开题报告 电气工程及自动化 锅炉汽包水位智能系统设计 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 在没有工作人员直接参与的情况就是自动控制，它是用外加的装置、设备、让机器或者生产过程的某一个参数或者工作状态能够自动的按照先前设定的指标或者规则运行的系统设备。

20世纪40年代自从美国的科学家维纳创立控制理论以来。自动控制从最早的开环控制起步，然后经过反馈控制、最优控制、随即控制、自适应控制、自学习控制、自组织控制一直这样发展到智能控制这一最新阶段。

传统控制理论经过经典控制理论和现代控制理论两个具有里程碑意义的重要阶段。它们的共同特点就是都是基于被控对象的清晰数学模型，即干扰和控制对象都得用严格意义上的函数和数学方程表示，控制的目标和任务一般都比较直接和明确。外界的干扰和控制对象的不确定性只允许在很小的限度内发生。

对系统运动规律的数学描述就是一个系统的数学模型。传递函数、状态方程和微分方程是描述控制系统的三种最基本的数学模型，而作为两者的纽带是微分方程。经典控制理论的主要研究常系数单变量线性系统数学模型,经常使用传递函数为基础的频域分析方法。现在控制理论主要研究多输入-多输出线性系统的数学模型，经常使用状态方程和微分方程为基础的时域分析方法，传统的控制方法多是要去解决是不变，线性等相对简单的被控系统的控制问题。这类系统完全可以用常系数，集总参量以及线性的微分方程予以描述。

但另一个方面，许多实际的控制目标和工业对象并非常常如此理想的。特别是遇到系统的结构复杂、变量纵多、规模庞大、参数随即多变、系统存在大之后或参数间又存在强耦合等错综复杂的情况时。传统的控制理论的数学解析结构则很难表达和处理。由于实际系统和研究对象具有非线性，不确定性，不完全性，时变性，因而无法建立起表述他们的运动规律和特性的数学模型，于是就失去了传统数学模型的分析基础。也就无法设计出合理的经典控制器。而且，在建立数学模型时一般都得经过理想化的处理和假设，即使把分布参数化为集中参数，非线性化为线性，时变的化为定常德等等，这些实际系统和数学模型相差巨大，使之很难对其实现有效的传统自动控制，于是便出现了模仿信息处理系统和人工智能系统,工程控制产生发展了智能控制。

大量的生产实践表明，有很多复杂的工艺过程和很难建立的数学模型的复杂系统，可以由熟练工程师，技术工人或者专家的手工操作，依靠人们的智慧，能够获得满意的控制效果。例如想把一辆车倒进一个车库，由于很多原因确实很难建立起这一过程的数学模型然后一个熟练的司机却可以很好的去解决这样一个问题。从类似的问题上人们自然而然想到，能否在传统控制中加入人类手工控制事物的经验，逻辑推理与能力等智能部分。从而从分利用人员的操作经验和操作技巧，把人的因数作为一个有机部分融入到控制系统中。进而用机器代替人类进行复杂对象和系统的实时控制。

在中国自控技术在工业应用的推广使用较晚，但最近几十年来发展较快。在国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计的公司也有很多，但是由于能够集自动化技术、电气技术和工艺要求三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用，在汽包水位控制系统中，主要采用三冲量控制方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。锅炉汽包水位智能控制的目的是维持锅筒水位在允许的范围内，从而让让锅炉的给水量和蒸发量相适应。负荷变化会影响锅炉的水位的变化，因而当锅炉的用汽量变化时，所以通过给水调节系统，保持锅炉的水位的正常是保证锅炉安全运行的重要条件。锅炉的水位过高或着过低，这都是不允许的。锅炉水位过高会影响汽包内汽水分离从而使饱和水蒸气温度急剧下降，如果该过热蒸汽作为气轮机动力的话，将可能会损坏气轮机叶片，直接影响运行的经济性和安全性。锅炉水位过低，由于汽包内的水量变少，这时候如果负荷很大，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，造成水冷壁烧坏，甚至可能引起爆炸。因此，对锅炉汽包的水位的控制必须相当重视。

锅炉汽包水位控制系统中，锅炉汽包水位的控制是最基本也是极其重要的。汽包水位控制的任务：让锅炉给水量始终跟蒸发量维持汽包水位在锅炉生产的范围内。蒸汽流量和给水流量的变化是引起水位变化的主要扰动。在蒸汽流量突然变大的时候，汽包中的压力将会快速下降。这时候由于饱和蒸汽的压力下降，饱和水将快速蒸发使得饱和水中产生大量的气泡，导致水位上升，而此时给水量并没有增加。锅炉的虚假水位现象就会出现，但是这时的水位并不是锅炉中水位的真实情况，而只是一个虚假的现象。

锅炉的控制与建模问题一直是人们关注的焦点。汽包水住的智能控制是锅炉控制的一个难点，现在，对汽包水位的智能控制大多采用常规P1D控制方式。传统的常规PlD控制方式是根据被控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在不确定性、非线性、负荷和时滞。非最小相位特征、干扰等，往往无法获得其精确的数学模型，而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象的变化。其控制效果往往难以满足要求，从而使控制效果不理想。而模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，鲁棒性和适应性好。

二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题：
研究的基本内容：
1.研究虚假水位的现象及危害。

2.研究锅炉汽包水位的对象特性，研究其在不同扰动作用下的动态性能。

3.熟悉模糊控制理论，掌握模糊控制器的设计。

4.应用模糊控制理论进行汽包水位控制器的设计，完成MATLAB仿真。

拟解决的主要问题：
用智能方法进行锅炉汽包水位智能系统的设计，拟采用模糊控制器设计。

三、 研究步骤、方法及措施：
1.了解国内外自动控制的发展以及锅炉气泡水位控制的发展动态。

2.了解锅炉的概况以及其汽包水位的动态特性，并建立其数学模型。

3.了解模糊控制原理，熟悉模糊控制器的设计。

4. 应用模糊控制理论进行汽包水位控制器的设计，完成MATLAB仿真。

5．得出结论 措施：
图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。

四、参考文献 [1]汤兵勇等.模糊控制理论及其应用技术[M].北京：清华大学出版社，2002. [2]胡一倩等.模糊控制在锅炉热工控制中的应用简介和研究前景[J].工业控制计算机，2002，15（4）：25-27． [3]杨献勇.热工过程自动控制[M].北京：清华大学出版社，1999. [4]侯子良.锅炉汽包水位测量系统[M].北京：中国电力出版社，2005. [5]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2005. [6]薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002. [7]孙秀权，唐健，于秀根等．锅炉和T业炉窑实用计算机控制技术[M]．北京：国防工业出版社，1993. [8]何平．锅炉汽包液位的自动控制[J]．安庆师范学院学报．2000，6(3)：71-78. [9]刘曙光，魏俊民，竺志超．模糊控制技术[M]．北京：中国纺织出版社，2001．59-102. [10]潘祥亮,罗利文.模糊PID控制在工业锅炉控制系统中的应用[J].微计算机信息，2004，(7)：40-46. [11]L.A.Zadeh. Fuzzy Algorithms Information and Control[J].1968，12：94-102 [12]M.Sugeno,et. Fuzzy Control of Model Car[J].Fuzzy sets Syst.1985.103-113 [13]L.AZadeh.Fuzzy Sets Information and Contro.1965,8:338-353 [14]P.J.King,et. The Application of Fuzzy Control System to Industrial processes.Automat[J].1977,13(3):235-242 [15]Faouzi Bouslama.Fuzzy Rules and Their Nature Control Laws[J].Fuzzy Sets and Systems.1992,48:65-86. [16]K.B.Lee. Application of a Fuzzy logic based self-tuning PID controller to the control of drum water level of a boilerfor a power generating plant[J].Operation and Manaagement,1993,(12):849-854 [17]马帅旗,鲍存会,刘沛.锅炉液位控制系统设计[J].仪表技术与传感器,2005,(9):65-71. [18]楚德全,王俊峰.锅炉汽包液位的三冲量调节[J]. 煤矿机电,2008,(5)：104-09. [19] 王有朋,周浚哲,秦素梅.工业锅炉汽包水位模糊自适应PID控制研究[J].沈阳工业学院学报,2004,(4):50-56. [20]李拥军,贺莉岩.锅炉汽包水位控制系统的改进[J].化工装备技术,2004,(2):98-103.