽包水位控制建模仿真151式中,S为拉普拉斯算子,T1为时间常数,k1为给水单位流量改变时锅炉水位变化速度.用传递函数G2表示虚假水位时水位H与蒸汽流量D之间关系,所谓虚假水位,即蒸汽流量突然增加时,水位先上升,然后再下降,而不是当蒸汽流量D大于给水量W时,水位应下降,这是因为蒸汽用量增加,瞬间导致汽包压力下降的缘故.(反之,蒸汽流量突然减少时,则水位先下降,然后再上升),G2可表示为:H(S)kfk2
6、G2==-+(2)W(S)ST2S+1式中,S为拉普拉斯算子,T2为时间常数,k2为放大系数,kf为蒸汽单位流量改变时水位变化速度.2模糊PID控制器的数学模型模糊PID参数自整定的设计思想是先找出PID三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关[4]系,为使被控对象具有良好的动、静态性能,在系统控制过程中,通过不断检测偏差e和偏差变化率ec,在线校正参数Kp、Ki和Kd,从而满足不同偏差e和偏差变化率ec对控制器参数的不同要求.模糊PID控制器通过偏差e和偏差变化率ec作为输入,在线对PID参数进行校正,从而可以实现不同时刻偏差和偏差变化率对P
7、ID参数自整定的要求.21模糊PID控制器的组成模糊PID锅炉汽包水位控制是运用模糊控制理论及传[5]统PID控制理论来实现对锅炉汽包水位进行控制的装置,其基本组成如图1所示.图1中H0为汽包水位的给定值,H为汽包水位的实际值.汽包水位模糊控制器采用双入单出结构.两个输入变量图1汽包水位模糊PID控制器结构图分别为:水位的偏差e和水位偏差的变化量ec.输出控制量U控制汽包水位调节阀的开度.22参数PID模糊控制规则模糊PID控制器输入变量为e(系统给定值H0与实际输出值H之间的偏差)和(偏差变化率),经模糊控制器后输出语言变量E,偏差变化率Ec,不
8、断校正PID参数KP,Ki和Kd.可以选取PB,PM
