鍋爐電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、鍋爐電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中重要的供汽設(shè)備，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著不可 忽視的作用。鍋爐的水位則是鍋爐安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。本文以多傳感器信息融 合知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的知識(shí)，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 控制中，通過(guò)綜合判斷、全局分析，形成一【摘 要】鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中重要的供汽設(shè)備，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著 不可忽視的作用。鍋爐的水位則是鍋爐安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。本文以多傳感器信 息融合知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的知識(shí)，并將其應(yīng)用于工業(yè) 生產(chǎn)控制中，通過(guò)綜合判斷、全局分析，形成一種新型的控制策略，以解決單一 傳感器不能全面反映工況信息從而不能準(zhǔn)確選

2、擇控制方案的問(wèn)題。其目的和意義 在于：信息融合與工業(yè)控制相結(jié)合開(kāi)辟了一個(gè)新研究領(lǐng)域，給傳統(tǒng)的工業(yè)控制帶 來(lái)新的機(jī)理，可望形成某些新型的控制系統(tǒng)。本項(xiàng)研究就是根據(jù)鍋爐水位控制綜 合、復(fù)雜、困難的特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的鍋爐三沖量水位控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，采 用信息聚類融合理論，依照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，建立了一個(gè)鍋爐三沖量水位變 動(dòng)過(guò)程的聚類控制的理論模型。其中主要內(nèi)容有：研究了多傳感器信息融合的基 本理論,ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)分類方面的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，BP網(wǎng)結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)對(duì)系 統(tǒng)的二次融合，控制策略空間的形成和設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：三沖量水位神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類控制仿真目錄第一章緒論11.1鍋爐

3、概述11.2鍋爐水位控制的重要性21.3本項(xiàng)研究的內(nèi)容和方法21.4本項(xiàng)研究的現(xiàn)實(shí)意義2第二章方案論證42.1鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)42.2汽包水位的特性42.3方案比較52.4聚類融合控制系統(tǒng)基本思想62.5聚類融合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)6小結(jié)6第三章多傳感器信息融合概述83.1多傳感器信息融合的基本概念8多傳感器信息融合的應(yīng)用領(lǐng)域 83.3多傳感器信息融合的基本結(jié)構(gòu)93.4多傳感器信息融合的方法103.5多傳感器信息融合系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11小結(jié)11第四章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)12神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 124.2神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r13BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)14BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述14BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)15BP的學(xué)習(xí)規(guī)則164.4 AR

4、T-2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)174.4.1自適應(yīng)諧振理論17ART-2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)20ART-2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)特性23ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)27小結(jié)27第五章基于信息融合的聚類控制285.1采用聚類融合控制的必要性285.2聚類融合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)285.3模式窗口及時(shí)間序列融合295.3.1模式窗口的概念295.3.2融合窗口及其選擇315.4聚類融合控制的設(shè)計(jì)315.4.1輸入信息空間315.4.2聚類融合空間315.4.3類別空間32小結(jié)32第六章鍋爐三沖量水位融合控制設(shè)計(jì)336.1輸入信息空間33聚類融合空間 356.3運(yùn)行空間386.4聚類融合控制系統(tǒng)仿真40小結(jié)47第七章結(jié)論48致謝49參考文獻(xiàn)50附

5、錄A三沖量水位融合控制系統(tǒng)程序框圖51附錄B ART-2程序清單52第一章緒論1.1鍋爐概述鍋爐是發(fā)電、煉油、化工等部門(mén)的重要能源、熱源動(dòng)力設(shè)備，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要 的供應(yīng)蒸汽的設(shè)備。電力、機(jī)械、冶金、化工、紡織、造紙、食品等，以及工業(yè) 及民用采暖都需要鍋爐供給大量的蒸汽。鍋爐的安全運(yùn)行對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。鍋爐的水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要因素之一。 常見(jiàn)的鍋爐設(shè)備主要工藝流程如圖所示：由圖可知，給水是由水泵送來(lái)的，到鍋爐之前，已在低壓、高壓加熱器加熱。給 水進(jìn)入鍋爐以后首先經(jīng)過(guò)省煤器（加熱給水的受熱面叫做省煤器）進(jìn)一步受到加 熱，然后送到汽包（也叫爐筒），與汽包中原

6、有的循環(huán)著的水混合，沿下降管流 入水冷壁受熱面，吸收爐膛的輻射熱，部分地蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物，上 升到汽包中。蒸汽在汽包中與水分離，從頂部流出，經(jīng)敷設(shè)在爐頂頂棚上的過(guò)熱 器（把飽和蒸汽加熱為過(guò)熱蒸汽的受熱面叫做過(guò)熱器）流向后方，進(jìn)入低溫過(guò)熱 器，再流入在爐膛出口的屏式過(guò)熱器，然后再經(jīng)高溫過(guò)熱器被加熱到預(yù)定的溫度 后，進(jìn)入主汽管流向汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。1.2鍋爐水位控制的重要性為了保證鍋爐正常運(yùn)行，需要維持鍋爐水位為正常標(biāo)值。汽包的水位實(shí)際是 反應(yīng)汽包內(nèi)水量的多少。汽包的水容積和它的蒸發(fā)速率，各類鍋爐均有差異。 汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的被控變量

7、，維持水位在一定 的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的主要條件，這是因?yàn)椋海?）水位過(guò)高，影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸氣帶水過(guò)多，影響蒸汽質(zhì)量。（2）水位過(guò)低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷， 管壁被破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。因此，汽包水位必須加以嚴(yán)格管理，以保 證鍋爐正常安全運(yùn)行。1.3本項(xiàng)研究的內(nèi)容和方法近年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的自動(dòng)控制已經(jīng)不再 符合時(shí)代發(fā)展的要求，加之鍋爐控制系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性、非線性和時(shí)變性， 必須采用一種全新的方法來(lái)完成這項(xiàng)工作。我們將自動(dòng)控制領(lǐng)域的最新成果 聚類融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用于鍋爐水位控制過(guò)程中，不僅使鍋爐水

8、位控制技術(shù)和 設(shè)備的研究跨上了一個(gè)新臺(tái)階，進(jìn)入了新的發(fā)展階段，也為聚類融合控制系統(tǒng)自 身的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。本項(xiàng)研究中，對(duì)鍋爐水位的三沖量（即汽 包水位、給水流量和蒸汽流量。）運(yùn)用基于信息融合的聚類控制，它不是像常規(guī) 的控制那樣直接利用傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制算法后進(jìn)行控制，而是融合多個(gè) 傳感器數(shù)據(jù)并聚類成反映過(guò)程運(yùn)行狀況的類別，根據(jù)每一類別所描述的過(guò)程行為 特點(diǎn)采取相應(yīng)的控制策略進(jìn)行控制。在工業(yè)控制中，過(guò)程運(yùn)行狀況也就是共工況。 在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，某個(gè)傳感器的的輸出可以大體反映工況的一個(gè)側(cè)面而不是整個(gè) 工況。采用適當(dāng)?shù)男畔⑷诤戏椒?，將從不同?cè)面描述工況的多個(gè)傳感器信息融合 起來(lái)，就

9、有可能獲得對(duì)工況的完整或比較完整的描述，使人們能根據(jù)此工況進(jìn)行 生產(chǎn)操作和實(shí)時(shí)干預(yù)，或系統(tǒng)按工況進(jìn)行自動(dòng)化控制。我們采用了 MATLAB 6.5和 Simulink軟件中集成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱來(lái)完成本課題的系統(tǒng)仿真研究。1.4本項(xiàng)研究的現(xiàn)實(shí)意義三沖量水位控制系統(tǒng)，采用信息聚類融合理論，依照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，建立并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)鍋爐三沖量水位變動(dòng)過(guò)程的聚類控制的理論模型。采用聚類 融合控制對(duì)鍋爐的生產(chǎn)過(guò)程的工況的監(jiān)控有其抗干擾性和穩(wěn)定性。以該理論模 型、控制方法為基礎(chǔ)形成一種新型的控制策略，以解決單一傳感器不能全面反映 工況信息從而不能準(zhǔn)確選擇控制方案的問(wèn)題。信息融合與工業(yè)控制相結(jié)合開(kāi)辟了 一個(gè)新研

10、究領(lǐng)域，給傳統(tǒng)的工業(yè)控制帶來(lái)新的機(jī)理，這對(duì)國(guó)內(nèi)的工業(yè)發(fā)展水平具 有重大的意義。注：本項(xiàng)研究尚處于研究階段，所以本文的內(nèi)容也處于探索研究。第二章方案論證2.1鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使 給水量與鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽包中水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。鍋爐汽包 的水位正常與否是鍋爐保證安全運(yùn)行的關(guān)鍵，而它還是衡量鍋爐汽水 第二章方案論證2.1鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽包中水 位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。鍋爐汽包的水位正常與否是鍋爐保證安全運(yùn)行的關(guān)鍵， 而它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否平衡的標(biāo)志。汽包水位不僅受汽包中儲(chǔ)水量的影響，

11、亦與水位 下汽包容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)，因此影響水位的因素 很多，其中主要是蒸汽流量和給水流量。汽包水位控制，是以水位作為水量平衡 與否的控制指標(biāo)，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水量的多少來(lái)達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽 水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由 于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)沒(méi)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象， 實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位和蒸汽流量雙沖量和水位、蒸汽流 量、給水流量三沖量的控制系統(tǒng)。2.2汽包水位的特性影響汽包水位H的主要有給水量W，汽輪機(jī)的耗汽量D和燃料量B等三個(gè)主要因 素。1、給水流量對(duì)水位的影響在給水量

12、W的作用下。把氣泡和給水看作單容無(wú)自衡對(duì)象，由于給水溫度低于汽 包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量，使鍋 爐的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下汽泡總體積VS也就相應(yīng)減小，導(dǎo)致水位下降。相 應(yīng)過(guò)程有一段延遲時(shí)間O給水的過(guò)冷度過(guò)大，純延遲時(shí)間也越大。2、蒸汽負(fù)荷對(duì)水位的影響在汽機(jī)耗汽量D的階躍擾動(dòng)下，當(dāng)汽機(jī)耗汽量D突然階躍增加時(shí)，一方面改變了 汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使水位下降；另一方面，由于耗汽量D的增加，迫使鍋 內(nèi)汽泡增多；同時(shí)由于讓料量維持不變，汽包壓力pd下降，使水面以下的蒸汽 泡膨脹，總體積VS增大，從而導(dǎo)致汽包水位的上升。對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，后 者的影響要大于前者，因

13、此在負(fù)荷階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)水位不但不下降，反 而明顯上升。這種反?，F(xiàn)象通常稱為“虛假水位”現(xiàn)象。3、燃料量對(duì)水位影響燃料量B的擾動(dòng)必然引起蒸汽量D的變化，因此也同樣有假水位現(xiàn)象。但是由于 汽包和水循環(huán)系統(tǒng)中有大量水，汽包和水冷壁金屬管道也會(huì)儲(chǔ)存大量的熱量，因 此有一定熱慣性。燃料量B的增大只能使D緩慢增大，而且pd還緩慢上升，它 將使汽泡體積減小。因而，燃料量擾動(dòng)下的假水位比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和得多。 由以上分析可知，給水量擾動(dòng)下水位響應(yīng)過(guò)程具有純遲延；負(fù)荷擾動(dòng)下水位響應(yīng) 過(guò)程具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動(dòng)下也會(huì)出現(xiàn)假水位現(xiàn)象。這些特性使控制汽包 水位的任務(wù)變得比較困難和復(fù)雜。引起水位變化的擾動(dòng)還

14、有很多。如給水壓力、 汽包壓力等等。不過(guò)都可以通過(guò)上述三方面的擾動(dòng)體現(xiàn)出來(lái)。2.3方案比較1、單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)給水流量作為調(diào)節(jié)量，這是一個(gè)基本的控制方案。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加， 汽機(jī)耗汽量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，致使汽包水位激 烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重地影響設(shè)備的壽命和安全。對(duì)于小容量鍋爐來(lái)說(shuō)，它的蓄水 量較大，水面以下的汽泡體積不占很大比重。因此給水容積延遲和假水位現(xiàn)象不 明顯，可以采用單沖量控制系統(tǒng)。1、雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，只要保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸發(fā)量，就可以保證汽包水位 大致不變。所以我們可以考慮采用比值控制系統(tǒng)。采用比值控制方案的優(yōu)點(diǎn)是系 統(tǒng)完全根據(jù)物

15、質(zhì)平衡條件工作，給水量W的大小決定于耗汽量D，假水位現(xiàn)象不 會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。然而應(yīng)該看到，這個(gè)比值控制系統(tǒng)對(duì)汽包水位來(lái) 說(shuō)是開(kāi)環(huán)控制。所以不能單獨(dú)使用比值系統(tǒng)。2、三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。當(dāng)耗汽量D 突然階躍增大時(shí)，一方面由于假水位現(xiàn)象水位會(huì)暫時(shí)升高，它使調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤地 指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減小給水量；另一方面，D的增大又通過(guò)比值控制作用指揮調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)增加水量。實(shí)際給水量是增大還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。當(dāng)假水位現(xiàn) 象消失后，水位和蒸汽信號(hào)都能正確地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。從另外一個(gè)角度來(lái)看， 這也是一個(gè)前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。本課題我們采用聚類融合對(duì)三沖量水位進(jìn)行控制，它是工業(yè)上的一種創(chuàng)新。2.4聚類融合控制系統(tǒng)基本思想聚類融合控制是融合多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并聚類成反映過(guò)程運(yùn)行狀況的類別，根據(jù)每 一類別所描述的過(guò)程為特點(diǎn)采取相應(yīng)的控制策略進(jìn)行控制。在工業(yè)控制中，過(guò)程 運(yùn)行狀況也是工況。在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，某個(gè)傳感器的輸出可大體反映工況，但在 復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程中，工況無(wú)法用一個(gè)或幾個(gè)過(guò)程變量來(lái)直接表示。采用適當(dāng)?shù)男?息融合方法，將從不同側(cè)面描述多個(gè)傳感器信息融合起來(lái)，就可獲得對(duì)工況的完 整或比較完整的描述，使人