毕业论文锅炉
基于PLC工业锅炉汽包水位控制系统的设计
The Design of the Boiler Drum Water
Level Control System with PLC
摘 要
锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备。因此，锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。
锅炉汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型，具有非线形、不稳定性、时滞等特点。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制，其控制效果还可以进一步提高。而模糊控制不要求知道被控对象的精确模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，非常适合于非线性、滞后系统的控制。
关键词: 汽包水位； 模糊PID； 三冲量
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 录
摘 要 .............................................. I ABSTRACT ......................................... I
1.引言 ............................................... 1
2.工业锅炉的理论基础.................................. 1
2.1工业锅炉的控制要求与工艺流程 ............................................................1
2.2锅炉设备控制系统 ..................................................................................2
2.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性 ..............................3
3锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择 ..... 3
3.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性 ........................................................3
3.1.1汽包水位在给水流量扰动下的动态特性 .............................................4
3.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性 .............................................5
3.1.3燃料量扰动下汽包水位的动态特性 ....................................................6
3.2锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择.................................................7
3.2.1单冲量水位控制系统 ...........................................................................7
3.2.2双冲量水位控制系统 ...........................................................................8
3.2.3三冲量水位控制系统 ...........................................................................8
3.2.4三冲量模糊水位控制系统 ...................................................................9
3.2.5汽包水位控制系统方案的选择 ..........................................................10
4．锅炉汽包水位模糊控制系统的设计 .................... 11
4.1主回路模糊控制器的设计 ..................................................................... 11
4.1.1确定模糊控制器的结构及输入、输出语言变量................................ 11
4.1.2确定各变量的隶属度函数和赋值表 .................................................. 11
4.1.3模糊控制规则的确定 .........................................................................14
4.1.4模糊控制响应表的生成 .....................................................................14
4.2模糊动态前馈控制器的设计 .................................................................16
4.3 PID控制的设计 ....................................................................................16
4.3.1PID控制的基本公式...........................................................................16
4.3.2 PID的参数设置 ................................................................................16
5. PLC选型及资源分配 ................................ 17
5.1 PLC电气图和I/O分配表 .....................................................................17
5.2 PLC选型................................................................................................18
5.3 传感器选型 ...........................................................................................18
5.4特殊模块功能........................................................................................18
6.控制系统程序设计 .................................. 18
6.1编程软件 ...............................................................................................19
6.2控制系统流程图 ....................................................................................19
6.2.1控制系统总流程图设计 .....................................................................19
6.2.2模糊控制流程图 ................................................................................19
6.2.3PID控制流程图 ..................................................................................20
6.2.4动态前馈流程图 ................................................................................20
6.3系统的程序设计 ....................................................................................21
6.3.1水位控制 ...........................................................................................21
6.3.2模糊控制算法的PLC实现 .................................................................21
6.3.3 PID控制的PLC实现 .........................................................................22
7 结束语 ............................................ 23
致谢 ................................................ 24
参考文献： .......................................... 25
附录： .............................................. 26
1. 引言
在锅炉运行中,水位是一个很重要的参数。若水位过高,则会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而水位过低,则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。
目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常必要的。
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制部分与蒸汽前馈控制部分正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学模型，这样就不能设计常规的控制器进行控制[1]。
2.工业锅炉的理论基础
2.1工业锅炉的控制要求与工艺流程
锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反映器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平提供动力来源。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。
所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图2-1所示。
图2-1工业锅炉工艺流程
首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。
2.2锅炉设备控制系统
锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调节仪表，控制装置（运算器，监控器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改善劳动环境条件。
锅炉设备控制划分为若干个控制系统。主要控制系统如下。
1）锅炉汽包水位的控制
被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑汽包内部的物料平衡，使
给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。
2）锅炉燃烧系统的控制
其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量[2]。
3）过热蒸汽系统的控制
维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。
2.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性
锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。
工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。
3锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择
3.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性
工业锅炉的汽水系统结构如图3-1所示。
2
1 3 4 7 8
5
6
图3-1工业锅炉汽水结构
1— 给水母管；2—调节阀；3—省煤器；4—汽包；
5—下水管；6—上升管；7—过热器；8—蒸汽母管
贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动就是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动 那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为：
T1T2dkdt22?Tdk1dt?(Twdvwdt?kwvw)?T(ddvddt?kdvd ) （公式1）
式中 T1、T2 时间常数，Tw 给水流量项时间常数，Td 蒸汽流量项时间常数，Kw 给水流量项放大系数，KD 蒸汽流量项放大系数。
3.1.1汽包水位在给水流量扰动下的动态特性
给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线应为一条直线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内气泡含量减少，导致水位下降。即当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现一段起始惯性段[3]。
图3-1-1所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。
图3-1-1 汽包水位在给水流量扰动下的阶跃响应曲线
但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量。这使得水位下汽包容积有所减少，使水位下降，单考虑这个因数，水位的变化如图中曲线H2，相当于一个惯性环节，实际上水位H的响应为H1与H2的和。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图2中H线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。可表示为：
Wow(s)?H(s)W(s)??
s???
1??s??
s(1??s)
式中 ?:迟延时间(s); ?:响应速度，即给水流量改变一个单位流量时。
3.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性
蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性
在蒸汽流量扰动下，水位响应曲线如图3-1-2。从图上可以看出，在燃烧不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓 “虚假水位”现象。 “虚假水位”是由两个原因造成的：
（1） 由于锅炉蒸汽负荷增加，使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化（汽
容积增加）而引起汽包水位上升，这是引起汽包“虚假水位”的主要原因。
（2） 蒸汽流量增加，汽包气压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水的汽化，使汽
包水位随压力下降而升高。
图3-1-2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的阶跃响应曲线
当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图3-1-2中H2所示。而实际显示的水位响应曲线H为H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。
应该指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中H2的时间常数只有10~20S。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为：
WOD(s)?
H(s)D(s)
?
k21?T2s
?
?
s
式中， T2:曲线2的时间常数 k2:曲线2的放大系数 ?:曲线1的响应速度 “虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般１００～２００t/h的中高压锅炉，当负荷变化１０％时，“虚假水位”可达３０～４０mm。“虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉的气压和蒸发量的变化的大小有关，而与给水流量无关[4]。
3.1.3燃料量扰动下汽包水位的动态特性
汽包水位在燃料量Ｂ扰动下的响应曲线如图3-1-3所示，当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度增大。如果气轮机侧的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增
加也将气量Ｄ缓慢增加，故虚假水位现象要比Ｄ扰动下缓和得多[5]。
图3-1-3 汽包水位在燃烧率扰动下的阶跃响应曲线
3.2锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择
3.2.1单冲量水位控制系统
单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式[6]。
图3-2-1单冲量水位控制系统
如图3-2-1所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制结构简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。
然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。这是由于：①负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。②负荷变化时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。 3.2.2双冲量水位控制系统
双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。如图3-2-2，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就向正确的方向动作。因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。
图3-2-2 双冲量控制系统
双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控制任务。在给水流量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。
双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行器进行调节，滞后时间长，水位波动较大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制。 3.2.3三冲量水位控制系统
三冲量控制系统，以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量
为反馈控制信号组成的控制系统。三冲量水位控制系统组成原理图如图3-2-3。
图3-2-3三冲量控制系统
现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在很短的时间内就会发生危险水位；如果仅是给水量和蒸汽量不相适应，也可能在几分钟呢出现缺水和满水事故，这样对汽包水位要求就更高了。三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。
3.2.4三冲量模糊水位控制系统
由常规控制理论的局限性和模糊控制理论的特点可以看出，对于存在精确数学模型的自动控制系统，常规控制理论发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。但在实际系统中，工业生产过程是极其复杂的，无法得到描述这些过程的数学模型，尽管通过各种测试手段及数据处理方法获得数学模型，但也很难得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程。这样常规控制理论就无法胜任，必须寻求新的控制理论来取代常规控制理论进行控制。
三冲量系统可以克服“虚假液位”引起的反向动作，并且可以克服给水流量信号变化而引起调节器动作做不及时而引起的水位波动。但是各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性，强耦合的特点，特别是蒸汽负荷变化对水位的影响，当蒸汽负荷增加和减小时，汽包水位在蒸汽作用下的动态特性不一致，这样很难确定三冲量控制
系统中蒸汽前馈系统的精确数学模型，这就使得三冲量控制系统的控制规律很难找到，即使找到控制规律也很难作的精确。这样想采用三冲量水位控制系统来实现锅炉水位的自动控制而又达到规定的工艺要求异常困难。
对于大型锅炉，汽包的容量相对较小，则对锅炉汽包水位的要求更高，汽包水位就必须实现全自动控制才能满足。因而，汽包水位控制就采用比较复杂而投资比较大的控制系统。对于中小型锅炉，汽包的容量相对较大，则对汽包水位的控制要求就没那么高，又由于常规三冲量控制系统很难实现汽包水位的自动控制，所以中小型锅炉允许适当的采用手动控制。这样对于中小型锅炉就可以考虑用模糊控制系统来取代常规的三冲量PID控制系统。
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。
3.2.5汽包水位控制系统方案的选择
通过以上方案的比较，常规的三冲量控制系统中，由于“虚假液位”的原因使得蒸汽负荷上升和下降时的动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变性，不能求出准确的数学模型，也就不能设计出准确的前馈控制器，能实现静态前馈，但对动态性能控制不好。考虑到模糊控制器的设计不需要知道该过程的数学模型以及它的其他特点都适合于这种水位控制，所以选择了汽包水位模糊控制系统。
4．锅炉汽包水位模糊控制系统的设计
图 4-1 汽包锅炉水位模糊控制系统的结构图
设计一个模糊控制器以实现语言控制，必须解决以下称为模糊控制器结构的3方面问题：
（1） 精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集； （2） 模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系；
(3)输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量的转化。
4.1主回路模糊控制器的设计
4.1.1确定模糊控制器的结构及输入、输出语言变量
根据控制对象——汽包及控制精度，模糊控制器的结构选为二输入单输出结构，输入语言变量选为汽包液位偏差e和偏差变化率ec，e=AV-SV，AV为液位测量值，SV为液位设定值。这样就为该汽包液位控制系统选定了一个双输入单输出的模糊控制器。输入和输出模糊集合的隶属函数选为三角形的[7]。 4.1.2确定各变量的隶属度函数和赋值表
工业锅炉在正常运行时，偏差变化范围为[-50cm，+50cm]，所以，设偏差e的基本论域为[-50cm，+50cm]，选定E的离散论域X为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。则得偏差e的量化因子ke=6/50=3/25=0.12，为语言变量选取7个语言值：PB，PM，PS，Z，NS，NM和NB。
确定偏差e的基本论域在离散域X上的隶属函数?(x) 如下：
图4-1-2偏差e的隶属函数
根据上面隶属函数建立语言变量E的赋值表如下：
表4-1-2 语言变量E的赋值表
设偏差变化率ec的基本论域为[-15，+15]，选定EC的离散论域Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，得偏差变化率ec的量化因子kec=6/15=0.4。为语言变量EC选取PB，PM，PS，Z，NS，NM和NB共7个语言值。 确定偏差ec的基本论域在离散域Y上的隶属函数?(y) 如下：
图4-1-3 偏差ec的隶属函数
建立偏差变化率ec的语言变量EC的赋值表：
表4-1-3 语言变量EC的赋值表
设控制量变化?的基本论域为[-10，+10]，选定U的离散论域为Z={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，则得控制量变化?的量化因子ku=6/10=0.6。同样，为语言变量U选取PB，PM，PS，Z，NS，NM和NB共7个语言值。确定出控制量U的隶属函数，再建立语言变量U赋值表如下：
图4-1-4控制量u的隶属函数
表4-1-4 语言变量U赋值表
4.1.3模糊控制规则的确定
对于双输入单输出模糊控制器，规则选用“if e and ec then u”的形式[8]。根据控制经验，列出控制规则表如下：
表4-1-5 控制规则表
4.1.4模糊控制响应表的生成
模糊控制器在线计算推理模糊关系时，需要耗费大量时间，占用大量内存。而工业锅炉在运行时，需要提高安全性，就必须对控制系统的实时性有较高的要求。所以，离线算出模糊控制表，通过查询方式找到控制量。
要算出模糊控制响应表，必须选择一种模糊推理算法。当模糊控制器采用查表法实现时，用来离线设计查询表，当模糊控制器采用软件推理法实现时，用来在线进行模糊推理。该模糊控制系统采用Mamdani模糊推理算法。对求得的输出模糊集合用加权平均法解模糊，得到精确量，即模糊控制响应表。
当输入偏差E=-6，EC=3时，根据隶属函数，查得对应两条规则： ① if E=NB and EC=PS then U=PM ② if E=NB and EC=PM then U=Z 应用Mamdani模糊推理算法如下图4-1-5：
4-1-5 Mamdani模糊推理算法
应用重心法（加权平均法）解模糊，得到控制器输出的精确量。同理，应用上述算法算出169个离散点的输出。以下不再赘述。现将最后算出的模糊控制响应表列出如下
表4-1-6
4.2模糊动态前馈控制器的设计
该模糊控制器是解决锅炉汽包控制系统在运行时，蒸汽负荷变化对汽包造成虚假液位问题的'主要控制器。原始的PID控制系统不能实现动态前馈，且静态前馈控制效果也不尽如人意。而模糊控制不需要了解蒸汽负荷变化时，汽包的外扰特性，即数学模型，且鲁棒性好，对于非线性和参数时变系统有较好的控制能力[9]。所以前馈控制器采用模糊控制器。
在图4-1中，模糊动态前馈控制器采用单输入单输出结构，输入变量为：正常工况下蒸汽母管流量与扰动后蒸汽母管流量之差e，输出语言变量为阀门开度变化量u，模糊动态前馈控制器的设计步骤如下：
（1）输入变量e、输出变量u的论域均取为[-4 4]，输入变量e的语言值取为{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}，输出变量e、输出变量u的语言值的隶属函数都选择三角形的隶属度函数。
（2）此控制器仍是离线算出控制表，通过查询方式找到对应的控制量。应用Mamdani模糊推理算法，加权平均法解模糊。 （3）规则选用“if e then u”的形式。
控制规则表如表4-2所示：
4.3 PID控制的设计
4.3.1PID控制的基本公式
PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)的缩写，PID控制器是目前应用最为广泛的闭环控制器。标准PID的控制值与偏差(实际值与设定值之差)、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，三者之和成正比。模拟量PID控制器的输出表达式为
u(t)?Kp[e(t)?
1Ti
?
t0
e(t)dt?
TDde(t)dt
]?M
,式中u(t)为控制值 e(t)为偏差值，Kp为比例系
数，Ti为积分常数，TD为微分常数，M为积分部分的初始值。 4.3.2 PID的参数设置
P增益： 设定范围：0.01～10.0倍
这是操作量和偏差之间有比例关系的动作。增益取大时，响应快，但过大将产生振
荡。增益取小时，响应迟后。实际中本设计取0.5。 积分时间：
设定范围：0.1～3600s
操作量（输出频率）的变化速度和偏差成比例关系的动作，即输出按偏差积分的动作。积分时间大时，响应迟后，另外，对外部扰动的控制能力变差。积分时间小时，响应速度快，但过小将产生振荡[10]。实际中本设计取50s。
5. PLC选型及资源分配
5.1 PLC电气图和I/O分配表
图5-1 PLC I/0口分配图
根据上述关于PLC控制系统的基本单元输入和输出信号统计，制定I/O分配表，具体对应关系如下表5-1所示。模拟量模块输入地址分配表如表5-2所示。
表5-1 PLC I/O 分配表
表5-2模拟量模块输入地址分配表
5.2 PLC选型
根据系统的I/O点数，并考虑富裕量及今后系统的扩展升级和工艺控制等问题，本系统设计采用三菱公司的FX2N-16MR型作为主机，FX2N-48MR型是三菱公司的典型产品，具有功能强大，处理速度快、容量大等优点，属于高性能小型机，系统I/O总点数为16点，输入、输出均为8点，配置扩展单元后可增加I/O点数。
5.3 传感器选型
各传感器主要用于水位、蒸汽流量、给水流量等测量。
(1) 应力式涡街流量传感器: 一种既可以测蒸汽、气体又可以测液体的传感器 流速: 气（汽）体：3 m/s ～ 90 m/s 液体： 0.27 m/s ～ 9 m/s
(2)连杆浮球式液位开关(IL-140-2):一种基于自重原理工作的液位开关。当浮球受液体浮力作用而随液位上升时，浮球向上移动后压缩弹簧，并快速启动微型开关，输出相应触点。
5.4特殊模块功能
系统同时配有FX2N-4AD特殊功能模块作为模拟量控制的输入接口。其中FX2N-4AD模拟量输入模块接到FX2N-16MR基本单元的最近位置，模块编号为0，CH1，CH2，CH3通道分别与应力式涡街流量传感器、应力式涡街流量传感器、连杆浮球式液位开关。
6.控制系统程序设计
6.1编程软件
编程软件采用三菱公司为其生产的SWOPC-FXGP/WIN-CVERSINON2.11。
PLC
开发的编程软件
6.2控制系统流程图
6.2.1控制系统总流程图设计
图6-2-1 控制系统总流程图
6.2.2模糊控制流程图
图6-2-2 模糊控制流程图
6.2.3PID控制流程图
图6-2-3 PID 流程图
6.2.4动态前馈流程图
图6-2-4 动态前馈流程图
6.3系统的程序设计
6.3.1水位控制
当输入起动的指令时(X0= 1) , 辅助继电器Y0 被激励, 给出系统运行指示(Y0=
1) , 并且工作指示灯亮。为锅炉水位双位控制。当水位到最低位(X2= 1) , 辅助继电器M 0 被激励(M 0= 1) , 同时给水泵电动机起动运行(Y1= 1)。当水位到最高位(X3= 1) , 水泵电动机停止; 当水位到最低位(X2= 1) 时重复上述过程, 实现锅炉水位双位控制。当双位式控制失灵, 锅炉内水位低至过低限后(X4= 1) , 辅助继电器M 1 被激励(M 1= 1) 实现声光报警, 警铃声音应报警(Y2= 1) , 答后(X5= 1) 消音; 报警灯仍以1s (T1、T2) 为周期闪烁, 直至故障消除[11]。具体梯形图如6-3-1。
图6-3-1
6.3.2模糊控制算法的PLC实现
首先将模糊化过程的量化因子
ke
、
kec
、u存入PLC的保持继电器中，然后利用A/D
k
模块将输入量采集到PLC的D数据区，根据它们所对应的的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量U，再乘以输出量化因子即可得实际输出量u,由D/A模块输出对阀门度进行控制。在模糊控制算法的实现中，模糊控制量表的查询是程序设计的关键，图6-3-2给出了实现模糊控制量表查表功能的梯形图。为了简化程序设计，程序设计中将输入模糊论域的元素有[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]转化为[0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12]，将模糊控制量表中的U的
控制结果按由上到下、由左到右的顺序依次存入D100~D268中，控制量的基址为100，偏移地址为Ec*13+E。图中，D0和D1分别为E和Ec在模糊论域中所对应的元素[12]。
图6-3-2
6.3.3 PID控制的PLC实现
7 结束语
由于本系统设计采用可编程控制器批plc作为锅炉控制系统的控制核心，使该控制系统具有操作方便，运行可靠，便于修改，扩充等优点。主回路我们设计的是PI控制器和模糊控制器并联的混合控制器，减小了静态误差，改变对象参数后，模糊控制系统仍能使偏差在工艺允许范围内。副回路用模糊控制器取代了常规控制器，解决了因为“虚假液位”造成的不能确定精确的数学模型而无法采用常规控制器进行自动控制的问题并且实现了动态前馈[13]。
鉴于学校实验设备有限，未能将本系统设计的plc梯形图进行模拟调试，所以系统软件设计的可行性未能得到实践证明；鉴于系统建设资金庞大，本系统设计还停留于理论上的方案设计和验证，本次设计尚待检测、实践。
致谢
首先要感谢我的导师朱笑花老师。朱老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是朱老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩朱老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
其次，我还要感谢一起做PLC论文的各位同学，正是他们的帮助，让我克服了一个个困难。
最后，向我的父母，及所有的老师致谢，感谢他们的栽培与支持！
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附录：
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