基于交換網(wǎng)絡(luò)的鍋爐控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

祁波 張炳一 祁佳琳 張帆

摘? ?要：本文對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)、優(yōu)化模型參數(shù)構(gòu)造性能更好的數(shù)學(xué)模型。在操縱變量選擇上，根據(jù)不完全活動(dòng)的元胞網(wǎng)絡(luò)模型中的網(wǎng)絡(luò)全局臨界流量進(jìn)行兩次迭代，選擇出對(duì)鍋爐控制產(chǎn)生主要影響的操縱變量。在數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上，引入前饋控制，形成雙沖量控制系統(tǒng)。在數(shù)學(xué)模型的參數(shù)改進(jìn)上，利用 PID模糊算法，通過MATLAB仿真來確定控制器中相關(guān)參數(shù)，通過Simulink進(jìn)行試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：雙沖量控制? MATLAB仿真? PID控制? 交換網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的單閉環(huán)控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性能差、簡(jiǎn)單易于改進(jìn)的特點(diǎn)，工業(yè)上滿足不了工藝需求，針對(duì)單閉環(huán)系統(tǒng)的不足進(jìn)一步研究改進(jìn)傳遞函數(shù)模型。

1? 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 交換格點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型分析

生產(chǎn)工藝中主要是以液體流動(dòng)方式為主要的生產(chǎn)模式，反應(yīng)罐與反應(yīng)罐相互之間形成鄰胞關(guān)系，把溫度、壓力、液位改變視為是梯度變化的過程，把每一個(gè)開關(guān)閥門視為各個(gè)變量變化的節(jié)點(diǎn)，把各組變化的量到達(dá)穩(wěn)定的速率稱為臨界流量，即為λc。

交換網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)列變化關(guān)系如圖1，每一個(gè)分組包括多種信息，在傳遞過程中信息并不是完全傳遞，而是部分傳送，且相互之間產(chǎn)生聯(lián)系，然后把不活動(dòng)的因素視為一個(gè)處于特殊狀態(tài)的元胞，在每一個(gè)傳遞過程中不參與狀態(tài)的更新。蒸汽水包與反應(yīng)罐之間只有溫度和水汽的變化是主要的，而壓力就是這一個(gè)特殊狀態(tài)的元胞，把這些特殊的元胞排除在外，不參與這些傳遞的討論范疇。

主要的影響因子是控制反應(yīng)進(jìn)行的主要因素且反應(yīng)罐的要求是一致的，因此在全局的變化中需要格外關(guān)注網(wǎng)絡(luò)全局的臨界流量行為，防止流量的過剩或欠缺。根據(jù)上述迭代數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)各個(gè)相關(guān)元胞活動(dòng)進(jìn)行研究，把溫度、壓力、水汽視為三元組（F，S，R），任意兩個(gè)“鄰居”之間的關(guān)系視為一個(gè)映射F：S—P（?），其中P（?）為S的冪集，即P（?）={?： ?∈S}，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是等同的，不存在絕對(duì)的中心點(diǎn)，即每一個(gè)反應(yīng)罐都可以作為一個(gè)中心點(diǎn)來看待，反應(yīng)罐與反應(yīng)罐之間在信息傳輸?shù)那闆r下尋找影響反應(yīng)的主要元胞，得出液位變化在鍋爐反應(yīng)中為主操量。

1.2 函數(shù)模型研究

反應(yīng)罐相互之間形成類似于串聯(lián)的關(guān)系，研究?jī)蓚€(gè)水槽液位變化，混合液液位的變化簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

閥門的開度變化記為Δu，而輸出為第二個(gè)水槽的液位增量Δh2。在水流量增量、水槽液位增量、液阻變化下，經(jīng)過平衡點(diǎn)線性化后，導(dǎo)出如下的關(guān)系式：

式中，第一個(gè)水槽的進(jìn)出水的時(shí)間常數(shù)為T1;第二個(gè)水槽的進(jìn)出水的時(shí)間常數(shù)T2為，水槽的傳遞系數(shù)為K。這樣在零初始條件下閥門完全開度變化引起的流入水量存在純延遲。

1.3 模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)

模型建立后需要對(duì)模型進(jìn)行包括穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)分析，穩(wěn)定性是首要條件，通過MATLAB仿真可以分析出需要調(diào)整的參數(shù)及參數(shù)的大體范圍。

由于單閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩程度大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單在應(yīng)對(duì)自動(dòng)和手動(dòng)切換過程中產(chǎn)生的增量差具有放大作用，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，對(duì)偏差的放大會(huì)導(dǎo)致某一變量出現(xiàn)震蕩，因此需要調(diào)整比例積分微分環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。

雙沖量控制系統(tǒng)在水位控制中最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測(cè)量信號(hào)作為主控信號(hào)，以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)構(gòu)成的“前饋-反饋”控制系統(tǒng)。根據(jù)擾動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以消除擾動(dòng)引起的偏差。如圖3所示的雙沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1.4 試探法PID模型參數(shù)校正

參數(shù)的修正是通過試探的方法得到的，利用MATLAB仿真器中PID控制器對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得出大致的參數(shù)范圍，利用校正對(duì)模型進(jìn)行校正處理。相角裕度不需要做改進(jìn)，Gpc（s）是對(duì)系統(tǒng)的原定傳遞函數(shù)改進(jìn)后的模型，配合前饋函數(shù)和抑制擾動(dòng)函數(shù)共同組成一個(gè)新系統(tǒng)，新系統(tǒng)需要消除冗余誤差，因此采用PI控制技術(shù)。

MATLAB仿真對(duì)比圖像，如圖4所示。

虛線是未調(diào)整之前的階躍響應(yīng)函數(shù)，實(shí)線是調(diào)整后的階躍響應(yīng)函數(shù)圖像，通過圖像可以看出超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、上升時(shí)間都有了很大的改善。“前饋—反饋”控制方式在應(yīng)對(duì)突發(fā)的擾動(dòng)情況下具有良好的調(diào)節(jié)性能，即使手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門出現(xiàn) “小峰值”在接下來一段時(shí)間也會(huì)快速調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

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