李東陽

摘 要 新能源現(xiàn)如今越來越重要，這些新型能源還未能達(dá)到普及的地步，火力發(fā)電仍占主要電力來源。作為能量轉(zhuǎn)化的鍋爐轉(zhuǎn)化效率就尤為重要。實現(xiàn)鍋爐計算機自動控制，通過綜合計算在轉(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)計研究的是鍋爐水溫控制的問題，以過程控制理論分析作為理論依據(jù)，通過仿真技術(shù)，計算機遠(yuǎn)程控制技術(shù)來設(shè)計一個計算機控制的鍋爐出口溫度系統(tǒng)。先熟悉該實驗的控制原理，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，為實際控制系統(tǒng)做理論依據(jù)。利用動態(tài)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)整定來得到PID控制參數(shù)。實現(xiàn)積分分離PID控制算法。運用MATLAB仿真得出控制效果。

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

一.雙溶液位計算機系統(tǒng)的設(shè)計

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始的。

鍋爐的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了許多問題。比如放出有害氣體的污染問題，大量運用煤炭的資源問題，鍋爐本身安全性能問題以及能量轉(zhuǎn)化效率問題等。因此，對鍋爐各種問題的控制就很是重要。人為的控制鍋爐能夠減緩上述問題，但是，通過計算機來控制鍋爐更能緩解上述問題。隨著控制理論和技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動化控制，也就是計算機控制鍋爐水平也在提高。計算機的記憶，計算，邏輯判斷功能能夠?qū)崿F(xiàn)對鍋爐的任意控制，能夠計算出最優(yōu)控制。目前，國外的鍋爐控制技術(shù)日益完善，各種計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）與實際值y（t）構(gòu)成的控制偏差型號e（t）。

PID適應(yīng)性強，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)方面。在具體實現(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，對不能或難以獲得足夠系統(tǒng)參數(shù)時可以用PID來進(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u與偏差信號e成比例。

比例控制是最簡單的控制，能快速克服擾動，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定。運用于簡單的系統(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)量的變化來調(diào)節(jié)，無需等到被調(diào)量出現(xiàn)誤差時再調(diào)節(jié)，這樣有預(yù)見性的調(diào)節(jié)性能效果會更好。此時輸出與被調(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)整定有先覺條件，只有當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計合理，儀器選擇是對的，安裝質(zhì)量高，才可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

一種是理論計算，根據(jù)系統(tǒng)模型來進(jìn)行理論計算得出控制器參數(shù)。但這種參數(shù)可靠性不高，有著實際因素沒有計算進(jìn)入，還要通過實際進(jìn)行調(diào)整修改。

二是工程整定法，不需要確切的研究對象模型，運用工程經(jīng)驗對控制器參數(shù)直接進(jìn)行整定。因簡單易懂，便于掌握得到大量運用。

本設(shè)計采用PID參數(shù)工程整定法中的動態(tài)特性參數(shù)法。兩點法得到延遲一階環(huán)節(jié)特性方程。采用科恩-庫恩整定公式法得到PID參數(shù)。

1.2.3積分分離PID控制算法

此法在工業(yè)過程控制時有著很好的結(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）實用性 ????（3）先進(jìn)性

1.3.2測量，運送裝置

熱電偶是溫度測量中經(jīng)常用到的測溫儀器，測溫范圍廣，穩(wěn)定性強，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）在檢測溫度范圍內(nèi)熱電偶能保持長久的穩(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）對檢測的溫度有足夠的檢測靈敏度，足夠的變化率。

（4）熱點性能近似于線性。

（5）質(zhì)量好，易加工。制作簡單，便宜。

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

1.3.3控制器

采用智能調(diào)節(jié)儀表作為控制器，型號為AI-808。有著人工智能算法，可自動消除積分飽以達(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)計數(shù)字積分分離PID控制程序，采用動態(tài)參數(shù)特性法整定出最佳控制參數(shù)。當(dāng)輸入信號為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]內(nèi)時，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 廣義對象傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)曲線

用曲線擬合驗證參數(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

鍋爐出口水溫計算機控制系統(tǒng)。研究這個課題讓我對過程控制系統(tǒng)的知識有了進(jìn)一步的了解。在這個課題中，有著許多的計算，通過查閱書本，發(fā)現(xiàn)有很多種計算的方法，這里只是用了一種。雖然只用一種，但對于其他的方法我看了看還是有些了解。在設(shè)計中用到的知識點，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。這些對于以后的學(xué)習(xí)工作中都會起到很大的作用，因此，我還要繼續(xù)學(xué)習(xí)，學(xué)到更多的只知識和技能，學(xué)的越多，到時就越輕松自如。