锅炉汽包水位预测控制方案

　　锅炉汽包水位控制是当前汽包炉的主要调节系统之一。目前，大多数电厂仍然采用三冲量控制方案，但是随着机组容量的增大，这种控制方案越来越不能满足要求。为了进一步提高控制品质，充分发挥现代控制设备功能，本文根据汽包水位动态对象特点，设计了锅炉汽包水位预测控制方案。仿真试验表明：与常规控制方案相比，该控制方案系统响应速度快，稳态效果好，因而具有很好的实用价值。
　　
　　一、锅炉汽包水位的动态特性
　　
　　锅炉汽包水位的被控制量即汽包水位H，调节量是给水量W，前馈扰动为蒸汽流量D，数学模型如图1所示。其中给水流量与汽包水位之间的关系是无自平衡能力的，蒸汽流量的变化又容易引起汽包诱发虚假水位现象。
　　二、预测控制设计与算法
　　
　　2.1预测控制方案设计
　　
　　所谓预测控制就是根据控制对象的数学模型、控制对象实际的状态以及预测未来时刻有可能发生的变化计算控制量（图2（a））。由于采用了将预测控制思想与常规PID算法相结合的方法，故在很大程度上增强了预测控制抗内扰能力。　　
　　2.2锅炉汽包水位控制的预测控制算法
　　
　　将汽包水位的数学模型作等效变换（图2（b）），图形很清楚地显示出2个惯性环节与1个积分环节（给水与蒸汽流量之差）的并联。将该图的3个环节分别写成下列离散表达式形式：
　　
　　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达式是：
　　
　　△H=△H1+△H2+△H3（4）
　　
　　设计中，为了防止控制系统的设备动作幅度过急、过大，引入柔化系数a，通过a来柔化处理定值。设（k+p）采样时刻施加的理想定值为Hr,表达式如下（H0是外加的定值）：
　　
　　Hr=ap（k）+（1-ap）H0
　　
　　=（1-ap）（H0-H（k））+H（k）（5）
　　
　　（0计算控制信号时，假定系数的外部状态和控制信号在（k+p）采样时刻内保持不变，也就是说，D不变，控制信号W（理想控制指令）（k+1）=…=W（k+p），用下列公式计算模型汽包水位（k+p）时刻的增量（n是近似模拟汽包水位动态模型时的采样数目）。　　
　　设柔化后的定值增量与模型的增量误差为e（k+p）:
　　
　　e（k+p）=（Hr-H（k））-△H（k+p）（10）
　　
　　取*性能指标函数：
　　
　　J=e2（k+p）+r2（W-D（k））（11）
　　
　　（r是加权系数）
　　
　　，即得控制指令W。
　　
　　三、仿真实验
　　
　　为了验证控制方案的正确性，以某电厂的汽包流水作业闰作为被控对象，进行仿真试验，被控对象的相关控制参数如下：
　　
　　T1=30s,K1=0.037,T2=15s,k2=3.6
　　
　　预测控制器的参数：加权系数r=0.11,a=0.5,p=5（超前步数），采样周期2s（仿真图中的横坐标单位是采样周期，纵坐标是与扰动对应的相对值）。
　　
　　3.1汽包水位定值扰动仿真
　　
　　给水扰动流量和蒸汽扰动流量保持不变，即W=0，D=0，汽包水位定值H0施加单位阶跃扰动。预测控制定值扰动和串级三冲量控制水位定值扰动示意分别见图3（a）和图3（b）。　　
　　由图可见，预测控制和常规串级三冲量相比，具备响应曲线上升快，超调量小，阀门动作平衡，调节时间短等优点。　　
　　3.2给水单位扰动的仿真
　　
　　汽包水位定值和蒸汽流量保持不变，即H0=0，D=0，控制参数不变，给水流量作单位阶跃扰动的仿真曲线如图4（a）和图4（b）。　　
　　由图可见，预测控制水位zui大波动量是0.06，而串级三冲量调节水位的zui大波动量约0.42。另外，预测控制水位的调节时间也比较快，阀门动作快而平稳。而串级三冲量调节中，由于抗内扰能力差，运行人员的操作及临时检修维护对系统的正常运行都有很大的影响，相比较而言，预测控制比串级三冲量调节具有更大的优势。
　　
　　3.3蒸汽流量扰动仿真试验
　　
　　汽包水位定值和给水流量保持不变，即H0=0，W=0，蒸汽流量单位阶跃增加时的仿真曲线如图5（a）和图5（b）。　　
　　从图可看出，虽然串级三冲量调节可以通过调节参数，在zui大超调量方面，跟预测控制有着差不多的效果，这主要是靠牺牲抗内扰能力得到的，也只能从总体上适应要求。但是，预测控制从开始过度到平衡状态所用时间则要短得多，阀门动作频率也比较合理化。
　　
　　3.4控制系统对斜波信号的响应
　　
　　实际控制中不大可能出现阶跃信号，出现zui多的，也zui为普遍的是近似斜波扰动。下面，分别用蒸汽流量斜波扰动信号对预测控制器与串级三冲量控制器进行仿真（图6）。参数：D=t（0　　3.5改变被控对象放大倍数的仿真
　　
　　将被控对象的时间常数放大，对系统的稳定性没有太大的影响，因而比较的意义不大。现将被控对象的增益增加到2倍，然后用蒸汽流量单位阶跃扰动对2种调节方案进行仿真试验比较（图7）。从图可以看出，在控制参数不变的情况下，此时预测控制抗外扰能力相对较弱，这种微小的差别可以通过调节加权系数而得到改善。但是，预测控制的调节速度仍然相对较为迅速。
　　
　　3.6复合式预测控制器
　　
　　当控制对象的放大倍数增大到2倍时，控制系统仍能正常工作，放大倍数增大到4位时，系统的响应曲线呈现发散状，这主要是针对该具体的对象应用了*化控制思想，这种思想对模型的依赖性比较强；　　
　　另外，控制器的参数调整相对不方便，这也是预测控制器的一个缺点。不过，可以根据对象的几个不同的典型传递函数，设计出复合式预测控制器，然后再根据实际的运行对象及运行对象的状态自动或人为调整预测控制器的参数，可以很好地克服上述单模型单值预测控制方案的缺点。
　　
　　四、结论
　　
　　电厂的锅炉汽包水位控制，基本都能投自动，但是，同时具备动态响应快，稳态效果好的控制系统却比较少见。本文根据现代控制设备特点，提出了更为合理的预测控制方案，从而克服了三冲量调节系统在抗内扰、外扰、以及闭环特性不能兼顾的缺点。仿真试验表明，该方案拥有很强的容错性、设备动作频率低，有利于系统的长久稳定运行。