CN106642067B - 锅炉液位的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锅炉液位的控制系统及其控制方法，该方法包括将锅炉的液位变送器发送的实时信号与预设信号进行比较，确定锅炉的运行误差；将运行误差通过模糊控制器进行多次数模转化得到输出量，输出量用于控制调节阀的开度以使锅炉的液位在预设范围内。采用模糊控制器对变送器发送检测到的实时信号进行多次的模糊变换，使得锅炉中的运行误差得到实时调整，提高锅炉控制系统对动态环境的适应能力，增加了锅炉系统的控制效果。

Description

锅炉液位的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉液位控制设备技术领域，具体而言，涉及一种锅炉液位的控制系统及其控制方法。

背景技术

烧结余热的利用是采用烧结环冷烟气锅炉经过回收采集到的烟气余热进行发电。具体来讲就是结合余热发电技术，把余热锅炉释放出的热蒸汽推动汽轮机组，使汽轮机组进行做功，最后产生电力的新型节能技术。它与传统的火力发电技术相比，有着得天独厚的优势，在不消耗外部能源，不排放污染气体、污染粉尘与其他有害气体的前提下，使余热能源有效的利用，这将成为我国工业发展的必然趋势与处理工业排污的解决办法，在节能减排与改善污染环境下将做出巨大贡献。

烧结余热锅炉按照工艺系统来分可以分成两部份：烟气以及汽水系统。烟气部分是循环风机抽取由烧结环冷机产生的高温烟气，经过除尘系统，分别进入锅炉过热器、上蒸发器、下蒸发器、省煤器等进行成分换热，再次送回至烧结环冷机继续冷却烧结矿掉。

汽水流程为：由能源系统供给的纯水，经除氧给水泵，由锅炉纯水槽经副级省煤器，送入除氧器热力除氧；锅炉给水经过除氧后，通过给水泵，经省煤器，直接送入炉顶的汽包；给水和汽包内已有的水混合成炉水，通过连接管路和热水循环送往上下两级蒸发器，生成的汽水混合物从上集箱的汽水连通管送入汽包，饱和蒸汽从设于汽包内的汽水分离器中分离出来，送往过热器过热，并利用减温器使蒸汽温度达到要求后，送入管网；分离出来的水，再次进入蒸发器内进行循环。从每种意义上说，锅炉汽水流程也是一个闭路循环。

如何将余热锅炉的汽包液位、蒸汽温度、压力以及循环水泵给水和烟气的流量控制得当，是对于被控对象的主要控制目标。

(1)汽包液位控制

对于锅炉汽包液位的控制是锅炉控制的重中之重，保证汽包液位调节在±区间，可以保证最大蒸发面积，保持持续的产气量，增加发电产量，同时又可以保障锅炉运行安全。

(2)蒸汽温度和压力控制

锅炉生产工艺的一个重要参数就是蒸汽温度。过热的蒸汽会对生产运行带来不利的影响，甚至会损坏过热器炉管道，由于现行的锅炉金属强度安全系数多为下限设计，温度过高或者大大超过了设定温度将会影响设备的使用年限。但同时，为了可以使锅炉发挥出最大的效率，还是必须将蒸汽温度稳定在锅炉的额定进气温度附近。

(3)给水量控制

锅炉控制的另一个重要因素就是给水量的控制。一般的，由汽包液位来决定给水量的大小，液位上升时，要减少给水量，而液位下降时，就需要增大给水。需要注意的是给水量的频繁调整会导致汽包液位的上下波动，如果波动过于频繁，也不利于锅炉的产气量，影响产量，剧烈频繁的波动甚至会影响锅炉的安全运行。

(4)烧结烟气流量控制

烧结余热工艺生产的热源来自于烧结矿进入环冷机后进行冷却时产生的烟气。烧结在生产过程中存在很大的波动性。直接导致高温烟气的不稳定。由于烧结烟温是无法进行调整的，所以当烟温下降时，适当的加大烟气流量，对于保持热量的损失。

锅炉的安全生产与制造理想蒸汽的重要指标是锅炉汽包液位。液位的高低将直接影响锅炉运行的安全与效率。当液位过低时，有可能破坏水冷壁，甚至会引起锅炉爆炸。当液位过高时，将影响汽水分离，使得蒸汽含水量大大增加，破坏汽轮机叶片，严重时使之破损与断裂。所以，保持液位的相对稳定是烧结余热发电生产中是至关重要的一个环节[5-7]。

在以往的烧结余热锅炉控制中，经常采用PID等传统控制方法进行调节控制。由于烧结热源随烧结生产不断变化，造成余热锅炉汽包液位频繁大幅度波动。因此，只使用传统PID来控制余热锅炉液位，PID三个参数为固定值，控制效果不是很好。采用参数模糊自整定PID控制方法能够有效的解决液位变化造成参数变化的控制问题，通过控制器的在线参数调整，实现烧结余热锅炉的液位控制，从而实现安全、稳定、最优的锅炉汽包液位。

目前在烧结余热锅炉液位控制方面，国内的烧结厂大多都仍是采用传统的PID来进行控制，而这种控制有其固有的缺陷——不能完全实时的根据现场数据的变化来进行参数的调整，对液位频繁大幅度变化没有很好的解决办法。甚至有些部分企业在没有找到稳定的控制访法时，采取使用人工干预，手动调节，使余热锅炉液位保证在合理的范围内。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种锅炉液位的控制系统及其控制方法，以解决现有技术中锅炉液位控制不稳定的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种锅炉液位的控制方法，包括：将锅炉的液位变送器发送的实时信号与预设信号进行比较，确定锅炉的运行误差；将运行误差通过模糊控制器进行多次数模转化得到输出量，输出量用于控制调节阀的开度以使锅炉的液位在预设范围内。

进一步地，输出量在输出之前，控制方法还包括对输出量的自整定步骤，自整定步骤包括：根据运行误差输出锅炉的响应曲线，根据响应曲线对输出量进行调整。

进一步地，运行误差包括液位误差和液位误差变化率，自整定步骤包括：当|e|的数值处于第一预设值时，锅炉输出响应位于响应曲线的第一值域时，增加K_p的数值，减少K_D的值，使K_I为零；或者当|e|和|ec|的数值处于第二预设值时，锅炉输出响应位于响应曲线的第二值域时，减小K_p的值；或者当|e|的数值处于第三预设值时，锅炉输出响应位于响应曲线的第三值域时，增加K_P和K_I的值；其中，e为液位误差；ec为液位误差变化率；K_P为比例控制量系数；K_I为积分控制量；K_D为积分控制系数。

进一步地，输出量通过以下公式获得：u(k)＝K_Pe(k)+K_I∑e(k)+K_Dec(k)，其中，e为液位误差；ec为液位误差变化率；K_P为比例控制量系数；K_I为积分控制量；K_D为积分控制量系数；k属于整数。

进一步地，数模转化包括对运行误差构建模糊集与模糊关系，通过模糊集与模糊关系计算输出量。

进一步地，在模糊集与模糊关系计算出输出量的步骤中包括：通过模糊集与模糊关系形成决策矩阵，通过决策矩阵确定输出量。

进一步地，模糊关系可通过以下公式获得：R＝R₁∪R₂∪R₃∧∪R_k，其中，R_K＝(e_i×ec_j)^T×K_pk，R_K为模糊子集；K_pk为第k次锅炉进行自整定的控制量系数；i＝1，2，…，m，m属于整数；j＝1，2，…，n，n属于整数；k＝1，2，…，L，L属于整数；e_i为变送器发送的第i次的液位误差的实时信号；ec_j为变送器发送的第j次的液位误差变化率的实时信号。

进一步地，模糊集可通过以下公式获得：K_W＝(e×ec)oR，其中，K_W为K_p、K_I、K_D中的一个；R为模糊关系；K_P为比例控制量系数；K_I为积分控制量；K_D为积分控制系数。

根据本发明的另一个方面，提供了一种锅炉液位的控制系统，控制系统的控制方法为上述的控制方法，控制系统包括调节阀、汽包装置，调节阀与汽包装置通过管路相连接，制系统还包括液位变送器和模糊控制器，液位变送器与模糊控制器电连接。

进一步地，液位变送器用于对调节阀进行实时监测并获取实时信号，模糊控制器通过将实时信号进行数模转化以控制调节阀的开度。

应用本发明的技术方案，锅炉液位的控制方法包括：将锅炉的液位变送器发送的实时信号与预设信号进行比较，确定锅炉的运行误差。将运行误差通过模糊控制器进行多次数模转化得到输出量，输出量用于控制调节阀的开度以使锅炉的液位在预设范围内。采用模糊控制器对变送器发送检测到的实时信号进行多次的模糊变换，使得锅炉中的运行误差得到实时调整，提高锅炉控制系统对动态环境的适应能力，增加了锅炉系统的控制效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的锅炉汽包液位控制系统示意图；

图2示出了现有技术中的锅炉汽包液位控制系统的流程示意图；

图3示出了现有技术中的锅炉汽包液位控制系统示意图；

图4示出了现有技术中的锅炉汽包液位单冲量控制系统框图；

图5示出了现有技术中的锅炉汽包液位双冲量控制系统框图；

图6示出了现有技术中的锅炉汽包液位前馈-串级三冲量控制原理图；

图7示出了图6中锅炉汽包液位前馈-串级三冲量控制系统框图；

图8示出了现有技术中的锅炉汽包液位PID控制器原理结构图；

图9示出了根据本发明的模糊控制器的控制系统组成框图；

图10示出了图9中的模糊规则库框图；

图11示出了图9中的模糊控制器的实施例一的流程图；

图12示出了图9中的模糊控制器的实施例二的流程图；

图13示出了图9中的模糊控制器的实施例三的流程图；

图14示出了图9中的模糊控制器的PID参数模糊自整定控制器流程图；

图15示出了图9中的模糊控制器的输出响应曲线图；

图16示出了图9中的模糊控制器的模糊变换流程图；以及

图17示出了图9中的模糊控制器的模糊自整定PID控制器的流程图；

图18示出了控制量K_P、K_I、K_D的隶属度曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图9至图17所示，根据本发明的实施例，提供了一种锅炉液位的控制方法。

该方法包括将锅炉的液位变送器发送的实时信号与预设信号进行比较，确定锅炉的运行误差；将运行误差通过模糊控制器进行多次数模转化得到输出量，输出量用于控制调节阀的开度以使锅炉的液位在预设范围内。

在本实施例中，采用模糊控制器对变送器发送检测到的实时信号进行多次的模糊变换，使得锅炉中的运行误差得到实时调整，提高锅炉控制系统对动态环境的适应能力，增加了锅炉系统的控制效果。

其中，输出量在输出之前，控制方法还包括对输出量的自整定步骤，自整定步骤包括：根据运行误差输出锅炉的响应曲线，根据响应曲线对输出量进行调整。

运行误差包括液位误差和液位误差变化率，自整定步骤包括：当|e|的数值处于第一预设值时，锅炉输出响应位于响应曲线的第一值域时(图15中Ι区域所示)，增加K_p的数值，减少K_D的值，使K_I为零；或者当|e|和|ec|的数值处于第二预设值时(图15中Ⅱ区域所示)，锅炉输出响应位于响应曲线的第二值域时，减小K_p的值；或者当|e|的数值处于第三预设值时(图15中Ⅲ区域所示)，锅炉输出响应位于响应曲线的第三值域时，增加K_P和K_I的值；其中，e为液位误差，ec为液位误差变化率，K_P为比例控制量系数；K_I为积分控制量，K_D为积分控制系数。

进一步地，输出量通过以下公式获得：u(k)＝K_Pe(k)+K_I∑e(k)+K_Dec(k)，其中，e为液位误差，ec为液位误差变化率，K_P为比例控制量系数，K_I为积分控制量，K_D为积分控制量系数，k属于整数。

数模转化包括对运行误差构建模糊集与模糊关系，通过模糊集与模糊关系计算输出量。在模糊集与模糊关系计算出输出量的步骤中包括：通过模糊集与模糊关系形成决策矩阵，通过决策矩阵确定输出量。

模糊关系可通过以下公式获得：R＝R₁∪R₂∪R₃∧∪R_k，其中，R_K＝(e_i×ec_j)^T×K_pk，R_K为模糊子集；K_pk为第k次锅炉进行自整定的控制量系数；i＝1，2，…，m，m属于整数；j＝1，2，…，n，n属于整数；k＝1，2，…，L，L属于整数；e_i为变送器发送的第i次的液位误差的实时信号；ec_j为变送器发送的第j次的液位误差变化率的实时信号。

模糊集可通过以下公式获得：K_W＝(e×ec)oR，其中，K_W为K_p、K_I、K_D中的一个；R为模糊关系；K_P为比例控制量系数；K_I为积分控制量；K_D为积分控制系数。

上述控制方法还可以用于锅炉液位的控制系统中，即根据本发明的一个方面，提供了一种锅炉液位的控制系统，控制系统的控制方法为上述实施例中的控制方法，控制系统包括调节阀、汽包装置，调节阀与汽包装置通过管路相连接，制系统还包括液位变送器和模糊控制器，液位变送器与模糊控制器电连接。

具体地，常见的控制系统结构如图1所示。一般情况下，在耗气量与进水量相等的情况下，汽包液位指向正常值。在保持进水量恒定的情况下，蒸汽量发生变化增大或减少时，锅炉汽包液位相应的上升或者下降；相应的，在保持蒸汽耗气量恒定的情况下，进水量改变时，汽包的液位值也会随之产生改变。实际控制中，调节器会根据液位高低的变化程度进行开大与关小阀门，使液位固定在指定的标准范围内。

由控制系统框图2所示可知，系统的被控对象是锅炉汽包，系统输出量是锅炉汽包液位参数，该参数经差压变送器使测量得到的液位信号转化为电流信号，电流信号由负反馈再与给定的设定值进行比较，然后将差值传送到调节器，系统的控制器为调节器，调节器按照差值，并采用一定的控制规则，对调节阀发出控制指令，使调节阀完成相应动作。常见的调节器为气关式与气开式，工程上常采用气关式作为安全保证，系统的主要扰动为给水变化与蒸汽变化，即给水压力变化与蒸汽负荷变化。

关于锅炉汽包液位控制系统的动态特性分析：锅炉汽包液位控制的任务是，在保持汽包液位处于标准值范围的情况下，是给水量的变化与蒸汽量的变化一致。对于烧结余热锅炉尤其重要，因为烧结热源及其不稳定，对于蒸发量的扰动非常频繁。

锅炉汽包液位控制就是要把汽包液位稳定在标准范围内，其中主被控量设为锅炉汽包液位，副控制量设为蒸汽调节阀与给水调节阀，其作用为改变进水量。相应的结构框图如图3所示。

给水流量的变化与蒸汽流量的改变是汽包液位产生波动的直接原因，控制器会将反馈回来的液位信号值与初始的给定值进行比较，然后将传输回来的误差施加到调节控制器上，从而达到改变给水阀的大小来调节液位高度的目的。

锅炉汽包液位受到多种影响，比如常见的给水与蒸汽影响，以及汽水系统内汽水混合物的体积变化影响。锅炉液位汽包不仅是液位下气泡的体积，还体现了整个水路管路的体积。总的来说，其液位变化主要受以下方面影响：第一，蒸汽量的压力波动；第二，蒸汽量的负荷扰动；第三、给水母管压力的波动以及给水阀开度的变化等相关的给水扰动；第四、燃料发热源的变化。

把汽包的体积分为三个部分，即水体积V_W、蒸汽蒸发面上下的体积V_S与V_D，特别的，蒸汽面以下的汽水混合体积由V_W和V_S组成。由于蒸汽负荷的波动会带来汽包压力的扰动，而压力的浮动可归结于蒸汽负荷中，故汽包压力产生的影响可略。热源的波动虽然对液位有影响，但由于有较大的滞后性，可略去不算。经数学推导与化简，汽包液位的动态特征方程可表示为以下形式：

式中：

H为汽包液位；

T₁、T₂为时间系数，单位为s；

T_W给水量的时间系数，单位为s；

T_D蒸汽量的时间系数，单位为s；

K_W给水量的放大倍数；

K_D蒸汽量的放大倍数。

由公式(1)可知，锅炉汽包液位的主要控制因素来源于蒸汽量与给水量的扰动，将其分为两种情况讨论，即只有内部扰动的给水量下的动态特性，与只有外部扰动的蒸汽量下的动态特性。

给水量数值变化扰动下锅炉汽包液位的动态特性，设给水量发生变化，而蒸汽量的值恒等不变，那么，锅炉汽包液位调节对象的微分方程如下所示：

对式(2)进行拉普拉斯变换，可得：

T₁T₂S²H(S)+T₁SH(s)＝T_wSU_W+K_wu_w (3)

汽包液位被控量在给水流量扰动下的传递函数可由式(3)变化得到：

在现实工程中，对于蒸汽压力不大于2.0MPa的中压锅炉，

给水量项的时间常数较小，可不做计算，因此(4)式可简化为：

式中，为反应速度，

即给水流量按单位流量变化时液位的变化速度，mm/s(t/h)。

从式(5)得到，在给水扰动的情况下，汽包液位简单可视为一个积分环节与一个惯性环节组成的。

蒸汽量数值变化扰动下锅炉汽包液位的动态特性，现设定蒸汽量的数值发生变化，而给水量的数值不变的情况下，由式(3.1)，锅炉汽包液位的动态特性微分方程可表示为：

对上式进行拉普拉斯变换，可得：

T₁T₂S²H(S)+T₁SH(s)＝-[T_DSU_D(S)+K_Du_D(S)] (7)

蒸汽蒸发量扰动下汽包液位被控对象的传函为：

上式可等效为两个动态环节的和：

式中：

K₂＝(K_DT₂-T_D)/T₁，Ta＝T_D/K₁。

变送器转换系数和仪器仪表的选择，实际工程中变动器的型号采用DDZ2组合仪表，流量计的量程为150t/h，液位变送器的量程为300毫米水柱，标准信号为4-20mADC。

蒸汽流量孔板α_p、给水电磁流量计α_w、差压液位变送器的转换系数α_m分别为：

调节阀采用线性阀，增益为

受锅炉自身容量、调节幅度以及负荷变化速度的影响，锅炉汽包液位控制可以分为以下三种方式：只针对汽包液位控制的单冲量给水控制系统；液位作为主控制信号，蒸汽耗气量扰动作为副控制信号的双冲量给水控制系统，以及在双冲量给水控制的基础上加入给水量压力扰动控制的三冲量控制系统。

单冲量控制系统的框图如图4所示。该系统是典型的单回路，负反馈控制系统，系统反馈信号为锅炉汽包液位，变送器通过转换将电子信号发送至控制器，控制器通过将测量值与给定值进行比较，得出的差值发送给调节器，通过对调节器给水量大小的改变控制，来保持锅炉汽包液位的数值高度范围。

优点：结构简单，在“虚假液位”不严重的情况下应用。

缺点：在产生“虚假液位”时，调节器往往会进行反向操作，这样会造成，当外界负荷变大时，调节器则关小给水调节阀；当外界负荷变小时，调节器则开大给水调节阀。这样会造成液位波动很大，难以平息扰动带来的干扰，而且，给水阀的反应也相对缓慢。

双冲量控制系统的框图如图5所示。和单冲量相比，加入了蒸汽扰动信号，将其作为汽包液位控制的主要扰动，并将蒸汽流量作为系统的校正信号，此时，形成汽包液位的双冲量控制系统。把蒸汽扰动经过处理作用在给水调节阀上，使得给水量与蒸汽量同步进行变化，这样可以补偿“虚假液位”带来的困扰，减少为之引起的方向误操作，并且可令给水调节阀动作及时。

双冲量控制系统优劣如下：优点：由于引入了蒸汽扰动信号，使得控制系统的调节精度高于单冲量控制系统。

缺点：虽然加入了蒸汽扰动信号作为调节补偿信号，但当给水侧发生扰动变化时，系统就和单冲量调节系统一致了，依旧无法抵消“虚假液位”带来的困扰，并且给水阀的工作特性有可能是非线性的，这样会给静态补偿造成很大压力。

由于双冲量控制系统依旧无法减少“虚假液位”带来的干扰，考虑加入给水量扰动信号作为以汽包液位为主冲量控制信号，给水扰动和蒸汽流量扰动为副冲量控制信号的三冲量控制系统。三冲量控制系统可分为前馈-串级三冲量控制系统与前馈-反馈三冲量控制系统，以前馈-串级三冲量控制系统作为研究对象进行论述，所谓“前馈-串级”，即将相比蒸汽扰动信号的给水扰动信号作为前馈信号，将加法器放在控制器与调节器的中间，其控制原理图和控制系统框图分别如图6和图7所示。

通过引入三个冲量信号作为系统调节的主副控制信号，使得“虚假液位”的影响大大减少，当系统外界负荷发生变化时，使用前馈-串级三冲量控制系统能是液位基本保持无差。

控制器的种类经历了多次更迭，但由于PID控制器其设计结构简单、实践运用丰富、理论研究深入，使得其成为工业控制领域里使用最为广泛的控制器。加上PID控制器适用性极强，并且对于调节效果也得到了广泛的认可。

PID控制器的历史分为两个阶段：其一是1940s年代，PID控制器被设计出来，并初步应用在工业中。随后，1980s年代末微积分技术的应用，标志着PID控制器形成了固定的结构，同时也将PID控制器的继续发展进入了下一个阶段，PID控制器进化为一种鲁棒性强，稳定并且使用在各个工业领域的控制器。

PID控制器的发展，丝毫没有受到现如今各种新控制策略的出现和发展的影响。正因如此，这些技术的发展更进一步的推动了PID控制器的持续完善。例如，这些新的策略与PID控制器相结合的设计，使PID控制器的生命力持续加强，并且发展速度加快。相反，随着科技与计算机时代的来临，对于控制的要求变得非常高，所以，对于PID控制器更高、更精并且能具备自整定的能力。

PID控制器简单来讲，是由比例环节、积分环节、微分环节进行线性叠加组合而成的控制系统，常规的PID控制器原理如图8所示。

PID控制器的控制规律为：

式中：U(t)为控制器输出

e(t)为控制器输入，是系统给定值和被控对象输出值的差，即

e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)为系统参考输入，y(t)为系统输出，也称偏差信号：

K_p为控制器的比例系数；

T_i为控制器的积分时间常数；

T_d为控制器的微分时间常数；

对公式(10)进行拉普拉斯变换后，可以得到：

对公式(10)进行拉普拉斯变换后，可以得到：

经过进一步变换，PID控制器的传函如下：

下面对PID控制器三个部分的变化对被控对象的影响进行简要阐述：

(1)比例调节部分

比例环节调节系数K_p的选择要适度，过大会使系统产生振荡，过小会达不到控制要求，所以要选择适中的比例系数，这样才能有效减少误差，并且加快调节速度，减少过度时间。值得注意的是，比例控制不能消除稳态误差。

(2)积分调节部分

由于比例调节系数无法消除稳态静差，加入了积分环节来进行调节。积分时间调节系数T_i越大，积分控制调节越弱，相应地，积分时间越小，控制效果越显著，但有可能产生剧烈振荡。所以，适当的积分调节系数会使得整个系统完成消除静差的目的。

(3)微分调节部分

微分调节系数T_d主要用来加快系统响应的作用，可以反映误差信号的变化趋势，适当的微分调节系数可以改善系统的动态性能以及调节时间。

由于计算采用的是非连续的离散采样控制，在实际应用时还要把连续的PID控制控制算法转化为，计算机可以识别的离散控制方法，得出PID的位置式控制算法，以配合计算机的使用，对式(10)进行处理后得到：

位置式PID控制算法是全量输出，计算机运算的工作量很大，要对e(k)进行逐次累加，一旦计算机出现故障，计算机输出的u(t)将大幅度变化，从而导致执行机构的位置也发生大幅度变化。这种情况在生产实践中往往是不允许的，尤其可能会导致某些场合发生重大安全事故，因而诞生了增量式PID算法，其算法如下所示：

△u(k)＝K_P△e(k)+K_i△e(k)+K_d[△e(k)-△e(k-1)] (14)

增量式PID控制对比位置式PID控制的优点显而易见。一旦计算发生故障，控制系统可以保持原值，使得计算机的故障对系统的影响比较少。而且增量式的计算方法不是采用历史的所有数据，这也减少了计算机的运算负担，增加了运算速度，能够相对容易的实现控制要求。

在长期的理论实践与实际应用中，以上两种PID控制方式依然无法满足当前控制的要求，其重要的原因在于，系统的PID参数一旦设定好，无法进行实时变更，以适应新的控制环境的要求。既然常规的PID控制器无法改变由于外界扰动带来的困扰，那么，为了实现更高的控制指标与适应更复杂的控制环境，人们渐渐将视线转移到了一个新的领域—智能控制。

模糊控制是典型的非线性控制，它可以应用到不完全明确被控对象数学模型的控制环境中，由于锅炉汽包液位控制是十分复杂的系统，无法精确的获得其数学模型，故此，模糊控制就是一个很好的控制方法。经过时间的推移，模糊控制得到了长足的发展，日益成为工业、民用常用的控制方式。

如图9所示，模糊控制器主要分为以下几部分：

模糊控制器：此为模糊控制的核心，如虚线表示。它主要由知识库与模糊推理组成。通过模糊规则推理产生的结果，实现对被控对象的调节。

输入-输出接口：被控对象的离散信号通过输入接口传递给模糊控制器，在做完模糊判决后，经输出接口再次传送给被控对象，实现对被控对象的控制。

传感器(仪表)：主要是信号转换的装置。常见的控制量并不都是电信号，多数是压力信号，流量信号或者温度信号，这样就需要一个转换装置将其他类型的信号转化为电信号作为控制的基础。常用精度高、稳定性好的仪表作为传感器。

被控对象：多数为机械设备，或各个设备的群体构成。当无法取得精确的数学模型是，适合采用模糊控制进行处理。

执行机构：常见的有各种电动机(交流、直流)，液压器等调节设备。

结合锅炉汽包液位单冲量模糊控制系统为例，简单阐述一下模糊控制的基本原理：

通过液位变送器传出来的信号与设定信号进行比较，便得到信号误差e，通过模数转换，将模拟量转化成计算机可以识别的数字量，并且送入模糊控制器中，在控制器内通过控制算法，得到数字信号，在通过数模转化，将数字量信号转化为模拟量输出到被控对象上，从而控制调节阀的开度，改变锅炉给水量，做到保持锅炉液位范围控制的目的。以上控制过程与一般的反馈控制有所相似，不同之处在于控制量不是精确量而是模糊量。模糊量通过模糊规则推理得到另一个模糊量，在经过变化才产生控制被控对象的调节信号。

规则库是模糊控制器的另一个核心，通常需要专家以及有一定操作经验的工程师进行设定，规则库的表现形式一般展现为人类思想的语言表达。通常有关系词构成，在锅炉汽包液位控制系统中，控制规则用语言描述如下：

若汽包液位水平处于较低状态，则加大给水量的供给，液位越低，给水量加大的越多，若汽包液位水平处于较高状态，则减少给水量的供给，液位越高，给水量减少的越多。

模糊控制是为了解决人们无法找到某些被控对象的精确模型而产生的一种非线性控制算法，算法凭借专家知识或熟练操作员的经验对系统进行控制，其优点简要如下：

1)具有良好的鲁棒性，适应外界的干扰与变化。

2)不需要知道精确的数学模型，控制原理简单易于实现。

3)采用拟人的控制思想，具有智能控制水平。

虽然模糊控制器有诸多优点，但经过长期的时间表明，模糊控制器也存在如下缺点：

1)控制精度较低，主要是由于模糊控制的控制方法所致。控制受量化等级的限制，真正实际工作中，为了减少运算时间，计算机不允许使用过多的查询表进行查询。

2)有可能出现小幅震荡，或者静差。

为了解决模糊控制带来的缺点，工程人员想出了很多方法，其中，将传统的PID控制与现代的模糊控制相结合，就是一种有效的方法。

对模糊控制器的设计可以通过以下步骤：

1)选定模糊控制器的结构。即选定模糊控制器的输入、输出量。

2)对模糊控制器的输入、输出量进行模糊化。通常采用量化因子与比例因子进行实际论域是模糊论域的转化，把精确量分为“负小”、“正小”、…“负大”、“正大”等区间，并通过计算得出隶属度函数。

3)设计模糊推理决策算法。

通过现场采集到的信号以及专家经验总结，将系统是输入输出量编辑成一系列的“if-then”规则语句，利用专家经验规则，采用相适应的算法得到控制表，常见的算法有，极大极小法、中位数法等等。

4)对输出量进行解模糊。

通过查询控制表得到输出控制量，而这个数值的一个模糊量，需要使用比例因子把它从模糊量转化成在实际输出范围的，可以精确控制的精确量，这一过程称之为解模糊。

模糊控制器性能的优劣和控制器设计的结构是密不可分的，常见的单变量控制系统是由一个输入变量和一个输出变量构成的自动控系统，在模糊控制中，输入控制变量的个数一般称为该系统的维数。而所谓的多变量控制系统即为多个输入变量与多个输出变量组成的系统。

一维模糊控制器：

这是一种相对简单的模糊控制器如图11所示，具有单个输入/输出变量，用偏差e为控制的输入，控制量U为控制输出。经常被用于控制一阶被控对象，系统动态控制性能不佳是此控制器的缺点。

二维模糊控制器：

这种类型的模糊控制器是目前来说比较常用的，如图12所示，双输入(误差和误差的变化率)单输出系统构成了一个PD控制器，与一维控制器相比，有效的降低了系统震荡以及减少了超调。

多维模糊控制器：三维模糊控制器如图13所示，与二维控制器相比，输入还增加了偏差变化率的变化率，通常来讲，模糊控制器的维数与精确性成正比，同时，维数又与控制器的复杂性成正比，维数过高，控制算法的实现也就更困难。这是三维或多维模糊控制器在应用上存在的问题。

模糊控制器的论域：

论域及基本论域，基本论域是输入变量的误差、输入变量的误差变化率以及输出变量，其范围值是精确量。通常，误差的基本论域设定为[-e_max，e_max]；误差的变化量的基本论域设为[-△e_max，△e_max]；输出控制量的基本论域定义为[-u_max，u_max]。

对于模糊论域把误差的模糊论域设为{-n_a，-n_a+1，…，+1，0，-1，…n_a-1，n_a}；误差的变化率的模糊论域设为{-n_b，-n_b+1，…，+1，0，-1，…n_b-1，n_b}；输出控制量的模糊论域设为{-n_c，-n_c+1，…，+1，0，-1，…n_c-1，n_c}。

量化因子与比例因子：

计算机在实现模糊控制时，每次采样得到的控制量需要由计算机进行计算，需要将输入控制变量与输出控制变量从基本论域转化到模糊集的论域，这中间就需要量化因子与比例因子的帮助。

量化因子一般指误差的量化因子与误差的变化率量化因子，将误差的量化因子定义为：

e的量化因子定义为：

比例因子一般指控制量输出变量的比例因子，

我们将控制量输出变量的比例因子定义为：

模糊论域的分级与语言值的分档：

模糊语言变量的语言值分档越多，对事物描述的就越细致、越准确，设定的控制规则就灵活，控制效果也就越好。但是语言值过多时，会造成编程困难，占用存储量大；语言值分档太少，则规则变少，控制效果变差。语言变量的语言值一般划分为：{NB，BM，NS，ZO，PS，PM，PB}，语言值分档的数量m通常取2到10之间。

模糊论域分级一般选取{-6～+6}，{-3～+3}等。通常为了提高控制精度可以采取增加论域元素的数量来实现，但过多的元素有时也不一定能带来显著的效果，而且数量越多计算量也就越大，一般地，把模糊论域中所含元素个数n取值为语言变量个数m的两倍，这样既可以很好的覆盖论域，也能消除失控造成的危险。

隶属度函数的选取：

常见的隶属度函数有正态型隶属度函数、Z型隶属度函数、S型隶属度函数，梯形隶属度函数、三角形隶属度函数等。一般常用三角形隶属度函数与梯形隶属度函数，其优点是运算简单，而且计算方便，占用存储空间小，并且在输入量发生变化时，灵敏度要高于正态型隶属度函数。

一般情况下，隶属函数的形状对于控制的影响要小于其幅宽大小的影响。也就是说，幅宽对与控制器的性能影响较大。把幅宽比较窄，模糊子集形状比较陡峭的称为高分辨率，把幅宽比较宽，模糊子集比较平缓的称为低分辨率。高分辨率控制精度高，但输出变化大，低分辨率稳定性较好，但输出变化小。通常要想获得良好的鲁棒性，将高分辨率的隶属度函数模糊子集放置在偏差较小的区域，将低分辨率的隶属度函数模糊子集放置在偏差较大的区域。

模糊推理决策算法的设计，模糊控制器的核心是对模糊控制规则的设计，控制规则是人们对被控对象受控过程的认知与操作经验总结，选择控制规则时应该对其规则条数和质量进行关注，模糊控制规则的确定和可调节性将决定控制器的性能优劣。由于被控对象的特殊性，比如具有高阶次、非线性、时变性以及各种其他干扰扰动的因素影响，使得模糊控制规则变得不够完善，比较粗糙，这从不同程度上将会影响控制效果的优劣，这样迫使找到一个可以在线调整模糊控制规则或者参数的新型模糊控制器取代以往的不可变更性，模糊自整定控制器就是其中的一员。模糊控制器的算法由运算速度与运算精度的不同可以简单的分为查表法、公式解析法、推理算法等。

输出量的解模糊，通过模糊推理得出控制变量的模糊子集，并非可以直接控制被控对象的精确量，需要将其转化，最终目的是作用到被控对象上，把这一转化过程叫做解模糊，或者去模糊。常用的方法有MIN-MAX重心法、选择最大隶属度法、选取中位数法、函数型推理法等等，每个方法各有优缺点。其中最大隶属度法最为简单，但这种方法只是强调了隶属度最大元素的控制作用，并非考虑全体的贡献，所利用的信息比较少。中位数法则是考虑全体元素的信息，将选取的模糊子集的隶属度函数曲线和横坐标所围成区域的面积平分为两部分的数，作为解模糊判决的结果。但是计算量比较大，所以在实际的工程当中要考虑系统的复杂程度与精度来选择最佳的解模糊方式。

参数模糊自整定PID控制器的设计，传统的PID控制对于多数的控制对象和控制过程都表现了很好的控制效果，仍然将此控制方法广泛应用。值得一提的是，传统PID控制法在参数调整上具有一定的特殊性，调节参数往往需要有一定的人工经验，否则，参数将无法确定好。另外，调整好的参数也不一定适用被控对象的整个运行过程，当有外界干扰，或者系统的控制对象参数发生了变化，固定的一组PID参数将无法实现对被控对象的良好控制，控制性能将大打折扣。那么，设计出可在线调整PID参数的控制器将成为解决问题的方法。模糊控制理论是基于人类的思考模式与方法建立起来的控制理论，其最大的特点是，不必须要精准的被控对象数学模型，可以利用专家的控制策略与经验对控制对象进行良好的控制。将模糊控制与传统PID控制结合起来，将更好地发挥两者控制理论的优点，利用模糊控制，使传统的PID控制具有在线自整定参数的功能，这样参数自整定PID控制器既有灵活适应性强的优点，又有控制精度高的长处，可谓强强联合，实现了控制性能的进一步提高。由于考虑工程上的应用需求，采用参数模糊自整定PID控制器的进行设计。

PID参数模糊自整定控制器具有原理简单、鲁棒性强、灵活性与适应性高的特点，它通过对控制过程中不同参数的检测与分析，在线对PID的参数K_PK_I和K_D进行调整，使其更有效的完成对被控对象外界干扰和不确定因素的控制。

典型的参数模糊自整定PID控制系统的结构如图14所示，该系统在工程上易于实现，并且具有良好的动态和静态性能。由图可以看出，系统由模糊控制器与传统PID控制器组成，控制系统的输入为误差和误差的变化率，并将其值传送到模糊控制器上，由模糊控制器和PID控制器共同进行运算，最终将调整好的参数作用在被控对象上，可以看出，模糊控制器通过模糊推理在线不断调整PID的三个参数，以实现参数自整定的控制方式。

参数自整定PID控制器的原理工作思想是，找到误差e和误差变化率ec与PID的三个参数K_PK_I和K_D的关系，通过系统对误差和误差变化率的不断检测、更新，实现在线对K_PK_I和K_D的参数调整以此满足对控制对象参数变化的适应，实现对控制系统较好的控制。

由于三个参数△K_P△K_I和△K_D对系统输出特性的影响，下面结合系统的输出响应曲线图15来介绍，系统在不同的误差和误差变化率的情况下，被控对象参数K_PK_I和K_D的自整定原则：

1)当误差|e|较大时，系统的输出响应位于曲线的Ι段时，应采取避免误差过大，加大系统响应，但也要避免系统超出控制范围。所以，提高K_p的数值，减少K_D的数值，去掉积分作用，使K_I为零。

2)当误差和误差的变化率|e|和|ec|数值中等时，系统的输出响应位于曲线的Ⅱ段时，应减少系统的超调量，为保证系统的响应速度，K_p应该减小，K_I和K_D应该适当调结。

3)当误差|e|较小时，系统的输出响应位于曲线的Ⅲ段时，应让系统得到良好的稳定性，此时应加大K_P和K_I的取值，同时，为了避免干扰的因素以及持续振荡的影响，此时应适当调整K_D的取值。一般方法是，当误差的变化率|ec|较小时，K_D取值适中；当误差的变化率|ec|较大时，K_D取值减少。

控制器的输入变量为误差e和误差的变化率ec，输出为PID的三个调节参数K_PK_I和K_D，算法的实现设计方法如下所示：

第一、把误差、误差的变化率以及PID的三个参数进行模糊化，选定每个变量的模糊子集的隶属度。

第二、通过模糊控制规则，将PID的三个参数K_PK_I和K_D进行参数校正。

第三、运用模糊推理，得出调整好的PID三个参数K_PK_I和K_D，并且输出矩阵表。

各变量的隶属函数及值的表示：

系统最大动态误差是蒸汽扰动带来的液位变化，大约为40mm水柱。由于差压变送器的转换系数为0.04(16/400)，因此偏差e的变化范围为40×0.04＝1.6mA，即偏差的e的基本论域为{-1.6,1.6}。偏差e的量化因子为Ke＝3/1.6＝1.875。

在设定值的作用下系统达到最大值(即200mm水柱)经过200S的时间。因此，偏差变化率ec的基本论域为{-0.04,0.04}。偏差变化率的量化因子K_ec＝3/0.04＝75。

根据执行机构输入信号的范围来确定输出变量u的比例因子K_u。因为选用的是DDZΙΙ型仪表，信号范围为4-20mA，则K_u＝8/3≈2.67

各变量分别具有一定的变化范围，定义模糊集上的论域为：

e、ec、K_P、K_I、K_D＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并设其模糊子集为：

e、ec、K_P、K_I、K_D＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

取输入e、ec及输出K_PK_I和K_D的隶属度函数为三角型函数。对应的误差e和误差变化率ec的模糊变量表如表1所示：

表1 e、ec模糊变量表

对应的K_PK_I和K_D模糊变量表如表2所示：

表2 K_PK_I和K_D模糊变量表

K<sub>P</sub>/K<sub>I</sub>/K<sub>D</sub>	-3	-2	-1	0	1	2	3
								PB	0	0	0	0	0.2	0.6	1
PM	0	0	0	0	0.5	1	0.5
								PS	0	0	0	0.5	1	0.5	0
ZO	0	0	0.5	1	0.5	0	0
								NS	0	0.5	1	0.5	0	0	0
NM	0.5	1	0.5	0	0	0	0
								NB	1	0.5	0.2	0	0	0	0

各变量隶属函数曲线采用三角形，液位误差e、偏差变化率ec、输出控制量K_P、K_I、K_D的隶属度曲线如图18所示。

量化因子与比例因子的选定。误差的量化因子K_ε设定为误差的变化率量化因子输出控制量的比例因子其中x_ε为液位误差值，x_εc为水位误差变化率，y_u为输出控制量，n、m、l为论域值。在本设计中取m＝n＝3。

建立模糊控制规则表：PID参数自整定控制器的核心是参数整定的规则，这一规则是由专家的经验总结得出的，把规则编制到表格里，如下所示：

表3 K_P模糊控制规则表

表4 K_I模糊控制规则表

表5 K_D模糊控制规则表

模糊合成推理算法及调整决策矩阵：

通过计算得出K_PK_I和K_D的调整控制规则表后，将进行算法合成，三个参数的计算过程不尽相同，以K_P计算过程为例，详见如下:

a)合成推理算法

把误差与误差变化率(e、ec)输出(K_P)组成的模糊控制系统，按先前给定的控制规则书写如下：

If e＝e_i and ec＝ec_j then

i＝1，2，ΛΛm

j＝1，2，ΛΛn

其中e_i、ec_j、K_pij分别是定义在e、ec、K_p上的模糊集，上式可用一个e_i×ec_j到K_pij的模糊关系R来描述，即

R＝U_ij(e_i×ec_j)×K_pij (18)

根据模糊数学理论，“×”运算的含义由下式定义：

如果偏差和偏差变化率分别取e和ec，则模糊控制器给出的控制量的变化由模糊推理合成规则算出：

K_p＝(e×ec)oR (20)

即

b)控制规则

K_p的控制规则如下所示：

if e＝NB and ec＝NS then K_p＝PB

if e＝NB and ec＝0 then K_p＝PB

if e＝NB and ec＝PS then K_p＝PM

if e＝PB and ec＝PB then K_p＝NB。

c)模糊关系R的求取

R_K＝(e_i×ec_j)^T×K_pk

R＝R₁∪R₂∪R₃∧∪R_k

式中i＝1，2，L，m；j＝1，2，L，n；k＝1，2，L，m×n

由控制规则表和上式得：

则模糊关系R为：

d)参数K_p的模糊集的试算过程

K_P＝(e×ec)oR，则

K_P1＝[0 0 0 0 0.2 0.5 1]

K_P2＝[0 0 0 0 0.5 0.6 1]

K_P48＝[1 0.6 0.5 0.2 0.5 0 0]

K_P49＝[1 0.6 0.5 0 0 0 0]

下面进行K_P的解模糊判决

e)K_P的解模糊判决

在模糊判决里采用简单易行的最大隶属度法进行处理。由此可得表6K_P参数模糊调整控制表。使用相同的方法，可以绘制出表7、表8K_I和K_D的模糊调整决策矩阵。

表6K_P参数的模糊调整表

ec/K<sub>P</sub>/e	-3	-2	-1	0	1	2	3
								-3	3.0	3.0	3.0	3.0	2.0	1.0	0
-2	3.0	3.0	3.0	3.0	1.5	0	0
								-1	2.0	2.0	2.0	2.0	1.0	0	-1.0
0	2.0	1.0	1.0	0	-1.0	-1.0	-1.0
								1	1.0	0	-1.0	-2.0	-2.0	-2.0	-2.0
2	0	0	-2.0	-3.0	-3.0	-3.0	-3.0
								3	0	-1.0	-3.0	-3.0	-3.0	-3.0	-3.0

表7K_I参数的模糊调整表

ec/K<sub>I</sub>/e	-3	-2	-1	0	1	2	3
								-3	1.0	-3.0	-3.0	-1.0	-3.0	-3.0	1.0
-2	1.0	-3.0	-3.0	-1.0	-3.0	-3.0	1.0
								-1	0	-2.0	-2.0	-1.0	-2.0	-2.0	0
0	0	-1.0	-1.0	-1.0	-1.0	-1.0	0
								1	0	2.0	1.0	0	1.0	2.0	0
2	1.0	3.0	1.0	1.0	3.0	3.0	1.0
								3	1.0	3.0	2.0	2.0	3.0	3.0	1.0

表8K_D参数的模糊调整表

f)模糊PID控制算法

当用误差和误差变化率来表示一个PID控制，则其表达形式为：

u(k)＝K_Pe(k)+K_I∑e(k)+K_Dec(k) (22)

其中u(k)为控制器输出量，e(k)为误差，e_c(k)为误差变化率，K_P为比例系数，K_I为积分作用系统，K_D为积分作用系数。

定义K_D＝K'_D+{e,ec}K_D＝K'_D+△K_D参数调整算式如下

K_P＝K'_P+{e,ec}K_P＝K'_P+△K_P (23)

K_I＝K'_I+{e,ec}K_I＝K'_I+△K_I (24)

K_D＝K'_D+{e,ec}K_D＝K'_D+△K_D (25)

式中K_PK_I和K_D参数是PID控制器的参数，K'_P、K'_I、K'_D是K_PK_I和K_D的初始参数。在控制系统的调整过程中，系统进行实时计算，更新在线调整系数K_PK_I和K_D，最后找到一个最佳值，以实现三个参数的自整定调节控制。

通过以上分析，选择二输入三输出类型的模糊控制器作汽包液位为本文的控制器类型，用烧结余热锅炉的汽包液位误差e和汽包液位误差变化率ec作为模糊控制器系统的两个输入量，K_PK_I和K_D作为模糊控制器的三个输出量。系统结构图如图16所示。

如图17所示，仿真(Simulation)是一项结合了多个技术领域的一门新兴高科技技术。在计算机模拟环境下，实现和预估产品在真实环境的性能与特征。仿真技术也在不断发展，拿按照实现方式的不同，分别经历了物理仿真阶段、模拟仿真阶段、混合仿真阶段、基于图形工作站的三维可视交互仿真等从实物到计算机仿真一共五个发展阶段。由于引入计算机系统以及包括网络系统、多媒体等外界设备，使得仿真变得越老越友好，功能越来越强大，并普遍得到大家的关注，近些年来，像虚拟现实技术、分布交互技术、仿真培训等都越来越被大家认可与接受。仿真遵循的是相似性参数模糊自整定PID控制器的流程如图17所示。

在本实施例中，可以采用MATLAB模糊工具箱进行仿真，控制器的模糊推理采用Mamdani型，隶属度函数为三角形，解模糊采取最大隶属度法，模糊集为7级，模糊规则为ife is XX and ec is XX then u is XX。(其中XX为NB、MB、PB等)

根据传统锅炉液位三冲量PID控制方式，本设计的锅炉汽包液位控制系统使用串级的控制方式，传统的PID控制器作为副控制器，模糊自整定PID控制器作为主控制器，该系统控制图如图13所示。方案中设有两个闭环回路，外闭环回路用于克服控制外界蒸汽扰动，内闭环回路用于克服控制给水扰动。其中，外回路中主要为液位控制器，内回路主要为给水控制器，并且蒸汽流量扰动信号会通过前馈控制器进入给水控制器，以减少“虚假液位”带来的误差。

外闭环为主控制器，任务是实现液位的无静态偏差控制，达到对液位进行精确调节，内环副控制器是副控制器起到粗调节作用，主要任务是消除给水压力等其他因素引发的给水量扰动。

通过实验可测得，给水量与液位的传递函数为蒸汽流量与液位的传递函数为对以下情况进行仿真(1)液位给定阶跃跟踪响应时(2)加入给水流量扰动和连续加入蒸汽扰动时，并且所有仿真曲线的横坐标单位为秒。

自整定模糊控制器本身有较强的自适应能力，能够抵抗外界的干扰，较少出现或者不出现频繁振荡现象，使得避免出现了像有些不好的控制系统，会因某一时刻的外界干扰造成剧烈振荡，工程上甚至会出现生产危险等情况。由于烧结余热锅炉所持有的特殊性，会频繁产生蒸汽扰动，通过模拟仿真，传统PID控制器控制时系统输出有一个明显的调整，并且产生了小幅的振荡，说明具有一定的抗外来扰动的能力。但与其对比之下，参数模糊自整定PID控制器对外来信号的抗干扰能力就显现出了绝对的优势，外界干扰进入时，偏差很小，并且快速返回稳定状态。

经过仿真实验可以得出，模糊自整定PID控制比传统PID控制的控制效果要好，超调量更小，在短时间内可以达到稳定状态，并且在外界干扰的环境下，更具有较强的鲁棒性，能够适应扰动的影响，保持在稳定的状态。

通过对烧结余热锅炉汽包液位分别采取三冲量模糊参数自整定PID控制器和普通传统PID控制器进行仿真比较，从仿真结果可以看出：

1)汽包液位误差均能良好的消除，使得稳态静差很小。

2)当有外界干扰加入时，传统的PID控制器抗扰性能很差，有较大的系统响应，造成振荡加剧，而参数模糊自整定PID控制器超调较小，输出变化平稳缓和，能够有效的抵抗外界干扰。

3)参数模糊自整定PID控制系统的超调量相对比较小，振荡周期比较短。鲁棒性强，适应力强，适合在控制对象参数不确定，外界干扰大的场合应用。

本申请提供了锅炉液位控制的模糊自整定PID控制器的系统构成，并提出模糊PID参数建立的原则。根据模糊控制的组成要求，给出锅炉液位模糊自整定PID控制器的论域及模糊子集，并得到偏差和偏差变化率的隶属度函数图。根据实际的生产数据建立了合适的模糊规则表，从而得到针对三个PID控制参数K_p、K_i、K_d的整定的模糊控制表，并给出了模糊规则。同时，为在DCS程序中实现模糊自整定PID控制，给出了简化后的模糊规则及实际的参数值。

根据烧结余热发电生产特点以及工艺流程特殊性，自动控制系统采用对于过程控制性能更优的DCS系统，并没有采用对于运动控制更优的PLC系统，对需要控制以及参与连锁的生产设备以及工艺过程集中进行监控。从系统结构上，采用以电气、仪表、控制为一体的系统，构成一个结构化，功能齐全，结合生产管理与过程控制一体且安全可靠的系统。并且系统针对生产企业日后的长远发展，预留了优化与扩容的标准接口，做到提前为未来打算。

采用分散控制系统(DCS)作为机组的监控，实现2炉1机及辅助系统的集中控制(#2炉设就地控制室)。在少量就地人员配合下，在控制室内实现机和炉的启/停操作，并能在控制室内实现机组正常运行工况的监视、调整、控制以及异常工况的停炉、停机、报警和紧急事故处理。

在控制室内，分散控制系统(DCS)操作员站的LCD、键盘/鼠标是运行人员对机组监视、调整与控制的中心。当分散控制系统(DCS)发生整体性或重大事故时，可通过后备手操设备实现机组的紧急停炉、停机操作。机组的监视与控制主要由DCS来实现。分散控制系统DCS包括：数据采集系统(DAS)，模拟量控制系统(MCS)，顺序控制系统(SCS)，事件顺序记录(SOE)等。

硬件设置上大致可以归结为“两线四点”式结构，两线指的是现场控制级的现场总线以及以以太网为基础的计算机通讯网络，四点指的是一个面向被控对象的I/O控制站；五个面向操作员站。分别监控操作余热锅炉，汽轮发电机，冷凝器系统，汽机油系统以及电气综保系统。实现系统过程状态的显示、控制操作、报警显示、历史数据采集和各种趋势的显示及报表生成打印等；

在硬件配置设计上，根据整个烧结余热发电生产线的控制需求及IO点数要求，选用了和利时FM802作为主控CPU。其中FM802为CPU，FM910为电源模块。除此之外，还按照点数配置了智能IO模块，分DI，DO，AI，AO等，用来完成现场数据的采集与控制输出。和利时采用集成在机柜背板式的现场总线设计。采用冗余的主控单元(CPU)，通过现场总线(Prifibus-DP)连接到各个智能IO模块。比如与烧结系统的CPU进行数据交换，得到烧结环冷机出口烟温等运行数据，实现整个项目的功能。除了CPU所在机架的配置以外，还有很多远程IO站，这些远程IO站选用和利时性能可靠而又比较常用的。

考虑到汽包液位及其重要，采用杠杆式气动差压变送器来测量锅炉汽包的液位，通过变送器转换成标准4-20mA信号送至DCS系统；蒸汽流量采用孔板式差压变送器来测量，通过变送器转换成标准4-20mA信号也送至同一个DCS系统；经DCS系统的内部运算得出一个0P值来决定给水调节阀阀门的开度，从而达到控制锅炉汽包液位的目的。

为了便于硬件设备的安装和调试，同时提高保护等级及提高抗干扰能力，硬件CPU主机架和输入输出模块都安装在DCS柜内。模块与端子的接线都在出厂前连接好，可以在柜体到达现场后，只考虑出柜端子与外部设备接线即可，柜内的接线在出厂调试时就完成调试工作。

上述给出了余热发电控制系统的硬件设计以及DCS硬件的配置，对液位采集的方法及使用的仪表设备给出了相关的分析并给出了模块的接线图。提出传统PID控制和参数模糊自整定PID控制都是采用相同的DCS硬件。

不管是传统PID控制还是模糊PID控制，在实际的生产应用中都需要人机界面来配合，这个项目中的人机界面软件采用的是和利时公司的CON Maker软件。通过画面的编制，形成一幅一幅的操作界面。在传统PID控制中，PID参数可以直接从画面上给定，设定液位也由画面直接给定，而且还有手动/自动切换功能；在参数模糊自整定PID控制中，画面设置了模糊选择与模糊取消功能，在画面上只有液位设定，PID的参数最终由DCS程序中产生并直接用于PID调节控制。

在余热发电汽包控制程序中，传统的PID调节方法是采用固定的比例、积分和微分参数，这三个参数可以通过经验及现场调试后得出一个比较合适的控制参数，在一定的工况条件下，对液位的控制能取得很好的控制效果，当系统出现扰动后，也能快速的重新取得平衡，使控制输出值稳定在设定的液位值上下波动。但在实际生产应用时，工况基本上是时刻在发生变化的，每当工况发生比较大的变化时，原先调试得到的PID参数将不再能很好的适合余热锅炉液位控制，使传统的PID控制变得不能完全适用于烧结余热锅炉液位控制，从而使控制效果变差。

在编制传统PID控制程序时，按和利时MACS编程方法，PID控制功能直接从软件的固有模块中直接调用，采用HSPID功能块，程序的调用不从组织块MAC01_PRG中调用。通过汽包液位PID功能块得到一个控制给水流量的输出值，经过量程转换后，得到给水控制阀PID的流量设定参数，再次调用HSPID功能块，从而输出一个给谁控制阀的阀门开度值去控制给水阀门的开度，进而调节点汽包液位变化。

在调试过程中，结合生产的安全要求，给水调节阀进行了调节范围的设定，在5％至95％之间。

参数模糊自整定PID控制程序在和利时DCS中来实现，其方法就是采用变参数的模糊规则来实现的。根据采集反馈回来的实际液位跟设定温度进行比较，再根据比较得出的偏差值来进行判断，根据预先取得的经验数据，及规定好的模糊控制规则，从不同的偏差值得到不同的比例、积分、微分修正参数值，并把得到的修正参数值与初始的PID控制器的三个参数值相加，得到新的控制参数值送到锅炉液位PID控制器中进行调节控制。

与传统PID控制器的程序一样，不采用在MAC01_PRG中调用。程序中编制了一个专用的模糊控制功能块FBFuzzy来实现模糊控制器的功能，并且为这个功能块配置了局部变量表，可以实现相关数值的中间量运算，同时读取全局变量表中的目标液位、反馈液位等参数，作为功能的输入。整个模糊控制器的功能块由三个子功能FC100～FC102来完成，其中FC100完成液位偏差e的计算；FC101根据得到的液位偏差值进行模糊化处理也就是数据判断，并且产生程序跳转变量；FC102根据FC101中产生的跳转变量直接给出△P、△I、△D值，随后进行相加处理，得到不同时刻下及不同偏差值下的Kp、Ki、Kd参数，同时把这三个变参数送到HSPID中作为控制量，来调节余热锅炉的液位稳定。HSPID是和利时公司MACS开发软件中自带的PID调节功能块，可以在程序中直接调用。在调试过程中，结合生产的安全要求，给水调节阀进行了调节范围的设定，在5％至95％之间。

由于余热锅炉液位的稳定性对烧结余热发电安全生产起着非常大的作用，而目前国内的余热锅炉液位控制大部分还是采用传统的PID控制或人工手工控制，整个控制很不理想，因此针对这个控制现实，提出了采用参数模糊自整定PID控制的思想，并建立了余热锅炉液位控制系统的数学模型，用MATLAB进行仿真并用DCS程序来实现。

通过模糊控制的原理，建立了余热发电锅炉页为控制的模糊子集，给出了模糊规则表及模糊规则，通过MATLAB软件进行了仿真实验，得到传统PID控制与参数模糊自整定PID控制的仿真曲线，从得到的曲线可知，采用了参数模糊自整定PID控制后，余热锅炉液位控制性能得到了很大的改善。参数模糊自整定PID控制器的控制品质优于常规PID，根据系统的误差和误差变化率使Kp、Ki、Kd参数及时得到调整，从而提高系统对动态环境的适应能力，因此，在余热锅炉液位控制系统中，采用参数模糊自整定PID控制器，得到了更好的控制效果。

通过DCS程序来实现的参数模糊自整定PID控制中，对模糊规则进行了简化，通过对设定液位值后的两种调节曲线的比较同样可以得出：采用参数模糊自整定PID控制后，烧结余热发电锅炉液位控制能更快速的趋于稳定，而且超调值也大大缩小，控制系统的波动性更加小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锅炉液位的控制方法，其特征在于，包括：

将锅炉的液位变送器发送的实时信号与预设信号进行比较，确定锅炉的运行误差；

将所述运行误差通过模糊控制器进行多次数模转化得到输出量，所述输出量用于控制调节阀的开度以使所述锅炉的液位在预设范围内；

所述数模转化包括对所述运行误差构建模糊集与模糊关系，通过所述模糊集与所述模糊关系计算所述输出量；

所述模糊关系可通过以下公式获得：

R＝R₁∪R₂∪R₃∧∪R_k，

其中，

R_K＝(e_i×ec_j)^T×K_pk，

所述R_K为模糊子集；

所述K_pk为第k次所述锅炉进行自整定的所述控制量系数；

i＝1，2，…，m，m属于整数；

j＝1，2，…，n，n属于整数；

k＝1，2，…，L，L属于整数；

所述e_i为所述变送器发送的第i次的所述液位误差的实时信号；

所述ec_j为所述变送器发送的第j次的所述液位误差变化率的实时信号。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述输出量在输出之前，所述控制方法还包括对所述输出量的自整定步骤，所述自整定步骤包括：

根据所述运行误差输出所述锅炉的响应曲线，根据所述响应曲线对所述输出量进行调整。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述运行误差包括液位误差和液位误差变化率，所述自整定步骤包括：

当|e|的数值处于第一预设值时，所述锅炉输出响应位于所述响应曲线的第一值域时，增加K_p的数值，减少K_D的值，使K_I为零；或者

当|e|和|ec|的数值处于第二预设值时，所述锅炉输出响应位于所述响应曲线的第二值域时，减小K_p的值；或者

当|e|的数值处于第三预设值时，所述锅炉输出响应位于所述响应曲线的第三值域时，增加K_P和K_I的值；

其中，

所述e为液位误差；

所述ec为液位误差变化率；

所述K_P为比例控制量系数；

所述K_I为积分控制量；

所述K_D为积分控制系数。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述输出量通过以下公式获得：

u(k)＝K_Pe(k)+K_I∑e(k)+K_Dec(k)，其中，

所述e为液位误差；

所述ec为液位误差变化率；

所述K_P为比例控制量系数；

所述K_I为积分控制量；

所述K_D为积分控制量系数；

所述k属于整数。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述模糊集与所述模糊关系计算出所述输出量的步骤中包括：

通过所述模糊集与所述模糊关系形成决策矩阵，通过所述决策矩阵确定所述输出量。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述模糊集可通过以下公式获得：

K_W＝(e×ec)oR，其中，K_W为K_p、K_I、K_D中的一个；

所述R为所述模糊关系；

所述K_P为比例控制量系数；

所述K_I为积分控制量；

所述K_D为积分控制系数。

7.一种锅炉液位的控制系统，所述控制系统的控制方法为权利要求1至6中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制系统包括调节阀、汽包装置，所述调节阀与所述汽包装置通过管路相连接，所述控制系统还包括液位变送器和模糊控制器，所述液位变送器与所述模糊控制器电连接。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述液位变送器用于对所述调节阀进行实时监测并获取实时信号，所述模糊控制器通过将所述实时信号进行数模转化以控制所述调节阀的开度。