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畢業論文鍋爐
基于PLC工業鍋爐汽包水位控制系統的設計
The Design of the Boiler Drum Water
Level Control System with PLC
摘 要
鍋爐是眾多工業部門必不可少的重要動力設備。因此，鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。因而，對鍋爐設備中的自動控制系統進行分析研究是必要的。鍋爐水位控制系統是鍋爐生產控制系統中最重要的環節。對鍋爐生產操作如果不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設備控制系統中的重要性。
鍋爐汽包水位是一個非常重要的被控變量。由于鍋爐的水位調節過程難以建立數學模型，具有非線形、不穩定性、時滯等特點。傳統的鍋爐水位三沖量控制系統大都采用PID控制，其控制效果還可以進一步提高。而模糊控制不要求知道被控對象的精確模型，只需要操作人員的經驗知識及操作數據，魯棒性強，非常適合于非線性、滯后系統的控制。
關鍵詞: 汽包水位； 模糊PID； 三沖量
Abstract
The boiler is numerous essential important power equipment of industrial department. So, the boiler has often become an indispensable part of many factories. Therefore, it is essential for automatic control system in the boiler equipment to research. The water level control system of the boiler is that the boiler produces the most important link in the control system. If the production operation of the boiler is unreasonable, it is improper to deal with, and will often cause the accident. The majority in these accidents is caused because of improper in control the water level of the boiler. That can see the importance in the equipment control system of the boiler of control of water level of steam dome of the boiler.
The auto-control of the drum water level is very important. The drum water level is an important variable to be controlled, it is hard to get the mathematic model of the water level with adjust process. It is characteristic of nonlinearity, instability and time lag. The traditional control mode of three-variable in the drum water level most use PID, the effect of it can be improved. The fuzzy control does not need precise mathematic model of the controlled object, it only needs the experience of operator and the date of operating it has good robustness and it fit to control the system with nonlinearity and lag.
Keywords: Drum water level, Fuzzy-PID, Three-variable
目 錄
摘 要 .............................................. I ABSTRACT ......................................... I
1.引言 ............................................... 1
2.工業鍋爐的理論基礎.................................. 1
2.1工業鍋爐的控制要求與工藝流程 ............................................................1
2.2鍋爐設備控制系統 ..................................................................................2
2.3鍋爐水位控制系統在鍋爐生產控制系統中的重要性 ..............................3
3鍋爐汽包水位的基本特性和汽包水位控制系統方案選擇 ..... 3
3.1鍋爐汽包水位控制對象的基本特性 ........................................................3
3.1.1汽包水位在給水流量擾動下的動態特性 .............................................4
3.1.2汽包水位在蒸汽負荷擾動下的動態特性 .............................................5
3.1.3燃料量擾動下汽包水位的動態特性 ....................................................6
3.2鍋爐汽包水位控制系統及控制方案選擇.................................................7
3.2.1單沖量水位控制系統 ...........................................................................7
3.2.2雙沖量水位控制系統 ...........................................................................8
3.2.3三沖量水位控制系統 ...........................................................................8
3.2.4三沖量模糊水位控制系統 ...................................................................9
3.2.5汽包水位控制系統方案的選擇 ..........................................................10
4．鍋爐汽包水位模糊控制系統的設計 .................... 11
4.1主回路模糊控制器的設計 ..................................................................... 11
4.1.1確定模糊控制器的結構及輸入、輸出語言變量................................ 11
4.1.2確定各變量的隸屬度函數和賦值表 .................................................. 11
4.1.3模糊控制規則的確定 .........................................................................14
4.1.4模糊控制響應表的生成 .....................................................................14
4.2模糊動態前饋控制器的設計 .................................................................16
4.3 PID控制的設計 ....................................................................................16
4.3.1PID控制的基本公式...........................................................................16
4.3.2 PID的參數設置 ................................................................................16
5. PLC選型及資源分配 ................................ 17
5.1 PLC電氣圖和I/O分配表 .....................................................................17
5.2 PLC選型................................................................................................18
5.3 傳感器選型 ...........................................................................................18
5.4特殊模塊功能........................................................................................18
6.控制系統程序設計 .................................. 18
6.1編程軟件 ...............................................................................................19
6.2控制系統流程圖 ....................................................................................19
6.2.1控制系統總流程圖設計 .....................................................................19
6.2.2模糊控制流程圖 ................................................................................19
6.2.3PID控制流程圖 ..................................................................................20
6.2.4動態前饋流程圖 ................................................................................20
6.3系統的程序設計 ....................................................................................21
6.3.1水位控制 ...........................................................................................21
6.3.2模糊控制算法的PLC實現 .................................................................21
6.3.3 PID控制的PLC實現 .........................................................................22
7 結束語 ............................................ 23
致謝 ................................................ 24
參考文獻： .......................................... 25
附錄： .............................................. 26
1. 引言
在鍋爐運行中,水位是一個很重要的參數。若水位過高,則會影響汽水分離的效果,使用電氣設備發生故障;而水位過低,則會破壞汽水循環,嚴重時導致鍋爐爆炸。同時高性能的鍋爐產生的蒸汽流量很大,而汽包的體積相對來說較小,所以鍋爐水位控制顯得非常重要。鍋爐水位自動控制的任務,就是控制給水流量,使其與蒸發量保持平衡,維持汽包內水位在允許的范圍內變化。
目前我國有各類鍋爐幾十萬臺，其中相當大的部分還在使用常規儀表控制。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位”現象，而常規儀表所常用的PID算法對“假水位”現象的控制效果并不理想，若要較好的控制“假水位”現象，采用常規儀表所構成的控制器，其結構復雜性又會增加，造成成本較高。因此研究新型的水位控制系統，使其能進一步提高水位控制的效果，同時又具有結構簡單、容易實現的特點，還是非常必要的。
模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產物。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言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數學模型的被控對象進行有效的控制。三沖量鍋爐水位控制系統中的主回路控制部分與蒸汽前饋控制部分正是屬于這種情況：由于虛假液位的影響和各種參數存在的時變性而導致無法確定這一過程的數學模型，這樣就不能設計常規的控制器進行控制[1]。
2.工業鍋爐的理論基礎
2.1工業鍋爐的控制要求與工藝流程
鍋爐是化工、煉油、發電、造紙和制糖等工業生產過程必不可少的重要動力設備。尤其是在現代化的石油化工企業里，熱力站的設立可以使工藝生產過程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不僅能為反映器、蒸餾塔、換熱器以及其他設備、管道保溫伴熱提供熱源，而且還可以為生產過程中的風機、壓縮機、泵類驅動透平提供動力來源。工業蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量與蒸發量保持動態平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，也是鍋爐正常生產運行的主要指標之一。
所有各種鍋爐，雖然燃料種類各不相同，但蒸汽發生系統和蒸汽處理系統是基本相同的。常見的鍋爐設備的主要工藝流程圖如圖2-1所示。
圖2-1工業鍋爐工藝流程
首先除氧水通過給水泵進入給水調節閥，通過給水調節閥進入省煤器，冷水在經過省煤器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成溫水進入汽包，在汽包內加熱至沸騰產生蒸汽，為了保證有最大的蒸發面因此水位要保持在鍋爐上汽包的中線位置，蒸汽通過主蒸汽閥輸出。空氣經過鼓風機進入空氣預熱器，在經過空氣預熱器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成熱空氣進入爐膛。煤經過煤斗落在爐排上，在爐排的緩慢轉動下煤進入爐膛被前面的火點燃，在燃燒過程中發出熱量加熱汽包中的水，同時產生熱煙氣。在引風機的抽吸作用下經過省煤氣和空氣預熱器，把預熱傳導給進入鍋爐的水和空氣。通過這種方式使鍋爐的熱能得到節約。降溫后的煙氣經過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。
2.2鍋爐設備控制系統
鍋爐生產控制系統，是指鍋爐生產過程的自動化系統。即通過各種檢測儀表，調節儀表，控制裝置（運算器，監控器，執行器）等自動化技術工具，對鍋爐生產過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進行自動控制的系統。自動控制的目的是實現各種最優的技術經濟指標，減輕勞動強度，提高經濟效益和生產率，節約能源，改善勞動環境條件。
鍋爐設備控制劃分為若干個控制系統。主要控制系統如下。
1）鍋爐汽包水位的控制
被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。他主要考慮汽包內部的物料平衡，使
給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包水位在工藝允許范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋爐、氣輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的指標。
2）鍋爐燃燒系統的控制
其控制目的是使燃料燃燒所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比例，以保證最經濟燃燒，提高鍋爐的燃燒效率；使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓在一定范圍內。為達到上述三個控制目的，控制手段也有三個，即燃料量、送風量和引風量[2]。
3）過熱蒸汽系統的控制
維持過熱器出口溫度在允許范圍內，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。被控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。
2.3鍋爐水位控制系統在鍋爐生產控制系統中的重要性
鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設備，是工業生產中的常用設備。對鍋爐生產如果操作不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故，輕則停爐影響生產，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設備，后果十分嚴重。因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。
工業鍋爐中最常見的事故有：鍋內缺水，鍋爐超壓，鍋內滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水事故比例最高。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設備控制系統中的重要性。
3鍋爐汽包水位的基本特性和汽包水位控制系統方案選擇
3.1鍋爐汽包水位控制對象的基本特性
工業鍋爐的汽水系統結構如圖3-1所示。
2
1 3 4 7 8
5
6
圖3-1工業鍋爐汽水結構
1— 給水母管；2—調節閥；3—省煤器；4—汽包；
5—下水管；6—上升管；7—過熱器；8—蒸汽母管
貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動就是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主要擾動 那么，汽包水位對象的動態特性可用方程式表示為：
T1T2dkdt22?Tdk1dt?(Twdvwdt?kwvw)?T(ddvddt?kdvd ) （公式1）
式中 T1、T2 時間常數，Tw 給水流量項時間常數，Td 蒸汽流量項時間常數，Kw 給水流量項放大系數，KD 蒸汽流量項放大系數。
3.1.1汽包水位在給水流量擾動下的動態特性
給水流量對水位的影響，即控制通道的動態特性。把汽包和給水看作單容無自衡對象，水位響應曲線應為一條直線。但由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包內氣泡含量減少，導致水位下降。即當突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現一段起始慣性段[3]。
圖3-1-1所示是給水流量作用下，水位的階躍響應曲線。把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應曲線如圖中H1線。
圖3-1-1 汽包水位在給水流量擾動下的階躍響應曲線
但是由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸取部分熱量。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個因數，水位的變化如圖中曲線H2，相當于一個慣性環節，實際上水位H的響應為H1與H2的和。當水位下汽包容積的變化過程逐漸平衡時，水位變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。最后當水位下汽包容積不再變化時，水位變化就完全反映了由于儲水量的增加而直線上升。因此，實際水位曲線如圖2中H線。即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現出一段起始慣性段。用傳遞函數來描述時，它近似于一個積分環節和時滯環節的串聯。可表示為：
Wow(s)?H(s)W(s)??
s???
1??s??
s(1??s)
式中 ?:遲延時間(s); ?:響應速度，即給水流量改變一個單位流量時。
3.1.2汽包水位在蒸汽負荷擾動下的動態特性
蒸汽負荷（蒸汽流量）對水位的影響，即干擾通道的動態特性
在蒸汽流量擾動下，水位響應曲線如圖3-1-2。從圖上可以看出，在燃燒不變的情況下，蒸汽用量突然增加，瞬時間必然導致汽包壓力下降，汽包內水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假的水位上升現象，即所謂 “虛假水位”現象。 “虛假水位”是由兩個原因造成的：
（1） 由于鍋爐蒸汽負荷增加，使爐管和汽包中汽水混合物的汽、水比例發生變化（汽
容積增加）而引起汽包水位上升，這是引起汽包“虛假水位”的主要原因。
（2） 蒸汽流量增加，汽包氣壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽
包水位隨壓力下降而升高。
圖3-1-2汽包水位在蒸汽負荷擾動下的階躍響應曲線
當蒸汽流量D突然增加時，從鍋爐的物料平衡關系來看，蒸汽量D大于給水量W，水位應下降，如圖中直線H1所示。但實際情況并非這樣，由于蒸汽用量的增加，瞬間必然導致汽包壓力的下降。汽包內的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使水位變化的曲線如圖3-1-2中H2所示。而實際顯示的水位響應曲線H為H1+H2。從圖上可以看出，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發量，但在一開始時，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）這種現象稱之為“虛假水位”。
應該指出：當負荷變化時，水位下汽包容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中H2的時間常數只有10~20S。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態特性可用函數表示為：
WOD(s)?
H(s)D(s)
?
k21?T2s
?
?
s
式中， T2:曲線2的時間常數 k2:曲線2的放大系數 ?:曲線1的響應速度 “虛假水位”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發量有關。例如，一般１００～２００t/h的中高壓鍋爐，當負荷變化１０％時，“虛假水位”可達３０～４０mm。“虛假水位”現象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發量的變化的大小有關，而與給水流量無關[4]。
3.1.3燃料量擾動下汽包水位的動態特性
汽包水位在燃料量Ｂ擾動下的響應曲線如圖3-1-3所示，當燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發強度增大。如果氣輪機側的用汽量不加調節，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發量大于給水量，暫時產生了汽包進出口工質流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現虛假水位現象，但由于燃燒率的增
加也將氣量Ｄ緩慢增加，故虛假水位現象要比Ｄ擾動下緩和得多[5]。
圖3-1-3 汽包水位在燃燒率擾動下的階躍響應曲線
3.2鍋爐汽包水位控制系統及控制方案選擇
3.2.1單沖量水位控制系統
單沖量水位控制系統是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經變送器送到水位調節器，調節器根據汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內。單沖量水位控制系統，是汽包水位控制系統中最簡單最基本的一種形式[6]。
圖3-2-1單沖量水位控制系統
如圖3-2-1所示是單沖量變量水位控制系統。單沖量即汽包水位。這種控制結構簡單，是單回路定制控制系統，在汽包內水的停留時間較長，負荷又比較穩定的場合下再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。
然而，在停留時間較短，負荷變化較大時，采用單沖量水位控制系統就不能適用。這是由于：①負荷變化時產生的“虛假水位“將使調節器反向錯誤動作，負荷增大時反向關小給水調節閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動厲害，動態品質很差。②負荷變化時，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再有水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數很小，偏差必然相當顯著。 3.2.2雙沖量水位控制系統
雙沖量水位控制系統是在單沖量水位控制系統的基礎上加入了以蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統。如圖3-2-2，由于引入了蒸汽流量前饋信號，當蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，可以減少或抵消由于“虛假液位”現象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。使調節閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大的減小給水量和水位的波動，縮短過度過程時間。
圖3-2-2 雙沖量控制系統
雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務。在給水流量比較平穩時，采用雙沖量控制是能夠達到控制要求的。
雙沖量水位控制系統存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當給水量發生擾動時，要等到汽包水位變化時才通過調節器作用執行器進行調節，滯后時間長，水位波動較大。因此，如果給水母管壓力經常有波動，給水調節閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。 3.2.3三沖量水位控制系統
三沖量控制系統，以汽包水位為主控制信號，蒸汽流量為前饋控制信號，給水流量
為反饋控制信號組成的控制系統。三沖量水位控制系統組成原理圖如圖3-2-3。
圖3-2-3三沖量控制系統
現代工業鍋爐都向著大容量高參數的方向發展，一般鍋爐容量越大，汽包的容水量就相對越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在很短的時間內就會發生危險水位；如果僅是給水量和蒸汽量不相適應，也可能在幾分鐘呢出現缺水和滿水事故，這樣對汽包水位要求就更高了。三沖量控制系統，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負荷忽然變化時，蒸汽流量信號使給水調節閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調節閥開大，抵消了“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量改變時，調節器能迅速消除干擾。如給水流量減少，調節器立即根據給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變。
3.2.4三沖量模糊水位控制系統
由常規控制理論的局限性和模糊控制理論的特點可以看出，對于存在精確數學模型的自動控制系統，常規控制理論發揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。但在實際系統中，工業生產過程是極其復雜的，無法得到描述這些過程的數學模型，盡管通過各種測試手段及數據處理方法獲得數學模型，但也很難得到確切描述這些過程的傳遞函數或狀態方程。這樣常規控制理論就無法勝任，必須尋求新的控制理論來取代常規控制理論進行控制。
三沖量系統可以克服“虛假液位”引起的反向動作，并且可以克服給水流量信號變化而引起調節器動作做不及時而引起的水位波動。但是各種參數又存在不同程度的時變性，且過程具有非線性，強耦合的特點，特別是蒸汽負荷變化對水位的影響，當蒸汽負荷增加和減小時，汽包水位在蒸汽作用下的動態特性不一致，這樣很難確定三沖量控制
系統中蒸汽前饋系統的精確數學模型，這就使得三沖量控制系統的控制規律很難找到，即使找到控制規律也很難作的精確。這樣想采用三沖量水位控制系統來實現鍋爐水位的自動控制而又達到規定的工藝要求異常困難。
對于大型鍋爐，汽包的容量相對較小，則對鍋爐汽包水位的要求更高，汽包水位就必須實現全自動控制才能滿足。因而，汽包水位控制就采用比較復雜而投資比較大的控制系統。對于中小型鍋爐，汽包的容量相對較大，則對汽包水位的控制要求就沒那么高，又由于常規三沖量控制系統很難實現汽包水位的自動控制，所以中小型鍋爐允許適當的采用手動控制。這樣對于中小型鍋爐就可以考慮用模糊控制系統來取代常規的三沖量PID控制系統。
模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產物。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言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數學模型的被控對象進行有效的控制。將模糊集合理論運用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發展，其原因在于對那些時變的非線性的復雜系統，當無法獲得精確的數學模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。
3.2.5汽包水位控制系統方案的選擇
通過以上方案的比較，常規的三沖量控制系統中，由于“虛假液位”的原因使得蒸汽負荷上升和下降時的動態特性曲線不對稱，且系統參數具有時變性，不能求出準確的數學模型，也就不能設計出準確的前饋控制器，能實現靜態前饋，但對動態性能控制不好。考慮到模糊控制器的設計不需要知道該過程的數學模型以及它的其他特點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。
4．鍋爐汽包水位模糊控制系統的設計
圖 4-1 汽包鍋爐水位模糊控制系統的結構圖
設計一個模糊控制器以實現語言控制，必須解決以下稱為模糊控制器結構的3方面問題：
（1） 精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集； （2） 模糊控制算法的設計，通過一組模糊條件語句構成模糊控制規則，并計算模糊控制規則決定的模糊關系；
(3)輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉化。
4.1主回路模糊控制器的設計
4.1.1確定模糊控制器的結構及輸入、輸出語言變量
根據控制對象——汽包及控制精度，模糊控制器的結構選為二輸入單輸出結構，輸入語言變量選為汽包液位偏差e和偏差變化率ec，e=AV-SV，AV為液位測量值，SV為液位設定值。這樣就為該汽包液位控制系統選定了一個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選為三角形的[7]。 4.1.2確定各變量的隸屬度函數和賦值表
工業鍋爐在正常運行時，偏差變化范圍為[-50cm，+50cm]，所以，設偏差e的基本論域為[-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=0.12，為語言變量選取7個語言值：PB，PM，PS，Z，NS，NM和NB。
確定偏差e的基本論域在離散域X上的隸屬函數?(x) 如下：
圖4-1-2偏差e的隸屬函數
根據上面隸屬函數建立語言變量E的賦值表如下：
表4-1-2 語言變量E的賦值表
設偏差變化率ec的基本論域為[-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=0.4。為語言變量EC選取PB，PM，PS，Z，NS，NM和NB共7個語言值。 確定偏差ec的基本論域在離散域Y上的隸屬函數?(y) 如下：
圖4-1-3 偏差ec的隸屬函數
建立偏差變化率ec的語言變量EC的賦值表：
表4-1-3 語言變量EC的賦值表
設控制量變化?的基本論域為[-10，+10]，選定U的離散論域為Z={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，則得控制量變化?的量化因子ku=6/10=0.6。同樣，為語言變量U選取PB，PM，PS，Z，NS，NM和NB共7個語言值。確定出控制量U的隸屬函數，再建立語言變量U賦值表如下：
圖4-1-4控制量u的隸屬函數
表4-1-4 語言變量U賦值表
4.1.3模糊控制規則的確定
對于雙輸入單輸出模糊控制器，規則選用“if e and ec then u”的形式[8]。根據控制經驗，列出控制規則表如下：
表4-1-5 控制規則表
4.1.4模糊控制響應表的生成
模糊控制器在線計算推理模糊關系時，需要耗費大量時間，占用大量內存。而工業鍋爐在運行時，需要提高安全性，就必須對控制系統的實時性有較高的要求。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表，必須選擇一種模糊推理算法。當模糊控制器采用查表法實現時，用來離線設計查詢表，當模糊控制器采用軟件推理法實現時，用來在線進行模糊推理。該模糊控制系統采用Mamdani模糊推理算法。對求得的輸出模糊集合用加權平均法解模糊，得到精確量，即模糊控制響應表。
當輸入偏差E=-6，EC=3時，根據隸屬函數，查得對應兩條規則： ① if E=NB and EC=PS then U=PM ② if E=NB and EC=PM then U=Z 應用Mamdani模糊推理算法如下圖4-1-5：
4-1-5 Mamdani模糊推理算法
應用重心法（加權平均法）解模糊，得到控制器輸出的精確量。同理，應用上述算法算出169個離散點的輸出。以下不再贅述。現將最后算出的模糊控制響應表列出如下
表4-1-6
4.2模糊動態前饋控制器的設計
該模糊控制器是解決鍋爐汽包控制系統在運行時，蒸汽負荷變化對汽包造成虛假液位問題的主要控制器。原始的PID控制系統不能實現動態前饋，且靜態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荷變化時，汽包的外擾特性，即數學模型，且魯棒性好，對于非線性和參數時變系統有較好的控制能力[9]。所以前饋控制器采用模糊控制器。
在圖4-1中，模糊動態前饋控制器采用單輸入單輸出結構，輸入變量為：正常工況下蒸汽母管流量與擾動后蒸汽母管流量之差e，輸出語言變量為閥門開度變化量u，模糊動態前饋控制器的設計步驟如下：
（1）輸入變量e、輸出變量u的論域均取為[-4 4]，輸入變量e的語言值取為{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}，輸出變量e、輸出變量u的語言值的隸屬函數都選擇三角形的隸屬度函數。
（2）此控制器仍是離線算出控制表，通過查詢方式找到對應的控制量。應用Mamdani模糊推理算法，加權平均法解模糊。 （3）規則選用“if e then u”的形式。
控制規則表如表4-2所示：
4.3 PID控制的設計
4.3.1PID控制的基本公式
PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)的縮寫，PID控制器是目前應用最為廣泛的閉環控制器。標準PID的控制值與偏差(實際值與設定值之差)、偏差對時間的積分、偏差對時間的微分，三者之和成正比。模擬量PID控制器的輸出表達式為
u(t)?Kp[e(t)?
1Ti
?
t0
e(t)dt?
TDde(t)dt
]?M
,式中u(t)為控制值 e(t)為偏差值，Kp為比例系
數，Ti為積分常數，TD為微分常數，M為積分部分的初始值。 4.3.2 PID的參數設置
P增益： 設定范圍：0.01～10.0倍
這是操作量和偏差之間有比例關系的動作。增益取大時，響應快，但過大將產生振
蕩。增益取小時，響應遲后。實際中本設計取0.5。 積分時間：
設定范圍：0.1～3600s
操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關系的動作，即輸出按偏差積分的動作。積分時間大時，響應遲后，另外，對外部擾動的控制能力變差。積分時間小時，響應速度快，但過小將產生振蕩[10]。實際中本設計取50s。
5. PLC選型及資源分配
5.1 PLC電氣圖和I/O分配表
圖5-1 PLC I/0口分配圖
根據上述關于PLC控制系統的基本單元輸入和輸出信號統計，制定I/O分配表，具體對應關系如下表5-1所示。模擬量模塊輸入地址分配表如表5-2所示。
表5-1 PLC I/O 分配表
表5-2模擬量模塊輸入地址分配表
5.2 PLC選型
根據系統的I/O點數，并考慮富裕量及今后系統的擴展升級和工藝控制等問題，本系統設計采用三菱公司的FX2N-16MR型作為主機，FX2N-48MR型是三菱公司的典型產品，具有功能強大，處理速度快、容量大等優點，屬于高性能小型機，系統I/O總點數為16點，輸入、輸出均為8點，配置擴展單元后可增加I/O點數。
5.3 傳感器選型
各傳感器主要用于水位、蒸汽流量、給水流量等測量。
(1) 應力式渦街流量傳感器: 一種既可以測蒸汽、氣體又可以測液體的傳感器 流速: 氣（汽）體：3 m/s ～ 90 m/s 液體： 0.27 m/s ～ 9 m/s
(2)連桿浮球式液位開關(IL-140-2):一種基于自重原理工作的液位開關。當浮球受液體浮力作用而隨液位上升時，浮球向上移動后壓縮彈簧，并快速啟動微型開關，輸出相應觸點。
5.4特殊模塊功能
系統同時配有FX2N-4AD特殊功能模塊作為模擬量控制的輸入接口。其中FX2N-4AD模擬量輸入模塊接到FX2N-16MR基本單元的最近位置，模塊編號為0，CH1，CH2，CH3通道分別與應力式渦街流量傳感器、應力式渦街流量傳感器、連桿浮球式液位開關。
6.控制系統程序設計
6.1編程軟件
編程軟件采用三菱公司為其生產的SWOPC-FXGP/WIN-CVERSINON2.11。
PLC
開發的編程軟件
6.2控制系統流程圖
6.2.1控制系統總流程圖設計
圖6-2-1 控制系統總流程圖
6.2.2模糊控制流程圖
圖6-2-2 模糊控制流程圖
6.2.3PID控制流程圖
圖6-2-3 PID 流程圖
6.2.4動態前饋流程圖
圖6-2-4 動態前饋流程圖
6.3系統的程序設計
6.3.1水位控制
當輸入起動的指令時(X0= 1) , 輔助繼電器Y0 被激勵, 給出系統運行指示(Y0=
1) , 并且工作指示燈亮。為鍋爐水位雙位控制。當水位到最低位(X2= 1) , 輔助繼電器M 0 被激勵(M 0= 1) , 同時給水泵電動機起動運行(Y1= 1)。當水位到最高位(X3= 1) , 水泵電動機停止; 當水位到最低位(X2= 1) 時重復上述過程, 實現鍋爐水位雙位控制。當雙位式控制失靈, 鍋爐內水位低至過低限后(X4= 1) , 輔助繼電器M 1 被激勵(M 1= 1) 實現聲光報警, 警鈴聲音應報警(Y2= 1) , 答后(X5= 1) 消音; 報警燈仍以1s (T1、T2) 為周期閃爍, 直至故障消除[11]。具體梯形圖如6-3-1。
圖6-3-1
6.3.2模糊控制算法的PLC實現
首先將模糊化過程的量化因子
ke
、
kec
、u存入PLC的保持繼電器中，然后利用A/D
k
模塊將輸入量采集到PLC的D數據區，根據它們所對應的的輸入模糊論域中的相應元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量U，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出量u,由D/A模塊輸出對閥門度進行控制。在模糊控制算法的實現中，模糊控制量表的查詢是程序設計的關鍵，圖6-3-2給出了實現模糊控制量表查表功能的梯形圖。為了簡化程序設計，程序設計中將輸入模糊論域的元素有[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]轉化為[0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12]，將模糊控制量表中的U的
控制結果按由上到下、由左到右的順序依次存入D100~D268中，控制量的基址為100，偏移地址為Ec*13+E。圖中，D0和D1分別為E和Ec在模糊論域中所對應的元素[12]。
圖6-3-2
6.3.3 PID控制的PLC實現
7 結束語
由于本系統設計采用可編程控制器批plc作為鍋爐控制系統的控制核心，使該控制系統具有操作方便，運行可靠，便于修改，擴充等優點。主回路我們設計的是PI控制器和模糊控制器并聯的混合控制器，減小了靜態誤差，改變對象參數后，模糊控制系統仍能使偏差在工藝允許范圍內。副回路用模糊控制器取代了常規控制器，解決了因為“虛假液位”造成的不能確定精確的數學模型而無法采用常規控制器進行自動控制的問題并且實現了動態前饋[13]。
鑒于學校實驗設備有限，未能將本系統設計的plc梯形圖進行模擬調試，所以系統軟件設計的可行性未能得到實踐證明；鑒于系統建設資金龐大，本系統設計還停留于理論上的方案設計和驗證，本次設計尚待檢測、實踐。
致謝
首先要感謝我的導師朱笑花老師。朱老師平日里工作繁多，但在我做畢業設計的每個階段，從外出實習到查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是朱老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩朱老師的專業水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。
其次，我還要感謝一起做PLC論文的各位同學，正是他們的幫助，讓我克服了一個個困難。
最后，向我的父母，及所有的老師致謝，感謝他們的栽培與支持！
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附錄：
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