燃煤电站锅炉脱硫装置监控系统的开发研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 燃煤电站锅炉脱硫装置监控系统的开发研究 姓名杨帆 申请学位级别硕士 专业化工过程机械 指导教师宗润宽 20030101 摘 要 中 文 摘 要 电厂燃 煤 锅 炉 的烟气 脱硫 过 程 是控 制 大气 污 染 的一 个 重 要手 段，但长久以来，该过程的监控一直处于较低的 自动化水平，造成 人力物力的浪费。努力提高这一过程的自动化水平具有很大的现实 意义。 本文设计了一套基于 P C机的监控系统， 编制了监控程序代码， 实现了对文丘里洗涤器的自动监控。 论文以典型的石灰石一石膏湿法脱硫工艺为背景，详细分析研 究 了影响文丘里洗涤器的各个操作参数 ，选择 了监测 采样 点和监测 方法 ，并结合监控领域的最新技术进 展 ，从硬件 实现和 软件 流程力 - 面提出了烟气脱硫装置监控系统的建构方案。实践证明，这种建构 方案具有兼容性好 ，性价 比高 ，灵活性强等特 点。 文丘里洗涤器脱硫过程难于建立精确模型， 在常规 p H值控制基 4 .11} 上，本文提出了前馈一模糊反馈控制策略的思想，为今后在工业 实际中的应用提供 了指导。 关键词文丘里洗涤器过程监控前馈一反馈 本课题为天津市科技发展计划资助项目 9 9 ; 1 1 1 5 1 1 摘 要 ABS TRACT T h e d e s u l f r i z i n g p r o c e s s o f t h e f u e l b o i l e r s i s a n i mp o r t a n t me t h o d t o r e d u c e e mi t t e d f r o m c o a l 一 f i r e d p o l l u t i o n o f a t mo s p h e r e . B u t i n a l o n g t e r m, t h e mo n i t o r o f t h i s p r o c e s s r e ma i n s a t a l o w l e v e l , w h i c h c a u s e s a l a r g e w a s t e i n m a n p o w e r a n d m a t e r i a l r e s o u r c e s . I t i s p r a c t i c a b l e t o i m p r o v e t h e a u t o m a t i c l e v e l o f t h i s p r o c e s s . I n t h i s p a p e r , a m o n i t o r a n d c o n t r o l MA C s y s t e m b a s e d o n P C c o m p u t e r i s d e s i g n e d a n d t h e p r o g r a m i s g i v e n , w h i c h i mp r o v e t h e a u t o ma t i c l e v e l g r e a t l y . B a s e d o n a t y p i c a l p r o c e s s o f w e t l i m e s t o n e 一 g y p s u m d e s u l f u r z a t i o n , t h e p a p e r g i v e s a c l o s e s t u d y o n t h e d i f f e r e n t o p e r a t i n g p a r a m e t e r s a n d c h o o s e s t h e r i g h t p o i n t s a n d m e t h o d s f o r t h e s y s t e m. T h e w a y t o e s t a b l i s h t h e MA C s y s t e m i s a l s o p u t f o r w a r d i n t w o a s p e c t s t h e s t r u c t u r e o f h a r d w a r e a n d t h e d a t a f l o w o f s o f t w a r e . I t h a s b e e n p r o v e d t h a t t h e s y s t e m h a s s e v e r a l a d v a n t a g e s , s u c h a s g o o d c o m p a t i b i l i t y , h i g h c a p a b i l i t y a n d l o w c o s t , g o o d f l e x i b i l i t y . F o r i t i s d i f f i c u l t t o wo r k o u t a n a c c u r a t e c o n t r o l mo d e l o f V e n t u r i s c r u b b e r , a n i d e a o f f u z z y f e e d f o r w a r d - b a c k c o n t r o l i s p u t f o r w a r d i n a d d i t i o n t o t h e t r a d i t i o n a l p H c o n t r o l , w h i c h w i l l g i v e a u s e f u l g u i d e i n t h e f u t u r e u s e i n i n d u s t r y . K e y wo r d s V e n t u r i S c r u b b e r , P r o c e s s Mo n i t o r , f e e d f o r wa r d 一 f e e d b a c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 0 1 究成果， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 记 I S 而使用过的材料。 与我同工作的同态 对木研究所做的任何贡献均己在论文c i }乍了 明确的VR明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 4 o w 、 字 日 期 、 、 、 ]- 月 y1 19 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解_ 孟建大 . _ 有 关 保留 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 牡 一 授 权 选 左 . o f 以 将 学 位 论 文 的 全9 -,} I 分 内 容 编 入 有 关 数 据 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 I,j 因家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 库1 发行检 同意学校 学位沦文作者签名* 6导师签名枷龟 兮川{ 期弓勺 ‘ ，， -1/ 11}刁 ’明 2w 3 ‘下 v少 { 2 I ‘ ， 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 大气环境与 S O 污染及其治理 随着人类进入 2 1 世纪，日益恶化的环境问题越来越引起全世界有 识之士和各国政府的重视。作为生态环境中的一个重要组成部分，大 气环境的好坏与人类的生产生活息息相关。自从人类进入工业化社会 以来，能源的消耗量急剧增长，向大气中排放的污染物也与日剧增， 大气污染己经日益成为人类文明发展的大敌。 我国是燃煤大国， 所以燃煤排放的 s o 成为影响我国城市空气质量 的主要污染物。我国每年排放的 s o 约在 2 3 0 0万吨以上，其中 8 0 来 自于燃煤。 它直接刺激人和动物的呼吸道粘膜，引起各种呼吸道疾病， 井且它还是造成酸雨的主要原因，因此它对生态环境和人的身心健康 造成了极大的危害。目前，控制二氧化硫排放已经成为社会和经济可 持续发展的迫切需求。燃煤工业锅炉占我国煤炭消耗量的 3 6 ，其 S 0 2 的排放量占我国总排放量的 3 6 以上，显然控制姗煤工业锅炉的 s o 排 放对控制我国的大气污染具有极其重要的意义。 对于二氧化硫的控制方法一般有三个途径燃烧前脱硫、燃烧中 脱硫和烟气脱硫 F G D a 燃烧前脱硫指对煤的脱硫，脱硫方式主要有化学法、物理法和微 生物法。目前以物理法的重力分选法应用最为普遍;该方法利用硫铁 矿密度比精煤大的特点，把煤破碎后在水中经旋流器后与精煤分离。 该方法可脱除 4 0 - 8 0 硫份和 6 0 的灰份。在燃烧前煤炭洗选控制方 面，我国还远远落后于发达国家美国、德国、日本等发达国家原煤 入洗率在 9 0 ，我国仅为 2 2 , 燃烧中脱硫即炉内脱硫法。火电厂多采用循坏流化床脱硫技术- 在床内加入具有一定粒度的石灰石或白云石等脱硫剂，在 8 0 0 -9 0 0 C 的低温燃烧过程中，首先C a C O ; 分解成C a O和 C 0 z C a t 与燃烧过程 第一章 绪论 中产生的 s o 或 s o ， 发生反应，形成 C a s o , ，达到了固硫 目的。保持 8 0 0 - - 9 0 0 ℃的低温燃烧环境， 是由于在此温度区间， 氧化钙最具有活性， 具有良好的表面积和孔隙率，有利于固硫反应。影响流化床脱硫率的 因素很多，主要有C a / S比、流化床床温、流化速度、脱硫剂类型和 粒度、过量空气系数等。 综合比较，就目前的技术水平和现实能力而言，烟气脱硫 F G D 仍是降低排放量最经济、有效的办法，也是目前唯一大规模商业应用 的技术。火电厂的烟气脱硫是减排 s o 的重要手段，美、日等发达国 家早在 8 0年代已基本解决了其能源污染问题。 现在在世界范围内己经 投入运行的烟气脱硫工艺主要是石灰石一石膏湿式烟气脱硫、炉内 喷钙加尾部烟气增湿活化脱硫、海水脱硫、电子束法脱硫等。关国、 德国、日本等发达国家从7 0年代起就对各种烟气脱硫工艺和装置进行 了研究。到目前为止，F G D技术己发展到了第三代。在脱硫率运行可 靠性和成本方面有了很大改进， 运行可靠性可达 9 5 以上。 我国在 F G D 方法上的研究也有 2 0多年的历史。 烟气脱硫有千法、湿法和半干法之分。 干法烟 气脱硫技术是反应在无液项介 入的完全 千燥 的状 态下进 行，反应产物为千粉状，不存在腐蚀结露问题。如活性炭吸附法氧 化铜法，碱性铝酸盐法等等。干法脱硫工艺在实际使用中，存在这 一 些问题，归结为脱硫条件苛刻，脱硫过程复杂，投资大。 半干法是介于干法与湿法之间的一种方法，在脱硫过程中常用旋 转喷雾千燥法 S D A法 和增湿活化法 L I F A C法 。 半干法的脱硫效率.fi t 然不是很高，但是在建设及运行成本方面有较大优势 ，所 以近年来作 为一种比较适合我国国情的脱硫方式，正在逐步加以研究。 就目前状况，脱硫技术应用最为广泛，种类最多的还是湿法脱硫， 它占脱硫装机容量的 8 3 左右。其中历史最长，技术也比较成熟的是 石灰石 一石膏法。 第一章 绪论 1 . 2 石灰石一石膏湿式脱硫工艺的基本流程 我国火电厂烟气脱硫技术始于 7 0年代， 在 8 0 - 9 0年代得到了长足 发展，但是我国火电厂烟气脱硫技术目前还处于起步阶段，没有形成 完全国产化的火电厂脱硫装置产业。我国烟气脱硫工艺中应用最为广 泛的是湿式石灰石一石膏法，它具有以下特点 ① 脱硫效率高; ② 技术成熟，运行可靠性好; ③ 对煤种变化的适应性强; ④ 吸收剂资源丰富，价格便宜; ⑤ 脱硫副产物便于综合利用 ⑥ 技术进步快; ⑦ 占地面积较大 。 图 t - 1 石灰石一石膏法湿式烟气脱硫工艺 F i g . l 一 1 t h e p r o c e s s o f w e t l i m e s t o n e - g y p s u m d e s u l f u r z a t i o n 基于以上特点， 我们采用典型不灰石一石膏法湿式烟气脱硫工艺 并结合自身已有的研究成果。流程的基本组成如图 1 - 1 所示。 其中，主要设备包括 第-乘 绪论 ① 换热器换热器是可选设备。他的作用主要是利用未处理烟气 的热量，将经过文丘里洗涤器的冷烟气加热，达到风机要求的排气温 度。 ② 文丘里洗涤器文丘里洗涤器是整套设备的关键，是吸收和捕 集灰尘的主要场所 。它是利用经过结构优化后的文丘里洗涤器，借助 其在喉口处的高气速和喷淋器的高雾化性能， 从而达到提高捕尘效率， 强化 s o 吸收能力的目的。 ③ 加灰装置在反应过程中， 二氧化硫通过与作为吸收剂的 C a O 发生反应的。因此在运行过程中，需要不断通过加灰装置向系统中加 入作为补充的石灰。附属于加灰装置的有灰坑、料仓、螺旋加料器和 制浆罐等。 ④ 沈降池沈降池是用来沉降反应完结的喷淋液中的固态物质， 这些固态物质主要是由一下物质组成的其一是被喷淋液捕集下来的 煤燃烧所产生的粉尘;其二是脱硫产物，即硫酸钙和亚硫酸钙;其三 是脱硫剂一工业石灰中含有的杂质成分。 基本工艺流程可以分为以下几个部分 口 s o t 与吸收浆液混合、溶解; 口 s o t 与吸收浆液发生反应生成亚硫酸根; 口 亚硫酸根氧化成为硫酸根; 口 硫酸根与吸收剂反应生成硫酸盐; 口 硫酸盐从吸收液中分离。 反应方程式为 2 N a O H S 0 2 - N a 2 S O , H 2 0 C a 0 十 2 从0 S O , - C a S O , - 2 从口 N a 2 S O , S 0 2 H 2 O - - 2 N a H S 0 3 2 N a H S O ， 十 C a O H 2 、N a S 0 3 〔 一a S O , A t a 2 S O 3 十 C a O H 2 } 2 N a O H C a S O , ，合 H 2O ‘ 号 H 2O ，合 H 2O } 杏 H 2 0C a S O , . 2 H 2 0 0 2 - C a S 0 4 由锅炉排出的含有粉尘和 s o 的烟气，在锅炉引风机的作用下， 通过除尘脱硫装置上部的分气箱，均匀分配到各文丘里吸收反应器的 第一章 绪论 入口收缩段， 同时吸收剂悬浊液由泵送至喷淋雾化器雾化成为小于 t o o 肛m的雾滴，烟气穿过伞幕，顺流至喉口，在高速烟气流动作用下， 气液进行充分混合、碰撞、拦截、润湿和化学反应，实现除尘脱硫功 H G 。 对脱硫系统实施监控实际上就是对如上几个组成部分的监视和控 制，他应该包括换热器运行监控，文丘里洗涤器监控，加料控制系 统等。本次课题研究的内容集中于对关键设备，即文丘里洗涤器的监 控 。 1 . 3 计算机在化工领域的应用和计算机控制系统 工业自动化的广泛应用能够提高工厂装备的技术水平、 节约能源， 促进生产的柔性化和集成化。提高产品的质量，提高劳动生产率;也 可以改善劳动条件 ，保障生产的安全可靠。 电子计算机是上个世纪的一项伟大发明，虽然设计它的初衷是用 于军事计算，但是随着计算机技术、网络技术和超大规模集成电路技 术的发展，人类认识水平的提高，为计算机用于工业生产过程创造了 良好的条件。到今天，在几乎所有的生产制造领域和一些生活领域， 都可以轻而易举地找到他们的身影。 1 . 3 , 1 计算机控制系统 从 2 0世纪 5 0年代末开始， 人们开始尝试将计算机用于工业生产， 由此而产生了一门新兴的综合性学科，称为 “ 计算机控制” 。计算机控 制主要研究计算机技术在工业生产过程中的应用，它涉及信号和信息 处理、模式识别、知识工程、控制理论、自动化技术、传感技术、自 动化仪表，系统理论、系统工程、机器人控制、智能控制、计算机应 用与控制等多个方而。由于计算机可以不仅能够进行高速运算，而且 能够按照编排好的程序，在不受人为干扰的情况下工作，所以人们一 直在努力探索将它应用到工业生产中的可能性和实效性。一个典型的 计算机控制系统如图 1 - 2所示。 第一章 绪论 计算机生产过程 厂一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 T 一 一一 一 一 一 下 一 一 一 ] 量 控 被 川州曰曰日月习 控制器 D/A 偏差控制量 八/D I H E I R }I } 71 } 住 鳖 匕二 二 1|1匕 值 定 给 图 1 - 2一个典型的计算机控制系统 f i g , 1 - 2 a t y p i c a l c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m 1 . 3 . 1 . 1 计算机控制系统的分类 根据应用特点、控制方案、控制目标和系统构成的不同，过程计 算机控制系统大体可 以分为四类操作指导控制系统、直接数字控制 系统、监督计算机控制系统和分散控制系统。 ①操作指导计算机系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能 够为操作人员提供反映生产过程状况的各种资料， 给出操作指导信息， 供操作人员参考。 ②直接数字控f iI D i r e c t D i g i t a l C o n t r o l 系统， 简称 D D C ,属于 计算机死循环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应 用方式。 计算机首先通过模拟量输入信道 A I D 和开关量输入信道 D I 采集数据，然后按照一定的控制规则进行分析计算，最后发出控制信 息，并通过模拟量输出信道 D / A和开关量输出信道 D O 输出信 号，马 区 动执行装置，控制生产过程。 ③监督计算机控制 S u p e r v i s o r y C o m p u t e r C o n t r o l 系统， 简称 S C C ，其结构较为特殊，通常采用两级计算机其中第一级 D D C计算 机完成上述直接数字控制的功能，第二级 S C C计算机则根据数学模型 和相应的资料，进行必要的计算，为 D D C计算机提供各种控制信息 D D C计算机直接与生产过程相连，要求可靠性高，抗干扰性强，并能 独立工作，一般采用单片机或微型机;而 S C C计算机由于承担高级控 制和管理任务，信息存储量大，计算任务繁重，通常采用高档微型机 或小型机 。 ④分散控制系统 D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m是适应现代化大规 第一章 绪论 模生产的需要而产生的一种较为先进的控制系统，其结构最为复杂， 采用多层分级的结构形式 ，每一级用一台或多台计算机 ，级间连接通 过数据通信总线。分散控制系统采用分散控制、集中操作、分级管理 和分而自治的设计原则。与一般的计算机控制系统相比，它具有以下 特点硬件积木化、软件模块化、控制系统组态化。 1 . 3 . 1 . 2 计算机控制系统的基本组成 不论是哪一种控制系统，其最基础的功能应该是一样的，即收集 系统当前的运行情况，对运行情况进行判断并做出反应。这就必然要 求系统必须 由以下主要部分组成 ①硬件部分 硬件是计算机控制系统的躯体，包括传感器、接口 与过程信道、主机、人机交互装置、执行器 ②软件部分软件是计算机控制系统的大脑与灵魂，可以分为系 统软件 如操作系统、程序设计系统、诊断系统和应用软件。 组建一个能够出色完成客户任务的计算机控制系统，要求系统的硬件 和软件能够有机关联，并且相互支持协调。无论哪一部分出现问题， 都将影响系统最终的性能表现 。 1 . 3 . 2计算机在化工领域的应用 化学工业是计算机应用最早、最为重要、最为广泛和最有成效的 领域之一，国内外的情况都是如此，到 2 0世纪末，计算机在化学工业 中的应用主要有 以下一些方面 ①计算机辅助设计 口 工艺计算工艺是化工设计的龙头，工艺设计对于提高化工生 产水平、节能降耗、提高产品收率和产品质量有着决定性的作 用。工艺计算中最为重要和复杂的是物料平衡、热量平衡的流 程模拟计算，此外还有传热、传质计算和技术经济评价。 口 计算机模型设计与绘图 C A D 在施工图设计阶段，计算机应 用主要是土建结构静态和动态分析、设备强度计算、管线应刀 分析等工程计算 、二维制图和三维工厂 〔 装置模型设计 。’常 第一章 绪论 用的软件有用于二维 C A D的 A u t o C A D ，用于三维化工工艺 C A D的P D A , P D s o f t ，用于三维模型设计的MD T等等 3 8 1 ② 生 产 途 程 控 制 、 模 拟 和 优 化 1】1‘， 口 生产设备在线监控对生产过程的监控进一步分解细化，就是 对具体的设备实施监控阴。由于它能够带来可观的经济效益， 因此在这一领域的研究开发工作始终处于飞速发展的阶段。不 仅是科研院所，而且一些生产厂商也加入了研究的行列，这使 得科研成果能够迅速转换为生产力。 如澳大利亚悉尼大学的 D . L e u n g 等人开发的多媒体实时监控系统4 l ， 新西兰M a s s e y 大学 的S i m o n B r o w n 等人联合开发的用于生物化学实验室的计算机 数据采集与分析系统曰。国内也有很多学者在努力开拓此方而 的应用，如中国矿业大学王家兵等采用 V i s u a l B a s i c 开发的煤 矿主通风机实时监控系统囚，北京航空航天大学李波等研制的 面向化工生产的过程参数监控系统川。 口 分布式控制系统 D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m D C S 的应用是化 工仪表的一次飞跃，它使得机械的、气动的和电动的单元组合 调节仪表变为电子计算机。分布式控制系统具有危险分散功 能分散，管理集中等特点，它不仅价格比常规仪表更低廉而 且比常规仪表更安全、可靠、稳定1 9 1 。 根据 1 9 9 7 年的统计，化 7 _ 行业中使用的 D C S系统数量约占全国工业部门在用 D C S总 套数的 3 4 . 5 ，是应用最多的部门。其中大部分依靠进口，尤 其以日本横河公司和美国霍尼韦尔公司的产品为最[ 9 l 口 过程模拟 P r o c e s s S i m u l a t i o n 与设计分为通用流程模拟和 专用流程模拟两大类「 ’ 。 。 通用流程模拟主要用于模拟产品分离 装置和简单反应过程，可适用于多种类型装置。如用于分子模 拟与设计的 C e r i u s 2 ，用于柔性间歇过程操作排程的 V i s u a l B A T C。 专用流程模拟主要用于模拟反应过程， 一个软件对于某 一特定类型装置的反应系统。 ③计算机辅助管理四[ 1 1 l 。在信息技术飞速发展的今天越来越多 的化工企业采纳 了管控一体化的概念，这种将管理 自动化 、生产 目 第一章 绪论 动化和实验室自动化结合在一个体系内的思想， 大大节省了企业运 行 的成本，提 高了企业竞争力。 1 . 4 论文的工作 目前，就本课题所研究的电站锅炉脱硫除尘方面而言，国外虽然 已经有公司开发出相关的自 动控制系统[ 1 2 [ [ 1 3 1 ， 如福克斯波罗 F O X B O R 的 公司生产的 S P E C - 2 0 0 型、美国贝利公司生产的 8 2 0型和 9 0 2 0型、瑞 上苏尔寿公司生产的A V -I V 型等，在电厂都得到应用，但是由于他们 都是针对各自的硬件平台和脱硫方法、脱硫设各，所以引进费用昂贵， 兼容性差;同时，国内开发的火电站 D C S监控系统也主要是以大型电 厂的生产设备实施监控，而专门为脱硫除尘系统设计配套的监控系统 几乎为零。而国家对电站锅炉烟气排放的限制又日益严格，因此，设 计研究适合中国国情的电站锅炉监控系统就变得越来越有实际意义。 鉴于以前的开发经验，本课题的目的在于研究并开发针对烟气脱 硫主体设备的监控系统，编制能够独立于开发环境的监测控制软件， 并论证模糊 P I D控制技术在脱硫除尘一体化设备中的应用可行性，提 出具体的设计步骤。提供模块化接口，为以后实验研究不同控制方法 提供方便 。 第二章 P I D控制方法与 模糊技术 第二章 P I D 控制方法与模糊技术 2 . 1 P I D控制方法 根据偏差的比例 p r o p o r t i o n 、 积分 i n t e g r a l , 微分 d i f f e r e n t i a l 进行的控制， 称为P I D控制[ 1 4 l 。 这类控制方法简单易懂， 对于非复杂 系统是行之有效的。它也是目前过程控制领域应用最为广泛的一种控 制规律，据数据显示，虽然现在有越来越多的复杂的，只有计算机才 能实现的控制算法，但是在现实的工业过程控制中，仍有多于 9 0 的 场合在使用 P I D控制方法[ 3 9 [ 。实际运行的经验和理论的分析都充分证 明利用这种控制规律对相当多的工业对象实施控制时，都能得到满 意的效果。 2 . 1 . 1 P I D 控制算式的一般形式 2 . 1 . 1 . 1 位置型 P I D 控制算式 在控制系统中，如果执行机构是阀门等，需要输出量与阀门开度 位置一一对应 ，则选用位置型 P I D控制算式 T o ‘ ， 、 竺 二 ，k r k n 一 ‘ k 了 刃 u , 2 一 1 川 ，了﹂ k艺问 Ts一兀 ，大 e 尸十IL K -一 .北 况 或 u k 二 K , e k K , 艺e j K[e k - e k 一 ， ] U o 2 - 2 I o 式中u 。 一控制量的基值，即k 0 时的控制 u k 一第 k个采样时刻的控制; e k 一第 k 个采样时刻的偏差; K P 一比例放大系数; K ， 一积分放大系数，K , K P T s / T , o 第二章 P I D控制方法与模糊技术 K 。 一微分放大系数;K D K P T D / T S T S 一采样周期 T I 一积分时间; T 。 一微分时间。 2 . 1 . 1 . 2增量型 P I 。 控制算式 当执行机构需要的不是控制量的绝对值 ， 如驱动步进电机时，需要采 P I D的增量形式 由位置型算式得 出 而 是控 制量 的增量 例 u k K p e k K , Y- e j K o [e k 一 e k 一 1 ] u 0 2 一 3 u k 一 1 K ,,e * 一 1 K , 艺e j K[e k 一 1 一 e 、 一 2 ] u . 2 一 4 两式相减，得到控制量的增量型算式 D v k u k 一 u k 一 1 一 K ,, [e k 一 e k 一 1 ] K , e k K [e k 一 2 e 、 一 1 e k 一 2 ] 2 一 5 2 . 1 . 2 P I D 控制算式的选择 从 P I D控制的两种基本形式可以看出，具体选择哪种控制算式与 受控对象的执行组件有关;而且可以看出，使用增量形式的 P I D算式 将会带来如下优点 ① 控制算式中不需要进行累加运算， 控制量增量的确定仅与最近几次 误差采样值有关 ，由于避免了较大的累计误差的产生，所 以对控制量 的计算影响较小。 ② 由于不需要存储系统从 t 0时刻开始的所有误差，因此可 以节省 计算机资源，容易实现计算机控制。 ③ 增量型控制算式得出的是控制量的增加值，例如阀门控制中，只输 出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时可 以通过逻辑判断限 制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。 第二章 P I D控制方法与模糊技术 ④ 采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。 另外，在实际的使用中，并不是所以的场合都必须使用 P , I , D 三种控制因素，有的情况下只是用一种 〔 如 P控制或是其中两种控 制因素的组合 如 P I 和 P D控制就可以满足控制指标的要求。具体 说来 比例控制规则使用最广，它适用于负荷变化小、过程纯滞后不大、 时间常数较大而又允许存在余差的控制系统; 积分控制规则可 以消除系统余差的存在 ，但是由于积分控制器的 输出要有一段时间的积分才能达到一定数值以驱动执行器动作，其控 制作用滞后于偏差，不能及时消除外界扰动的影响，因此一般不单独 使用， 而是与比例控制器联合构成 P I 控制规则， 用于过程纯滞后不大、 时间常数也不大而又不允许存在余差的控制系统中; 微分控制规则一般也不单独使用，而是和比例控制或者比例积分 控制结合使用。 2 . 1 . 3 P I D 控制的改进算法 在数字 P I D控制器的设计中，如果简单的应用如上的两种控制算 式，在某些情况下会出现失控，必须加以改进。 ① 位置算式的积分饱和及其抑制 实际的控制系统中，当控制变量达到一定值后，系统的输出变量 不再增长。系统进入饱和区。这就要求系统的控制变量必须限制在某 一范围内，即u m . 洲 ￡ 为分离阀值。 ② 增量算式的比例和微分饱和及其抑制 增量算法没有累加和项，不会出现积分饱和，避免了大的超调和 振荡，但是当给定值发生较大的跳变时，算式中的比例十 微分部分得到 的控制量也可能很大，出现比例与微分饱和现象，使系统的动态过程 变慢，达不到计算 的结果。此时可以采用积累补偿法，其基本思想是， 将那些因为饱和而未能执行的控制增量信息累积起来，一旦有可能时 - 再补偿执行 ，从而加速系统的动态过程。 ③ 其他形式的 P I D改进方法 随着智能控制的不断发展，传统 P I D控制与智能控制的结合应用 成为一个越来越被看好的方向1 2 0 1 。其中研究较多的一种是传统P I D与 模糊控制结合。 英国S h e f f i e l d大学的D o n g i k L e e 等人设计了一个变增 益的 模糊P I D 控制器， 并用试验证明了 其优良 的控制性能 1 S 1 ; 日 本S a g a 工业技术中心的K e n i c h i r o H a y a s h i 等人利用简化的模糊推理理论实现 了传统的线性和非线性 P I D控制「 1 6 1 。国内也有很多学者进行了相关的 研究和设计，比如张来喜等人针对真空冻干生产线开发的智能控制系 统就采用了自 适应模糊P I D控制器[ u l ， 而万永著利用模糊P I D控制器 实现了对调压铸造过程的有效控制I I K I 。刘智勇等人提出来另一种模糊 P I D控制形式一复合模糊控制器「 ‘ ” } ，它是由一个常规 P I D控制器和一 个常规模糊控制器并联组合而成的，通过确定 t 时刻误差和误差变化 率，决定是由常规 P I D控制器还是由常规模糊控制器对被控过程产生 控制作用。 他们将这个复合控制器应用于冷热水混合器的控制系统中， 证明这种方法能够结合两种控制的优 点， 适合于存在滞后的过程控制。 第二章 P I D控制方法与模糊技术 2 . 2 模糊控制技术 2 . 2 . 1 模糊控制简介. ’ 在工业过程控制中，用经典法 古典控制理论和现代控制理论 设计控制系统时，总会遇到一些不明确或者说模糊 的问题 。为了解决 这些问题，经典控制理论提出来许多对策，但是对于工业控制过程来 说，尤其是在控制系统机理较为复杂，变量间关联严重，且存在着非 线性、时变和时滞以及繁多扰动的情况下，经典控制理论还是感到非 常棘手。因此，从 1 9 6 5年美国著名控制论专家扎德教授创建模糊数学 以来，模糊控制理论逐渐成为解决如上所述问题的利器。1 9 7 4年，英 国伦敦大学 Q u e e n M a r r y学院教授 E . M a m d a n i 首次应用模糊控制语句 组成模糊控制器，对一个试验性蒸气机进行控制，取得成功。这标志 着模糊控制技术的诞生。 2 . 2 . 2 模糊控制的数学基础 1 模糊集合 F u z z y S e t s 给定论域 X上的一个模糊集合A ，是 指对于任意的X EX都可以确定一个数11 ,, x , 0 u A x 1 ，它表示 x对 A的隶属程度 。 0 其他值 映 像P A X - } 10 ,1 1 称为 隶 属 度。 表示x 完全属于集合A 表示x 完全不属于集合A 表示x 部分属于集合A 十、 一一 X ‘ 月 尸 如果模糊集合 A定域于离散型元素X I , x 2 , -， x _ ， 一上，则可用数学 式子表示为 A二 f t , / X , P 2 / 丸， 十 A I x ; 或 者 A 一 { X I I A I X 2 I P 2 1 ， 二 ， t x } , } ， 一 } 第二章 P I D控制方法与模糊技术 如果模糊集合 A定域于连续实数，则各个元素的隶属度就构成了 隶属度函数 Me m b e r s h i p F u n c t i o n ，可用数学式子表示为 A 一 介 A X / X 2 - 6 需要注意 的是，以上各式 中的 “ ” 、“ / ”和 “丁” ，并不是数学意 义上的加号、除号和积分符号 ，而是模糊集合的一种表示形式。 2 模糊集合的运算 由于模糊集合是经典集合的拓广， 因此与经典 集合的运算相似，模糊集合也有 “ 交” 、“ 并” 、“ 补”等运算，而且有 相似的运算规则。 ① 相等A B - P A W F H B X ② 子集B c A a P I X _ A X ③并集D A U B x m a x U A X , P B X ④交集P A n a X m i n p , X , p . X ⑤补集,U A W I - P A X ⑥ 空集和全集A 为空 集p .U A W 0 , A 为 全 集。P A W 模糊集合的运算性质大部分与