基于交换网络的锅炉控制系统模型设计
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作者:祁波 张炳一 祁佳琳 张帆
摘 要：本文对锅炉控制系统传递函数改进模型结构、优化模型参数构造性能更好的数学模型。在操纵变量选择上，根据不完全活动的元胞网络模型中的网络全局临界流量进行两次迭代，选择出对锅炉控制产生主要影响的操纵变量。在数学模型结构的构建上，引入前馈控制，形成双冲量控制系统。在数学模型的参数改进上，利用 PID模糊算法，通过MATLAB仿真来确定控制器中相关参数，通过Simulink进行试验。
关键词：双冲量控制 MATLAB仿真 PID控制 交换网络
传统的单闭环控制系统具有动态性能差、简单易于改进的特点，工业上满足不了工艺需求，针对单闭环系统的不足进一步研究改进传递函数模型。
1 数学模型的建立
1.1 交换格点网络模型分析
生产工艺中主要是以液体流动方式为主要的生产模式，反应罐与反应罐相互之间形成邻胞关系，把温度、压力、液位改变视为是梯度变化的过程，把每一个开关阀门视为各个变量变化的节点，把各组变化的量到达稳定的速率称为临界流量，即为λc。
交换网络的队列变化关系如图1，每一个分组包括多种信息，在传递过程中信息并不是完全传递，而是部分传送，且相互之间产生联系，然后把不活动的因素视为一个处于特殊状态的元胞，在每一个传递过程中不参与状态的更新。蒸汽水包与反应罐之间只有温度和水汽的变化是主要的，而压力就是这一个特殊状态的元胞，把这些特殊的元胞排除在外，不参与这些传递的讨论范畴。
主要的影响因子是控制反应进行的主要因素且反应罐的要求是一致的，因此在全局的变化中需要格外关注网络全局的临界流量行为，防止流量的过剩或欠缺。根据上述迭代数据对网络格点各个相关元胞活动进行研究，把温度、压力、水汽视为三元组（F，S，R），任意两个“邻居”之间的关系视为一个映射F：S—P（?），其中P（?）为S的幂集，即P（?）={?： ?∈S}，每一个节点的地位是等同的，不存在绝对的中心点，即每一个反应罐都可以作为一个中心点来看待，反应罐与反应罐之间在信息传输的情况下寻找影响反应的主要元胞，得出液位变化在锅炉反应中为主操量。
1.2 函数模型研究
反应罐相互之间形成类似于串联的关系，研究两个水槽液位变化，混合液液位的变化简化模型如图2所示。
阀门的开度变化记为Δu，而输出为第二个水槽的液位增量Δh2。在水流量增量、水槽液位增量、液阻变化下，经过平衡点线性化后，导出如下的关系式：
式中，第一个水槽的进出水的时间常数为T1;第二个水槽的进出水的时间常数T2为，水槽的传递系数为K。这样在零初始条件下阀门完全开度变化引起的流入水量存在纯延迟。
1.3 模型结构改进
模型建立后需要对模型进行包括稳定性、快速性、准确性的检验分析，稳定性是首要条件，通过MATLAB仿真可以分析出需要调整的参数及参数的大体范围。
由于单闭环系统的振荡程度大、系统结构简单在应对自动和手动切换过程中产生的增量差具有放大作用，对系统的稳定性产生很大的影响，对偏差的放大会导致某一变量出现震荡，因此需要调整比例积分微分环节的相关参数。
双冲量控制系统在水位控制中最主要的扰动是负荷的变化。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。根据扰动系统的特点，可以消除扰动引起的偏差。如图3所示的双冲量水位自动调节系统。
1.4 试探法PID模型参数校正
参数的修正是通过试探的方法得到的，利用MATLAB仿真器中PID控制器对相关参数进行调整得出大致的参数范围，利用校正对模型进行校正处理。相角裕度不需要做改进，Gpc（s）是对系统的原定传递函数改进后的模型，配合前馈函数和抑制扰动函数共同组成一个新系统，新系统需要消除冗余误差，因此采用PI控制技术。
MATLAB仿真对比图像，如图4所示。
虚线是未调整之前的阶跃响应函数，实线是调整后的阶跃响应函数图像，通过图像可以看出超调量、调节时间、上升时间都有了很大的改善。“前馈—反馈”控制方式在应对突发的扰动情况下具有良好的调节性能，即使手动调节阀门出现 “小峰值”在接下来一段时间也会快速调节到稳定状态，具有良好的动态性能。
参考文献
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