鍋爐汽包水位預(yù)測(cè)控制方案

　　鍋爐汽包水位控制是當(dāng)前汽包爐的主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一。目前，大多數(shù)電廠仍然采用三沖量控制方案，但是隨著機(jī)組容量的增大，這種控制方案越來(lái)越不能滿足要求。為了進(jìn)一步提高控制品質(zhì)，充分發(fā)揮現(xiàn)代控制設(shè)備功能，本文根據(jù)汽包水位動(dòng)態(tài)對(duì)象特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鍋爐汽包水位預(yù)測(cè)控制方案。仿真試驗(yàn)表明：與常規(guī)控制方案相比，該控制方案系統(tǒng)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)效果好，因而具有很好的實(shí)用價(jià)值。
　　
　　一、鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性
　　
　　鍋爐汽包水位的被控制量即汽包水位H，調(diào)節(jié)量是給水量W，前饋擾動(dòng)為蒸汽流量D，數(shù)學(xué)模型如圖1所示。其中給水流量與汽包水位之間的關(guān)系是無(wú)自平衡能力的，蒸汽流量的變化又容易引起汽包誘發(fā)虛假水位現(xiàn)象。
　　二、預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)與算法
　　
　　2.1預(yù)測(cè)控制方案設(shè)計(jì)
　　
　　所謂預(yù)測(cè)控制就是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、控制對(duì)象實(shí)際的狀態(tài)以及預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻有可能發(fā)生的變化計(jì)算控制量（圖2（a））。由于采用了將預(yù)測(cè)控制思想與常規(guī)PID算法相結(jié)合的方法，故在很大程度上增強(qiáng)了預(yù)測(cè)控制抗內(nèi)擾能力。　　
　　2.2鍋爐汽包水位控制的預(yù)測(cè)控制算法
　　
　　將汽包水位的數(shù)學(xué)模型作等效變換（圖2（b）），圖形很清楚地顯示出2個(gè)慣性環(huán)節(jié)與1個(gè)積分環(huán)節(jié)（給水與蒸汽流量之差）的并聯(lián)。將該圖的3個(gè)環(huán)節(jié)分別寫(xiě)成下列離散表達(dá)式形式：
　　
　　H1（z-1）=h1（z-1）△W（z-1）（1）
　　
　　H2（z-1）=h2△D（z-1）（2）　　
　　因而，模型汽包水位的增量的表達(dá)式是：
　　
　　△H=△H1+△H2+△H3（4）
　　
　　設(shè)計(jì)中，為了防止控制系統(tǒng)的設(shè)備動(dòng)作幅度過(guò)急、過(guò)大，引入柔化系數(shù)a，通過(guò)a來(lái)柔化處理定值。設(shè)（k+p）采樣時(shí)刻施加的理想定值為Hr,表達(dá)式如下（H0是外加的定值）：
　　
　　Hr=ap（k）+（1-ap）H0
　　
　　=（1-ap）（H0-H（k））+H（k）（5）
　　
　　（0計(jì)算控制信號(hào)時(shí)，假定系數(shù)的外部狀態(tài)和控制信號(hào)在（k+p）采樣時(shí)刻內(nèi)保持不變，也就是說(shuō)，D不變，控制信號(hào)W（理想控制指令）（k+1）=…=W（k+p），用下列公式計(jì)算模型汽包水位（k+p）時(shí)刻的增量（n是近似模擬汽包水位動(dòng)態(tài)模型時(shí)的采樣數(shù)目）。　　
　　設(shè)柔化后的定值增量與模型的增量誤差為e（k+p）:
　　
　　e（k+p）=（Hr-H（k））-△H（k+p）（10）
　　
　　取*性能指標(biāo)函數(shù)：
　　
　　J=e2（k+p）+r2（W-D（k））（11）
　　
　　（r是加權(quán)系數(shù)）
　　
　　，即得控制指令W。
　　
　　三、仿真實(shí)驗(yàn)
　　
　　為了驗(yàn)證控制方案的正確性，以某電廠的汽包流水作業(yè)閏作為被控對(duì)象，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，被控對(duì)象的相關(guān)控制參數(shù)如下：
　　
　　T1=30s,K1=0.037,T2=15s,k2=3.6
　　
　　預(yù)測(cè)控制器的參數(shù)：加權(quán)系數(shù)r=0.11,a=0.5,p=5（超前步數(shù)），采樣周期2s（仿真圖中的橫坐標(biāo)單位是采樣周期，縱坐標(biāo)是與擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的相對(duì)值）。
　　
　　3.1汽包水位定值擾動(dòng)仿真
　　
　　給水?dāng)_動(dòng)流量和蒸汽擾動(dòng)流量保持不變，即W=0，D=0，汽包水位定值H0施加單位階躍擾動(dòng)。預(yù)測(cè)控制定值擾動(dòng)和串級(jí)三沖量控制水位定值擾動(dòng)示意分別見(jiàn)圖3（a）和圖3（b）。　　
　　由圖可見(jiàn)，預(yù)測(cè)控制和常規(guī)串級(jí)三沖量相比，具備響應(yīng)曲線上升快，超調(diào)量小，閥門(mén)動(dòng)作平衡，調(diào)節(jié)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。　　
　　3.2給水單位擾動(dòng)的仿真
　　
　　汽包水位定值和蒸汽流量保持不變，即H0=0，D=0，控制參數(shù)不變，給水流量作單位階躍擾動(dòng)的仿真曲線如圖4（a）和圖4（b）。　　
　　由圖可見(jiàn)，預(yù)測(cè)控制水位zui大波動(dòng)量是0.06，而串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)水位的zui大波動(dòng)量約0.42。另外，預(yù)測(cè)控制水位的調(diào)節(jié)時(shí)間也比較快，閥門(mén)動(dòng)作快而平穩(wěn)。而串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)中，由于抗內(nèi)擾能力差，運(yùn)行人員的操作及臨時(shí)檢修維護(hù)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行都有很大的影響，相比較而言，預(yù)測(cè)控制比串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)具有更大的優(yōu)勢(shì)。
　　
　　3.3蒸汽流量擾動(dòng)仿真試驗(yàn)
　　
　　汽包水位定值和給水流量保持不變，即H0=0，W=0，蒸汽流量單位階躍增加時(shí)的仿真曲線如圖5（a）和圖5（b）。　　
　　從圖可看出，雖然串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，在zui大超調(diào)量方面，跟預(yù)測(cè)控制有著差不多的效果，這主要是靠犧牲抗內(nèi)擾能力得到的，也只能從總體上適應(yīng)要求。但是，預(yù)測(cè)控制從開(kāi)始過(guò)度到平衡狀態(tài)所用時(shí)間則要短得多，閥門(mén)動(dòng)作頻率也比較合理化。
　　
　　3.4控制系統(tǒng)對(duì)斜波信號(hào)的響應(yīng)
　　
　　實(shí)際控制中不大可能出現(xiàn)階躍信號(hào)，出現(xiàn)zui多的，也zui為普遍的是近似斜波擾動(dòng)。下面，分別用蒸汽流量斜波擾動(dòng)信號(hào)對(duì)預(yù)測(cè)控制器與串級(jí)三沖量控制器進(jìn)行仿真（圖6）。參數(shù)：D=t（0　　3.5改變被控對(duì)象放大倍數(shù)的仿真
　　
　　將被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)放大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒(méi)有太大的影響，因而比較的意義不大。現(xiàn)將被控對(duì)象的增益增加到2倍，然后用蒸汽流量單位階躍擾動(dòng)對(duì)2種調(diào)節(jié)方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)比較（圖7）。從圖可以看出，在控制參數(shù)不變的情況下，此時(shí)預(yù)測(cè)控制抗外擾能力相對(duì)較弱，這種微小的差別可以通過(guò)調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)而得到改善。但是，預(yù)測(cè)控制的調(diào)節(jié)速度仍然相對(duì)較為迅速。
　　
　　3.6復(fù)合式預(yù)測(cè)控制器
　　
　　當(dāng)控制對(duì)象的放大倍數(shù)增大到2倍時(shí)，控制系統(tǒng)仍能正常工作，放大倍數(shù)增大到4位時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線呈現(xiàn)發(fā)散狀，這主要是針對(duì)該具體的對(duì)象應(yīng)用了*化控制思想，這種思想對(duì)模型的依賴性比較強(qiáng)；　　
　　另外，控制器的參數(shù)調(diào)整相對(duì)不方便，這也是預(yù)測(cè)控制器的一個(gè)缺點(diǎn)。不過(guò)，可以根據(jù)對(duì)象的幾個(gè)不同的典型傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)出復(fù)合式預(yù)測(cè)控制器，然后再根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行對(duì)象及運(yùn)行對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)或人為調(diào)整預(yù)測(cè)控制器的參數(shù)，可以很好地克服上述單模型單值預(yù)測(cè)控制方案的缺點(diǎn)。
　　
　　四、結(jié)論
　　
　　電廠的鍋爐汽包水位控制，基本都能投自動(dòng)，但是，同時(shí)具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)效果好的控制系統(tǒng)卻比較少見(jiàn)。本文根據(jù)現(xiàn)代控制設(shè)備特點(diǎn)，提出了更為合理的預(yù)測(cè)控制方案，從而克服了三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在抗內(nèi)擾、外擾、以及閉環(huán)特性不能兼顧的缺點(diǎn)。仿真試驗(yàn)表明，該方案擁有很強(qiáng)的容錯(cuò)性、設(shè)備動(dòng)作頻率低，有利于系統(tǒng)的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行。