基于plc工業(yè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。但在實(shí)際系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程是極其復(fù)雜的，無法得到描述這些過程的數(shù)學(xué)模型，盡管通過各種測(cè)試手段及數(shù)據(jù)處理方法獲得數(shù)學(xué)模型，但也很難得到確切描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。這樣常規(guī)控制理論就無法勝任，必須尋求新的控制理論來取代常規(guī)控制理論進(jìn)行控制。 三沖量系統(tǒng)可以克服 “虛假液位”引起的反向動(dòng)作，并且可以克服給水流量信號(hào)變化而引起調(diào)節(jié)器動(dòng)作做不及時(shí)而引起的水位波動(dòng)。但是各種參數(shù)又存在不同程度的時(shí)變性，且過程具有非線性，強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，特別是蒸汽負(fù)荷變化對(duì)水位的影響，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加和減小時(shí)，汽包水位在蒸汽作用下的動(dòng)態(tài)特性不一致，這樣很難確定三沖量控制系統(tǒng)中蒸汽前饋系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，這就使得三沖量控制系統(tǒng)的控制規(guī)律很難找到， 10即使找到控制規(guī)律也很難作的精確。這樣想采用三沖量水位控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鍋爐水位的自動(dòng)控制而又達(dá)到規(guī)定的工藝要求異常困難。 對(duì)于大型鍋爐，汽包的容量相對(duì)較小，則 對(duì)鍋爐汽包水位的要求更高，汽包水位就必須實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制才能滿足。因而，汽包水位控制就采用比較復(fù)雜而投資比較大的控制系統(tǒng)。對(duì)于中小型鍋爐，汽包的容量相對(duì)較大，則對(duì)汽包水位的控制要求就沒那么高，又由于常規(guī)三沖量控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)汽包水位的自動(dòng)控制，所以中小型鍋爐允許適當(dāng)?shù)牟捎檬謩?dòng)控制。這樣對(duì)于中小型鍋爐就可以考慮用模糊控制系統(tǒng)來取代常規(guī)的三沖量PID 控制系統(tǒng)。 模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策 略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對(duì)一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。將模糊集合理論運(yùn)用于自動(dòng)控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對(duì)那些時(shí)變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的時(shí)候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。 汽包水位 控制 系統(tǒng) 方案 的選擇 通過以上方案的比較，常規(guī)的三沖量控制系統(tǒng)中，由于“虛假液位”的原因使得蒸汽負(fù)荷上升和下降時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線不對(duì)稱，且系統(tǒng)參數(shù)具有時(shí) 變性，不能求出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，也就不能設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的前饋控制器，能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)前饋，但對(duì)動(dòng)態(tài)性能控制不好。 考慮到模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要知道該過程的數(shù)學(xué)模型以及它的其他特點(diǎn)都適合于這種水位控制， 所以選 擇 了汽包水位模糊控制系統(tǒng)。 11 4． 鍋爐 汽包水位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 41 汽包鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言控制，必須解決以下稱為模糊控制器結(jié)構(gòu)的 3 方面問題： （ 1） 精確量的模糊化，把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集； （ 2） 模糊控制算 法的設(shè)計(jì)，通過一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系； (3)輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。 主回路模糊控制器的設(shè)計(jì) 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)及輸入、輸出語(yǔ)言變量 根據(jù)控制對(duì)象 —— 汽包及控制精度，模糊控制器的結(jié)構(gòu)選為二輸入單輸出結(jié)構(gòu)，輸入語(yǔ)言變量選為汽包液位偏差 e 和偏差變化率 ec， e=AVSV， AV 為液位測(cè)量值， SV為液位設(shè)定值 。這樣就為該汽包液位控制系統(tǒng)選定了一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器。輸入和輸出模糊集合的隸屬函數(shù)選為三角形的 [7]。 確定各變量的隸屬度函數(shù)和賦值表 工業(yè)鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)，偏差變化范圍為 [50cm， +50cm]，所以，設(shè)偏差 e 的基本論域?yàn)?[50cm， +50cm]，選定 E 的離散論域 X 為 {6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， +1，+2， +3， +4， +5， +6}。則得偏差 e 的量化因子 ke=6/50=3/25=，為語(yǔ)言變量選取 7個(gè)語(yǔ)言值： PB， PM， PS， Z， NS， NM 和 NB。 12確定偏差 e的基本論域在離散域 X 上的隸屬函數(shù) 181。(x) 如下 ： 圖 412偏差 e的隸屬函數(shù) 根據(jù)上面隸屬函數(shù)建立語(yǔ)言變量 E 的賦值表如下： 表 412 語(yǔ)言變量 E的賦值表 設(shè)偏差變化率 ec 的基本論域?yàn)?[15， +15]，選定 EC 的離散論域 Y={6， 5， 4，3， 2， 1， 0， +1， +2， +3， +4， +5， +6}，得偏差變化率 ec 的量化因子 kec=6/15=。為語(yǔ)言變量 EC 選取 PB， PM， PS， Z， NS， NM 和 NB 共 7個(gè)語(yǔ)言值。 確定偏差 ec 的基本論域在離散域 Y 上的隸屬函數(shù) 181。(y) 如下： 圖 413 偏差 ec的隸屬函數(shù) 13建立偏差變化率 ec 的語(yǔ)言變量 EC 的賦值表： 表 413 語(yǔ)言變量 EC 的賦值表 設(shè)控制量變化 181。 的基本論域?yàn)?[10， +10]，選定 U的離散論域?yàn)?Z={6， 5， 4，3， 2， 1， 0， +1， +2， +3， +4， +5， +6}，則得控制量變化 181。的量化因子 ku=6/10=。同樣，為語(yǔ)言變量 U 選取 PB， PM， PS， Z， NS， NM 和 NB 共 7 個(gè)語(yǔ)言值。確定出控制量 U的隸屬函數(shù)，再建 立語(yǔ)言變量 U賦值表如下： 圖 414控制量 u的隸屬函數(shù) 表 414 語(yǔ)言變量 U 賦值表 14 模糊控制規(guī)則的確定 對(duì)于雙輸入單輸出模糊控制器，規(guī)則選用“ if e and ec then u”的形式 [8]。根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，列出控制規(guī)則表如下： 表 415 控制規(guī)則表 模糊控制響應(yīng)表的生成 模糊控制器在線計(jì)算推理模糊關(guān)系時(shí)，需要耗 費(fèi)大量時(shí)間，占用大量?jī)?nèi)存。而工業(yè)鍋爐在運(yùn)行時(shí)，需要提高安全性，就必須對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有較高的要求。所以，離線算出模糊控制表，通過查詢方式找到控制量。 要算出模糊控制響應(yīng)表，必須選擇一種模糊推理算法。當(dāng)模糊控制器采用查表法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用來離線設(shè)計(jì)查詢表，當(dāng)模糊控制器采用軟件推理法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用來在線進(jìn)行模糊推理。該模糊控制系統(tǒng)采用 Mamdani 模糊推理算法。對(duì)求得的輸出模糊集合用加權(quán)平均法解模糊，得到精確量，即模糊控制響應(yīng)表。 當(dāng)輸入偏差 E=6， EC=3 時(shí)，根據(jù)隸屬函數(shù)，查得對(duì)應(yīng)兩條規(guī)則： ① if E=NB and EC=PS then U=PM ② if E=NB and EC=PM then U=Z 應(yīng)用 Mamdani 模糊推理算法如下圖 415： 15 415 Mamdani模糊推理算法 應(yīng)用重心法（加權(quán)平均法）解模糊，得到控制器輸出的精確量。同理，應(yīng)用上述算法算出 169 個(gè)離散點(diǎn)的輸出。以下不再贅述。現(xiàn)將最后算出的模糊控制響應(yīng)表列出如下表 416 6 5 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 6 5 5 5 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 5 5 5 5 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 4 5 5 5 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 3 5 5 5 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 2 5 5 5 4 4 4 0 0 0 4 4 4 4 1 5 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0 5 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 +1 4 4 4 4 0 0 0 4 4 4 4 4 4 +2 4 4 4 0 0 0 0 4 5 5 5 5 5 +3 3 3 3 0 0 0 4 4 5 5 5 5 5 +4 0 0 0 0 2 2 4 4 5 5 5 5 5 +5 0 0 0 0 2 2 4 4 5 5 5 5 5 +6 0 0 0 0 2 2 4 4 5 5 5 5 5 E U U EC 16 該模糊控制器是解決鍋爐汽包控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，蒸汽負(fù)荷變化對(duì)汽包造成虛假液位問題的主要控制器。原始的 PID 控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋，且靜態(tài)前饋控制效果也不盡如人意。而模糊控制不需要了解蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，汽包的外擾特性，即數(shù)學(xué)模型，且魯棒性好，對(duì)于非線性和參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)有較好的控制能力 [9]。所以前饋控制器采用模糊控制器。 在圖 41 中，模糊動(dòng)態(tài)前饋控制器采用單輸入單輸出結(jié)構(gòu)，輸入變量為：正常工況下蒸汽母管流量與擾動(dòng)后蒸汽母管流量之差 e，輸出語(yǔ)言變量為閥門開度變化量 u，模糊動(dòng)態(tài)前饋控制器的 設(shè)計(jì)步驟如下： （ 1）輸入變量 e、輸出變量 u 的論域均取為 [4 4]，輸入變量 e的語(yǔ)言值取為 {PB， PM，PS， Z， NS， NM， NB}，輸出變量 e、輸出變量 u的語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)都選擇三角形的隸屬度函數(shù)。 （ 2）此控制器仍是離線算出控制表，通過查詢方式找到對(duì)應(yīng)的控制量。應(yīng)用 Mamdani模糊推理算法，加權(quán)平均法解模糊。 （ 3）規(guī)則選用“ if e then u”的形式。 控制規(guī)則表如表 42所示 ： E NB MN NS Z PS PM PB U PB PM PS Z NS NM NB PID 控制 的設(shè) 計(jì) 控制的基本公式 PID是比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)的縮寫， PID控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的閉環(huán)控制器。標(biāo)準(zhǔn) PID的控制值與偏差 (實(shí)際值與設(shè)定值之差 )、偏差對(duì)時(shí)間的積分、偏差對(duì)時(shí)間的微分，三者之和成正比。模擬量 PID控制器的輸出表達(dá)式為0()1( ) [ ( ) ( ) ]t DpiT de tu t K e t e t dt MT dt? ? ? ??,式中 ()ut 為控制值 ()et 為偏差值， pK 為比例系數(shù)， iT 為積分常數(shù)， DT 為微分常數(shù)， M為積分部分的初始值 。 PID 的參數(shù)設(shè)置 P增益： 設(shè)定范圍： ～ 倍 這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動(dòng)作。增益取大時(shí)，響應(yīng)快，但過大將產(chǎn)生振 17蕩。增益取小時(shí)，響應(yīng)遲后。實(shí)際中 本設(shè)計(jì) 取 。 積分時(shí)間： 設(shè)定范圍： ～ 3600s 操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動(dòng)作，即輸出按偏差積分的動(dòng)作。積分時(shí)間大時(shí)，響應(yīng)遲后，另外，對(duì)外部擾動(dòng)的控制能力變差。積分時(shí)間小時(shí)，響應(yīng)速度快，但過小將產(chǎn)生振蕩 [10]。實(shí)際中 本設(shè)計(jì) 取 50s。 5. PLC 選型及資源分配 PLC 電氣圖和 I/O 分配表 圖 51 PLC I/0口分配圖 根據(jù)上述關(guān)于 PLC 控制系統(tǒng)的基本單元輸入和輸出信號(hào)統(tǒng)計(jì)，制定 I/O 分配表，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表 51所示。模擬量模塊輸入地址分配表如表 52 所示。 表 51 PLC I/O 分配表 輸入信號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 輸入點(diǎn)名稱 輸入點(diǎn)編號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) X0 系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕 X3 最高水位 X1 停止按鈕 X4 最危險(xiǎn)水位 18X2 最低水位 X5 警鈴消聲 輸出信號(hào) 輸出點(diǎn)編號(hào) 輸出點(diǎn)名稱 輸出點(diǎn)編號(hào) 輸出點(diǎn)名稱 Y0 工作指示燈 Y2 警鈴控制器 Y1 水泵接觸器 Y3 報(bào)警燈控制器 表 52 模擬量模塊輸入地址分配表 通道 1 應(yīng)力式渦街流量傳感器 通道 2 應(yīng)力式渦街流量傳感器 通道 3 浮球式液位開關(guān)傳感器 通道 4 關(guān)閉 PLC 選型 根據(jù)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)，并考慮富裕量及今后系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)和工藝控制等問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三菱公司的 FX2N16MR 型作為主機(jī)， FX2N48MR 型是三菱公司的典型產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)大，處理速度快、容量大等優(yōu)點(diǎn)，屬于高性能小型機(jī)，系統(tǒng) I/O 總點(diǎn)數(shù)為 16點(diǎn)，輸入、輸出均為 8點(diǎn)，配置擴(kuò)展單元后可增加 I/O 點(diǎn)數(shù)。 傳感器選型 各傳感器主要用于水位、蒸汽流量、給水流量等測(cè)量 。 (1) 應(yīng)力式渦街流量傳感器 : 一種既可以測(cè)蒸汽、氣體又可以測(cè)液體的 傳 感器 流速 : 氣（汽）體： 3 m/s ～ 90 m/s 液體： m/s ～ 9 m/s (2)連桿浮球式液位開關(guān) (IL1402):一 種基于自重原理工作的液位開關(guān)。當(dāng)浮球受液體浮力作用而隨液位上升時(shí)，浮球向上移動(dòng)后壓縮彈簧， 并快速啟動(dòng)微型開關(guān)，輸出相應(yīng)觸點(diǎn)。 特殊模塊功能 系統(tǒng)同時(shí)配有 FX2N4AD 特殊功能模塊作為模擬量控制的輸入接口。其中 FX2N4AD模擬量輸入模塊接到 FX2N16MR 基本單元的最近位置，模塊編號(hào)為 0， CH1， CH2， CH3通道分別與 應(yīng)力式渦街流量傳感器 、 應(yīng)力式渦街流量傳感器 、 連桿浮球式液位開關(guān) 。 計(jì) 19 編程軟件 編 程 軟 件 采 用 三 菱 公 司 為 其 生 產(chǎn) 的 PLC 開 發(fā) 的 編 程 軟 件 SWOPCFXGP/。 控制系統(tǒng)流程圖 控制系統(tǒng)總流程圖設(shè)計(jì) 圖 621 控制系統(tǒng)總流程圖 模糊控制流程圖 圖 622 模糊控制流程圖 20 控制流程圖 圖 623 PID 流程圖 動(dòng)態(tài)前饋流程圖