李東陽(yáng)

摘 要 新能源現(xiàn)如今越來(lái)越重要，這些新型能源還未能達(dá)到普及的地步，火力發(fā)電仍占主要電力來(lái)源。作為能量轉(zhuǎn)化的鍋爐轉(zhuǎn)化效率就尤為重要。實(shí)現(xiàn)鍋爐計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，通過(guò)綜合計(jì)算在轉(zhuǎn)化效率，環(huán)境污染，安全性和成本等方面達(dá)到最優(yōu)控制。

本次課程設(shè)計(jì)研究的是鍋爐水溫控制的問(wèn)題，以過(guò)程控制理論分析作為理論依據(jù)，通過(guò)仿真技術(shù)，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的鍋爐出口溫度系統(tǒng)。先熟悉該實(shí)驗(yàn)的控制原理，建立鍋爐的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)，從控制原理中得出控制方案進(jìn)行仿真得出結(jié)果圖，為實(shí)際控制系統(tǒng)做理論依據(jù)。利用動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)整定來(lái)得到PID控制參數(shù)。實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算法。運(yùn)用MATLAB仿真得出控制效果。

關(guān)鍵詞 鍋爐出口水溫;自動(dòng)控制;數(shù)字積分分離PID;MATLAB仿真

一.雙溶液位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1生產(chǎn)工藝

鍋爐作為把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的重要設(shè)備，在人類的生產(chǎn)生活中有著巨大的作用。從蒸汽機(jī)的出現(xiàn)直到現(xiàn)在，已有二百多年的歷史。但鍋爐工業(yè)發(fā)展只是近幾十年的開(kāi)始的。

鍋爐的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了許多問(wèn)題。比如放出有害氣體的污染問(wèn)題，大量運(yùn)用煤炭的資源問(wèn)題，鍋爐本身安全性能問(wèn)題以及能量轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題等。因此，對(duì)鍋爐各種問(wèn)題的控制就很是重要。人為的控制鍋爐能夠減緩上述問(wèn)題，但是，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制鍋爐更能緩解上述問(wèn)題。隨著控制理論和技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制，也就是計(jì)算機(jī)控制鍋爐水平也在提高。計(jì)算機(jī)的記憶，計(jì)算，邏輯判斷功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍋爐的任意控制，能夠計(jì)算出最優(yōu)控制。目前，國(guó)外的鍋爐控制技術(shù)日益完善，各種計(jì)算控制都有著很好的發(fā)展。

1.2 控制原理介紹

1.2.1 PID控制方案

比例，積分，微分環(huán)節(jié)是PID控制器，其結(jié)果為給定值r（t）與實(shí)際值y（t）構(gòu)成的控制偏差型號(hào)e（t）。

PID適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)方面。在具體實(shí)現(xiàn)上經(jīng)歷了各種發(fā)展，但是PID還是在這些階段中。由于不是很依賴模型，對(duì)不能或難以獲得足夠系統(tǒng)參數(shù)時(shí)可以用PID來(lái)進(jìn)行控制。

PID控制器各部分控制規(guī)律：

（1）比例控制（p）：調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u與偏差信號(hào)e成比例。

比例控制是最簡(jiǎn)單的控制，能快速克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定。運(yùn)用于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中。

（2）積分控制（I）：I調(diào)節(jié)中

（3）微分控制（D）：調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化來(lái)調(diào)節(jié)，無(wú)需等到被調(diào)量出現(xiàn)誤差時(shí)再調(diào)節(jié)，這樣有預(yù)見(jiàn)性的調(diào)節(jié)性能效果會(huì)更好。此時(shí)輸出與被調(diào)量的導(dǎo)數(shù)成正比。

1.2.2PID控制器參數(shù)整定方法

參數(shù)整定有先覺(jué)條件，只有當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，儀器選擇是對(duì)的，安裝質(zhì)量高，才可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

一種是理論計(jì)算，根據(jù)系統(tǒng)模型來(lái)進(jìn)行理論計(jì)算得出控制器參數(shù)。但這種參數(shù)可靠性不高，有著實(shí)際因素沒(méi)有計(jì)算進(jìn)入，還要通過(guò)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整修改。

二是工程整定法，不需要確切的研究對(duì)象模型，運(yùn)用工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)控制器參數(shù)直接進(jìn)行整定。因簡(jiǎn)單易懂，便于掌握得到大量運(yùn)用。

本設(shè)計(jì)采用PID參數(shù)工程整定法中的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法。兩點(diǎn)法得到延遲一階環(huán)節(jié)特性方程。采用科恩-庫(kù)恩整定公式法得到PID參數(shù)。

1.2.3積分分離PID控制算法

此法在工業(yè)過(guò)程控制時(shí)有著很好的結(jié)果。

1.3控制儀表以及技術(shù)參數(shù)

1.3.1儀器選型原則：

（1）可靠性 ????（2）實(shí)用性 ????（3）先進(jìn)性

1.3.2測(cè)量，運(yùn)送裝置

熱電偶是溫度測(cè)量中經(jīng)常用到的測(cè)溫儀器，測(cè)溫范圍廣，穩(wěn)定性強(qiáng)，足夠精確;輸出為電，能夠遠(yuǎn)距離用導(dǎo)線傳送。

熱電偶選擇要求：

（1）在檢測(cè)溫度范圍內(nèi)熱電偶能保持長(zhǎng)久的穩(wěn)定，只受溫度變化影響。

（2）范圍內(nèi)不易腐蝕氧化，耐輻射。

（3）對(duì)檢測(cè)的溫度有足夠的檢測(cè)靈敏度，足夠的變化率。

（4）熱點(diǎn)性能近似于線性。

（5）質(zhì)量好，易加工。制作簡(jiǎn)單，便宜。

目前常用的熱電偶一共有8種，綜合本次課程設(shè)計(jì)，考慮采用k型熱點(diǎn)偶。

1.3.3控制器

采用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器，型號(hào)為AI-808。有著人工智能算法，可自動(dòng)消除積分飽以達(dá)到調(diào)節(jié)優(yōu)化效果。

二.仿真模型，仿真程序和仿真結(jié)果

2.1要求

利用MATLAB設(shè)計(jì)數(shù)字積分分離PID控制程序，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)特性法整定出最佳控制參數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]內(nèi)時(shí)，使δ%≤12%，t_s≤40s。

用MATLAB做G_p（s）的階躍響應(yīng)曲線，程序如下：

num=1;

den=conv（conv（[1，1]，[2，1]），conv（[5，1]，[10，1]））

Go=tf（num， den）

figure（1）， hold on;

step （Go）;

圖五 廣義對(duì)象傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)曲線

用曲線擬合驗(yàn)證參數(shù)，仿真程序如下：

num=1;

den=conv（conv（[1，1]，[2，1]），conv（[5，1]，[10，1]））;

Go=tf（num，den）;

k=1;T=12.4;L=6.6;

Go=tf（k，[T 1]）;

[np，dp]=pade（L，2）;Gp=tf（np，dp）;

G=Go*Gp;

figure（1），hold on;

step（Go）;

step（G）;

三.總結(jié)與展望

鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。研究這個(gè)課題讓我對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的知識(shí)有了進(jìn)一步的了解。在這個(gè)課題中，有著許多的計(jì)算，通過(guò)查閱書(shū)本，發(fā)現(xiàn)有很多種計(jì)算的方法，這里只是用了一種。雖然只用一種，但對(duì)于其他的方法我看了看還是有些了解。在設(shè)計(jì)中用到的知識(shí)點(diǎn)，特別是PID這些理解得更為到位，以前有些不明白的現(xiàn)在也搞懂了。這些對(duì)于以后的學(xué)習(xí)工作中都會(huì)起到很大的作用，因此，我還要繼續(xù)學(xué)習(xí)，學(xué)到更多的只知識(shí)和技能，學(xué)的越多，到時(shí)就越輕松自如。