基于模糊PID控制的锅炉减温减压系统的动态特性研究

摘要

减温减压系统是锅炉设备必备的组成部分，无论是用于电站锅炉还是工业锅炉，减温减压系统的作用是将高压过热蒸汽（一次蒸汽）通过减温减压阀的节流套筒和带孔阀芯的节流降压作用降低蒸汽压力，通过给水调节阀向一次蒸汽喷水来降低蒸汽温度。如果经过减温减压系统处理过的蒸汽（二次蒸汽）的温度过高，将会使后接设备的汽轮机内部过度的热膨胀，从而严重影响安全运行；若是温度过低不仅降低设备运行的效率，而且使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。如何设计合理的控制算法，使二次蒸汽的温度维持在允许的范围内，是本文的重要研究内容。
　　 本课题根据一次蒸汽流量Q=10t/h具体工况的参数要求，设计计算减温减压阀和给水调节阀的重要参数，如流量系数、节流降压级数、节流套筒的降噪量、一次蒸汽在管道里的流速、冷凝水的流量等。
　　 节流套筒是减温减压阀的一个重要部件，它不仅起节流降压的作用，还可以利用小孔节流的原理来降低阀体内部的噪声量。本文利用有限元方法，运用ANSYS有限元软件对设计的减温减压阀节流套筒进行有限元模态分析，计算出所设计节流套筒的10阶固有频率和振型。
　　 针对温度控制系统具有非线性、纯滞后、时变的特点，传统的PID控制策略难以获得满意的控制品质，给实际工程带来诸多不便。而模糊控制的鲁棒性好，但对纯滞后及被控对象参数的变化不敏感，控制规则粗糙容易产生稳态误差。本文结合经典PID控制算法和模糊控制算法，分析比较了常规PID参数整定方法，提出了模糊自整定PID控制算法，既保持了PID控制的稳态误差小、稳定性好的优点，又具有模糊控制自适应和调节速度快的特点。
　　 本文以二次蒸汽温度为被控对象，建立了二次蒸汽温度控制系统的仿真模型来检测系统性能，通过运用MATLAB软件，分别对常规PID控制和模糊PID控制进行了仿真分析。结果表明，模糊PID控制有效地提高了系统对非线性、时变性和不确定性的处理能力，控制效果更好。对其与常规PID进行仿真比较，体现出模糊自整定PID控制器的先进性和优越性，对提高控制系统的精度具有很大的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 课题的背景

1.1.2 课题的意义

1.2 减温减压系统的发展及存在问题简述

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 智能控制算法在锅炉减温减压系统中的应用现状

1.2.3 锅炉减温减压系统存在的问题

1.3 本文的研究内容及开展工作

第2章 减温减压系统工作原理及结构设计

2.1 引言

2.2 减温减压系统工作原理及主要组成部分

2.2.1 减温减压系统的工作原理

2.2.2 减温减压系统的主要组成部分

2.3 减温减压阀关键参数计算研究

2.3.1 冷凝水的水质要求及额定流量计算

2.3.2 减温减压阀流通能力Cv的计算

2.3.3 减温减压阀后二次蒸汽在管道中的流速计算

2.3.4 减温减压阀节流降压级数的确定

2.3.5 减温减压阀节流套筒及阀芯开孔面积计算

2.3.6 节流小孔排布方式

2.3.7 降噪量的计算

2.4 新型文丘里式喷水减温器的入口型线设计

2.4.1 新型文丘里式喷水减温器工作原理

2.4.2 影响吸收长度因素

2.4.3 容纳蒸汽流量范围

2.4.4 容纳蒸汽流量范围

2.5 给水调节阀关键参数计算研究

2.5.1 给水调节阀流通能力Cv的计算

2.5.2 冷凝水在管道中流速的计算

2.6 本章小结

第3章 减温减压阀节流套筒的有限元分析

3.1 引言

3.2 ANSYS有限元软件简介及解题过程

3.2.1 有限元软件简介

3.2.3 有限元方法的解题过程

3.3 模态分析的理论与分析意义

3.3.1 模态分析理论简介

3.3.2 模态分析的意义

3.4 节流套筒动力方程的建立

3.5 节流套筒的模态分析

3.5.1 有限元模型的建立

3.5.2 材料属性及实常数

3.5.3 网格划分

3.5.4 加载与求解

3.5.5 计算结果

3.5.6 结果分析

3.6 本章小结

第4章 二次蒸汽温度控制策略理论研究

4.1 引言

4.2 PID控制

4.2.1 PID控制的原理

4.2.2 PID控制器参数的整定

4.3 模糊控制理论

4.3.1 模糊控制的基本原理

4.3.2 模糊控制的特点

4.4 二次蒸汽温度控制系统模糊PID控制器设计

4.4.1 确定模糊PID控制器结构

4.4.2 精确量的模糊化处理

4.4.3 建立模糊PID控制器的控制规则

4.4.4 确定模糊变量的隶属度函数

4.5 本章小结

第5章 二次蒸汽温度控制系统的仿真研究

5.1 引言

5.2 系统仿真与仿真软件简介

5.2.1 系统仿真的概念

5.2.2 MATLAB与SIMULINK软件的简介

5.3 二次蒸汽温度控制系统特性研究及模型辨识

5.3.1 二次蒸汽温度控制系统模型的建立

5.3.2 二次蒸汽温度控制系统模型的辨识

5.4 基于常规PID控制的仿真研究

5.5 基于模糊PID控制的仿真研究

5.5.1 建立模糊推理系统

5.5.2 基于模糊PID控制系统仿真分析

5.6 常规PID控制与模糊PID控制在扰动下的仿真分析

5.6.1 给定值扰动（变工况）仿真试验及结果分析

5.6.2 冷凝水扰动（随机扰动）仿真试验及结果分析

5.7 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文