（控制理论与控制工程专业论文）船用增压锅炉汽包水位预测控制方法研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g r e s e a r c hp r e d i c t i v e r e s e a r c0 n ( 1 l c t l v e m a r i n es u p e r c h a r g e d c o n t r o lm e t h o do f c a n d i d a t e ：l e n gx i n s u p e r v is o r ：p r o f z h uq i d a n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：s e p t e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： n o v e m b e r ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 0 ，o 羞 之 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：绷l 定 日期：a 垆罗年i 月彩日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：矽7 日期，幽口夕年月。多日 导师( 签字) ：才老至彻 汩7 年，只巩日 、 毒 上 q k 船用增压锅炉汽包水仲预测控制方法研究 摘要 增压锅炉在船舶蒸汽动力装置中具有举足轻重的地位，具有尺寸小、重 量轻、功率大、经济性以及高可靠性等优点。为推动船舶蒸汽动力的发展， 提高船用增压锅炉的自动化水平，开展增压锅炉先进控制方法研究是发展增 压锅炉在船舶行业安全、稳定、高效运行的迫在眉睫的研究课题。预测控制 作为一种性能优越的控制算法，对模型精度要求不高，在过程控制应用中显 示了良好的性能，本文以实际科研项目为课题研究背景，以预测控制理论为 基础，围绕船用增压锅炉蒸发系统，以减少算法计算量、提高汽包水位控制 算法的实时性为目标，开展了以下的研究工作： 首先，从建立船用增压锅炉系统仿真平台角度出发，全面分析了船用增 压锅炉蒸发系统的工作机理，简化其物理模型，利用汽水两相的质量平衡方 程和能量平衡方程建立了蒸发系统的动态机理模型，仿真结果反映了汽包水 位在不同工况下的动态响应，符合基本规律和过程机理，为后续的船用增压 锅炉汽包水位预测控制方法研究奠定了基础。 其次，为提高船用增压锅炉汽包水位控制系统的快速性，对串级广义预 测控制算法进行了改进，设计了船用增压锅炉汽包水位的串级g g p c ( 灰色广 义预测控制) 一p i 控制器。该控制器采用简单的灰色预测模型，与广义预测 控制中的c a r i m a 模型相比减小了计算量，实现了对汽包水位特定工况的有效 控制。该方法综合了预测控制、串级控制、灰色理论和p i d 控制的优点，且 方法简单易行。 再次，根据船用增压锅炉大范围变工况的运行特点，提出了汽包水位的 r b f 神经网络动态补偿多模型预测控制策略，即在典型工作点建立固定模型 并结合r b f 神经网络动态补偿模型误差，控制器及时实现模型切换，以适应 动态特性的变化。该方法充分考虑到单一固定模型不能适应全局大范围工况 变化的特点，预测控制与r b f 神经网络的结合极大地提高了系统的鲁棒性与 稳定性。 最后，针对船用增压锅炉汽包水位非线性、时变和环境不确定等特性， j 一 船用增乐锅炉汽包水位预测控制方法研究 a b s tr a c t s u p e r c h a r g e db o i l e rp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm a r i n es t e a mp o w e rp l a n ta n d i th a st h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，b i gp o w e r ，e c o n o m ya n dh i g h r e l i a b i l i t ya n ds oo n t op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fm a r i n es t e a mp o w e ra n d i m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e lo fs u p e r c h a r g e db o i l e r , i ti su r g e n tt oc a r r yo u t a d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hw i l le n s u r es u p e r c h a r g e db o i l e rs a f e t ya n d s t a b i l i t yo p e r a t i o ni nt h es h i p b u i l d i n gi n d u s t r y a sas u p e r i o rc o n t r o la l g o r i t h m ， p r e d i c t i v ec o n t r o ls h o w sg o o dp e r f o r m a n c ei np r o c e s sc o n t r o la p p l i c a t i o n s t h e t h e s i sr e l i e so nt h ea c t u a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hf o rt h et o p i cr e s e a r c hb a c k g r o u n da n d i sb a s e do nt h ee v a p o r a t i o ns y s t e mo fm a r i n es u p e r c h a r g e db o i l e r f o rr e d u c i n g t h ea m o u n to fa l g o r i t h ma n di m p r o v i n gt h er e a l t i m eb e h a v i o r , t h ef o l l o w i n g r e s e a r c hi sc a r r i e do u t ： f i r s t l y , f r o mt h ee s t a b l i s h m e n to fs u p e r c h a r g e db o i l e rs y s t e ms i m u l a t i o n p l a t f o r mp o i n t o fv i e w , w o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ee v a p o r a t i o ns y s t e mi s c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d s i m p l i f y i n gt h ep h y s i c a lm o d e l ，d y n a m i cm e c h a n i s m m o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gm a s sb a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c ee q u a t i o no fs t e a m a n dw a t e rt w o p h a s e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e f l e c td y n a m i cr e s p o n s ei nt h e d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n da c c o r d w i t hb a s i cl a wa n dp r o c e s sm e c h a n i s mf o r p r o v i d i n gt h e f o u n d a t i o no nt h ef o l l o w - u ps t u d yo fd r u mw a t e rl e v e lc o n t r o l m e t h o d s e c o n d l y ，t oi m p r o v em a r i n es u p e r c h a r g e db o i l e rd r u mw a t e rl e v e ls y s t e m s r a p i d i t y , t h ec a s c a d eg p cc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e da n dap r a c t i c a l c a s c a d eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ng r e yp r e d i c t i v em o d e l i sp u tf o r w a r d t h ec o n t r o l l e ru s e sas i m p l eg r a yf o r e c a s t i n gm o d e lw h i c hr e d u c e s t h ea m o u n to fc a l c u l a t i o nc o m p a r e dt oc a r i m am o d e lo fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o la n dr e a l i z e se f f e c t i v ec o n t r o lo fap a r t i c u l a rc o n d i t i o nf o rd r u mw a t e rl e v e l t h i sm e t h o dc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ft h ep r e d i c t i v ec o n t r o l ，c a s c a d ec o n t r o l ， g r a yt h e o r ya n dp i dc o n t r o l ，a n dt h em e t h o di ss i m p l ea n de a s i l yu s e di n r e a l 哈尔滨工程大学博+ 学位论文 s y s t e m s t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so faw i d er a n g e o f v a r i a b l ec o n d i t i o n s ，m u l t i m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e dr b fn e u r a l n e t w o r kd y n a m i cc o m p e n s a t i o ni sp r o p o s e d t h ef i x e dm o d e l sa r ee s t a b l i s h e do n t y p i c a lo p e r a t i n gp o i n t sa n dt h er b f n e u r a ln e t w o r km o d e li su s e dt oc o m p e n s a t e t h em o d e le r r o r t h em o d e l sa r es w i c h e di nt i m et oa d a p tt ot h ec h a n g e so f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h em e t h o df u l l yc o n s i d e r st h a tas i n g l ef i x e dm o d e lc a n n o ta d a p tt ot h ec h a n g e si naw i d er a n g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ec o m b i n a t i o n w i t hp r e d i c t i v ec o n t r o la n dr b fn e u r a ln e t w o r kg r e a t l yi m p r o v e st h es y s t e m r o b u s t n e s sa n ds t a b i l i t y f i n a l l y , f o rt h ed r u mw a t e rl e v e l w i t ht h en o n - l i n e a r , t i m e - - v a r y i n ga n d u n c e r t a i ne n v i r o n m e n t ，s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt - sf u z z ym o d e li sd e s i g n e d t h em e t h o du s e st - sf u z z ym o d e lf o r a p p r o a c h i n gt h en o n l i n e a rm o d e lo ft h es y s t e ma n da p p l i e st h es t r o n gr o b u s t n e s s o fs l i d i n gv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lt oe n h a n c et h ec o n t r o lb e h a v i o ro fp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t s r e f l e c tt h en e wn o n l i n e a rp r e d i c t i v ec o n t r o l s t r a t e g yh a sav e r yg o o dr o b u s t n e s s k e yw o r d s ：s u p e r c h a r g e db o i l e r ；d r u mw a t e rl e v e l ；g r e yp r e d i c t i v ec o n t r o l ； m u l t i m o d e l ；s l i d i n gc o n t r o l ；t - sf u z z ym o d e l 一 t 1 k _ ， 船用增压锅炉汽包水位预测控制方法研究 目录 第l 章绪论l 1 1 课题研究的背景、目的和意义1 1 2 国内外船用增压锅炉的研究现状“2 1 3 国内外锅炉汽包水位控制策略的研究现状7 1 4 国内外预测控制的研究现状1 2 1 5 论文的主要研究内容1 9 第2 章船用增压锅炉蒸发系统的数学建模2 0 2 1 船用增压锅炉蒸发系统的工作原理2 l 2 2 船用增压锅炉蒸发系统的数学模型2 3 2 2 1 蒸发系统的简化2 3 2 2 2 蒸发系统的数学模型2 3 2 3 蒸发系统模型仿真及动态分析2 9 2 3 1 仿真条件2 9 2 3 2 增负荷动态仿真3 0 2 3 3 减负荷动态仿真3 3 2 4 本章小结3 6 第3 章汽包水位的改进串级广义预测控制3 7 3 1 基于串级广义预测控制的汽包水位控制器设计3 7 3 1 1 广义预测控制的基本原理3 7 3 1 2 串级广义预测控制算法4 1 3 1 3 基于串级广义预测控制的汽包水位系统仿真4 2 3 2 基于串级g g p c p i 的汽包水位控制器设计4 6 3 2 1 灰色系统简介4 6 3 2 2 基于灰色模型的多步广义预测控制算法4 8 3 3 基于串级g g p c p i 控制的汽包水位系统仿真”5 2 哈尔滨工程大学博士学位论文 3 4 本章小结5 6 第4 章汽包水位的r b f 动态补偿多模型预测控制5 8 4 1 汽包水位多模型集的建立5 9 4 1 1 汽包水位的线性化多模型5 9 4 1 2 汽包水位的神经网络辨识模型n n i 设计6 1 4 2 基于r b f 神经网络动态补偿的汽包水位多模型预测控制“6 8 4 2 1 基于状态空间模型的预测控制6 8 4 2 2 汽包水位的神经网络补偿控制器n n c 设计7 3 4 2 3 滞后切换策略设计7 5 4 3 基于r b f 动态补偿的汽包水位多模型预测控制系统仿真”7 6 4 4 本章小结8 5 第5 章汽包水位的滑模变结构多模型预测控制8 6 5 1 船用增压锅炉汽包水位的不确定性分析8 6 5 2 基于自适应t - s 模糊多模型的汽包水位滑模预测控制器设计8 7 5 2 1 基于滑模变结构的预测控制8 8 5 2 2t - s 模糊模型”9 5 5 2 3 汽包水位t - s 模糊多模型的自适应辨识算法9 8 5 3 基于自适应t - s 模糊多模型的汽包水位滑模预测控制系统仿真“1 0 0 5 4 本章小结1 0 8 结论1 1o 参考文献”1 1 3 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果“1 2 6 蜀c 谢1 2 7 j 夕 - k 值 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 增压锅炉是船舶蒸汽动力装置中的主要设备之一，它在蒸汽动力装置中 具有举足轻重的地位。即使在核动力船舶中，大多数船舶也需要锅炉为蒸汽 弹射器提供蒸汽弹射船载固定翼飞机起飞。因此，为保证船舶安全、稳定、 高效的运行，对作为船舶主推进装置的增压锅炉，开展先进控制方法的研究 提高其自动化水平，具有非常重要的实际意义。 相对陆用锅炉来说，船用增压锅炉以体积小、质量轻和性能优良等特点 而成为大功率蒸汽动力装置的首选设备。它具有强耦合性、非线性、多变量、 不确定性和时滞等特征。船用增压锅炉从冷态正常点火到锅炉全工况的时间 为2 5 分钟，紧急点火为1 5 分钟。在压力、过热器温度和气筒内水位允许的 波动条件下，从1 0 到9 0 负荷的变化只需2 5 秒钟，这说明其具有机动性能 好的优点，因此对船用增压锅炉的控制系统提出了更高的要求，要求其稳定性 要好，响应速度要快，在战斗、巡航等恶劣的工作条件下能够稳定正常的工作。 船用增压锅炉的系统参数和动态行为会随着操作条件和环境的变化而改变， 与此同时，它还受各种约束条件的限制。在众多的回路监控参数中，汽包水 位是船用增压锅炉安全稳定运行的重要指标。由于船用增压锅炉的汽包体积 较传统锅炉小，因而其续热能力相对较小，船用增压锅炉汽包水位的静态偏 差的性能指标是一般锅炉的五分之一左右。在大负荷变工况时，汽包水位变 化较快，容易引起汽包水位过高或过低而破坏系统的正常工作，从而要求水 位调节必须具有快速性和准确性。在运行过程中，进出水速度、燃料品质及 供油量的变化都将影响汽包水位的动态品质。船舶在风浪航行中可能存在严 重的纵倾和横倾而使锅炉水位上下波动，从而存在不稳定因素并增加了控制 难度。船用蒸汽动力装置受舰船航行特点决定，在运行过程中负荷变化频繁， 且变化幅度大，这就对汽包水位控制系统的响应性能、精度、稳定性等调节 品质提出了更高的要求。因此船用增压锅炉与传统锅炉相比，汽包水位控制 更为困难。船用增压锅炉系统往往表现出非线性、时延性、不确定性和快速 哈尔滨t 程大学博士学位论文 性，在汽包水位控制问题上，对其建立精确的数学模型十分困难，因此常规 p i d 控制往往不能获得理想的控制效果。如何利用先进控制理论设计一个能 够有效实现船用增压锅炉的汽包水位控制系统，并在实际过程中使相关指标 保持在给定的范围内或稳定于给定值，这对于保证船舶的安全运行，提高船 用增压锅炉的蒸汽品质、减少设备及运行损耗尤为重要。因此，对船用增压 锅炉的汽包水位控制进行深入研究具有相当的理论意义与实际应用价值。 预测控制是自2 0 世纪7 0 年代从工业系统的控制需要提炼和发展起来的 一类先进的控制方法，由于其在控制思想上结合了传统的信息反馈和利用全 局信息进行最优控制，适合工业系统中的大纯滞后、约束、大时间常数对象， 因此本论文以船用增压锅炉系统的重要组成系统一蒸发系统为研究对象，针 对汽包水位的控制问题深入开展了预测控制理论与应用研究，以实现更加先 进、合理、安全的船用增压锅炉的汽包水位控制为目标，提出了具体的船用 增压锅炉汽包水位系统的预测控制策略，为船用增压锅炉其它子系统的回路 控制研究提供方法和思路。 1 2 国内外船用增压锅炉的研究现状 船用增压锅炉具有尺寸小、重量轻、性能优良等特点，其在提高船用蒸 汽动力装置的经济性中扮演着极其重要的角色。六十年代开始，美国、前苏 联及法国等海军均在船用蒸汽动力装置中采用了增压锅炉川【2 】。 1 9 5 6 年美国丌始大规模研制增压锅炉，美国专家认为强制循环锅炉可靠 性差，不宜在船上采用。1 9 6 3 年先后将5 0 台福特斯一惠勒增压锅炉应用于护 卫舰上。与此同时，美国一些公司也将该型增压锅炉在陆用电站方面进行了 应用研究。美国所研制的这种增压锅炉结构型式如图1 1 所示，为立式自然水 循环增压锅炉，由涡轮增压机组、增压锅炉本体和自动控制系统组成。 一 b 伍 第1 章绪论 图1 1 美国舰用立式自然水循环增压锅炉 f i g 1 1a m e r i c am a r i n ev e r t i c a ln a t u r a lc i r c u l a t i o ns u p e r c h a r g e db o i l e r 该型锅炉的参数：锅炉的外形尺寸( 长宽高) 为3 0 3 0 x3 8 7 0 x5 5 8 0 m m ， ? 锅炉干重2 8 t ，蒸汽压力8 4 m p a ，蒸汽产量5 5 t h ，炉内烟气表压2 5 m p a ， 过热蒸汽温度5 1 0 。c 。置于汽筒内的蒸汽减温器蒸汽产生量1 3 t h ，蒸汽压力 1 7 6 m p a ，最高蒸汽温度3 7 0 。c 。巡航负荷和全负荷时从汽筒到过热器出口的 蒸汽压力降分别为0 8 m p a 和0 4 8 2 m p a 。全负荷时炉膛的容积热负荷6 6x 二i 07 k y m 3 h ，炉膛内最大压力0 4 7 5 m p a ，锅炉效率为8 4 。该型增压锅炉未 能得到更多的应用主要是由于工作可靠性差。此后，美国又相继研制出改进 型“d ”形炉膛增压锅炉，其效率为8 5 ，但重量尺寸相对较大，在应用上也受 到了一些限铝0 p j 。 4 0 年代法国海军将他们研制的“苏拉尔”型增压锅炉用于海军战船上， 并分别装在4 艘排水量为3 5 0 0 0 吨的战列舰和1 2 艘排水量为1 8 0 0 吨的驱逐 舰上。该增压锅炉主要由强制水循环和自然水循环两种形式组成。图1 2 为 “苏拉尔”型自然水循环增压锅炉本体的水平纵剖面图。这种增压锅炉的汽水 循环系统是由汽筒、水筒及扩接其上左右对称的对流蒸发管束组成。蒸汽过 热器各由一个下联箱和两个上联箱及过热蒸发管束组成，而左右对称的两个 立式过热器位于对流蒸发管束之间。从图1 2 可以看出，“苏拉尔”型自然水 循环增压锅炉包括外部经济器和两台涡轮增压机组( 由涡轮机、压气机和附 加汽轮机组成) 。 哈尔滨工程大学博+ 学位论文 2 0 0 图1 2 “苏拉尔”型自然水循环增压锅炉剖面图 f i g 1 2p r o f i l ef o r “s h u l a r n a t u r a lc i r c u l a t i o ns u p e r c h a r g e db o i l e r “苏拉尔 型舰用强制水循环增压锅炉结构图如图1 3 所示。该型增压锅 炉的工作压力3 5 m p a ，过热蒸汽温度4 0 0 。c ，蒸汽产量7 1 - 7 5 t h 。全负荷时 锅炉炉膛内压力约0 2 4 8 m p a ，涡轮增压机组出口空气压力约0 2 5 3 m p a 。烟气 在炉膛内的辐射受热面换热后排出炉膛首先进入第一对流管束、然后是蒸汽 过热器及第二对流蒸发管束，经过换热后进入烟道上方的涡轮机内做功，最 后排出涡轮机的烟气压力约0 1 0 5 m p a 。苏拉尔型增压锅炉采用的自动调节系 统为“拉特型，它可以调节给水耗量、空气耗量和燃油耗量，其中空气耗 量的调节是根据与燃油耗量变化有关工况的涡轮增压机组转速进行的。根据 图1 3 “苏拉尔”型舰用强制水循环增压锅炉结构图 f i g 1 3s t r u c t u r ef i g u r ef o rs h u l a rm a r i n ef o r c e dc i r c u l a t i o ns u p e r c h a r g e d b o i l e r 4 b q 第1 章绪论 燃油泵转速或喷油器所需燃油压力确定涡轮增压机组的转速。燃油压力的任 何变化将引起流向附加汽轮机的蒸汽量发生相应的改变，从而导致涡轮增压 机组的转速立即变化。根据锅炉蒸汽产生量的需求调节燃油供给量主要是通 过装于喷油雾化片内的调节针阀来实现。压气机有1 0 的空气量储备主要是 以免锅炉负荷变化时冒黑烟。从有关资料表明无论是强制水循环还是自然水 循环的“苏拉尔”型增压锅炉都具有结构简单、热效率高和工作可靠性强的 特点。 5 0 年代末c k b ( 前苏联锅炉制造专业设计局) 研制并在试验台上试验增 压自动化船用锅炉，并把它提交给国家委员会。该型增压锅炉的涡轮增压装 置可以将锅炉壳体内的空气增压到0 3 m p a 压力，蒸汽温度为4 7 0 。c ，蒸汽压 力为6 4 m p a 。从1 9 6 1 年起，这些锅炉就在海船舶队战船上运行，至今，约3 0 0 台燃用重油的船用增压锅炉已建造并处于运行中。随着运行经验的积累，前 苏联曾建造了改进型k b h 9 8 6 4 ，k b h 9 8 6 4 - i 、k b h9 8 6 4 - i i 、k b h9 8 6 4 - i i i 。 现在有k b f 2 、k b f 3 、k j 3 f 4 三种改进型的舰用增压锅炉处于批量生产中， 图1 4 所示为k b f 3 型增压锅炉的结构图。 图1 4 前苏联k b f 3 型增压锅炉的结构图 f i g 1 4s t u c t u r ef i g u r ef o rf o r m e rs o v i e tk b f 3s u p e r c h a r g e db o i l e r 这种前苏联设计的增压锅炉为自然水循环方式，采用双筒型外部立式蒸 汽过热器。蒸汽产量9 0 1l o t h ，锅炉效率为8 3 一8 4 ，蒸汽压力为6 4 m p a ， 哈尔滨t 程大学博士学位论文 过热蒸汽温度4 5 0 4 7 0 。c 。该型增压锅炉的水简直径4 5 0 - 5 0 0 m m ，汽简直径 1 2 0 0 1 3 0 0 m m ，炉膛断面接近于圆形。水循环上升管由水冷壁和对流蒸发管束 构成，水冷壁后有4 列不受热下降管，上升管和下降管构成自然水循环回路 h 。增压锅炉为两端燃烧方式，燃料为重油，炉膛内空气压力0 3 m p a ，共有 6 只蒸汽机械式喷油器，5 只喷油量约1 5 0 0 k g h ，其余1 只为点火喷油器， 喷油量6 0 0 k g h ，。前苏联该系列增压锅炉的部件均与采用鼓风机的前苏联非 增压锅炉的部件相同的标准元件，但尺寸重量较非增压锅炉小，水循环可靠 性好、制造简单。但该型增压锅炉存在的缺点则是当锅炉低负荷运行时蒸汽 过热温度下降较大，整个动力装置的经济性得不到提副5 1 。 增压锅炉方面的研究报道在英国较少，1 9 6 0 年英国派生司公司曾为商船 队设计帕米柴德型增压锅炉，但至今对这种锅炉的制造与运行试验等详细情 况未见报道。 我国对增压锅炉的研究始于2 0 世纪5 0 年代，从1 9 6 1 年正式开展对船用 增压锅炉的研究工作。西安交通大学、上海交通大学、清华大学、哈尔滨工 业大学、哈尔滨工程大学、舰船研究所、7 0 3 研究所等高校和相关科研单位 在船用增压锅炉的理论研究方面取得了一些成就，有关增压锅炉的专题综述 和研究相继报道。近年来由于我国船舶未来发展的需要，国内已引进增压锅 炉的相关技术，掌握了部分资料，船用增压锅炉相关的研究工作也进一步深 入地展开。牛克华【6 】详细分析了增压锅炉在舰船上的应用与发展。沈志刚【7 1 等人针对船用增压锅炉的主要技术特点，对其热力计算中重要热力参数的选 择进行了探讨，为研究船用增压锅炉机组的热力计算技术奠定了一定的理论 基础。张丽剑瞄j 等人为获得适于增压锅炉对流的热力计算公式，通过分析某 型增压锅炉经济器的结构，应用热力基本理论探讨烟气压力升高带来的相关 参数变化，结合现有非增压锅炉经济器热力计算标准，从而得出增压锅炉热 力计算公式并应用公式对现运行的改型增压锅炉经济器进行热力计算，通过 压力修正得到适用于增压锅炉的热力计算公式。韩静【9 】研究分析了增压锅炉 烟气侧和汽水侧的热力特性，对整个增压锅炉系统进行了热力仿真研究。王 建志【lo j 等人针对增压锅炉提出了分段热平衡计算方法和适用于增压锅炉变 负荷计算的通用增压机组热损失公式，并进行了实例计算分析，为船用增压 锅炉性能计算分析提供了参考。王永堂【1 1 】等人采用l p i - 3 衍射式激光粒子测 6 b 氨 第1 章绪论 暑盲；昌暑暑；i i ；i i ；i ；暑；i n m m _ - - lli t 2 ；i i ；i i ；暑；畜 径仪与l e - 3 雾化角测仪对船用旋流蒸汽机械雾化喷油器进行了试验研究，得 到了雾化油滴索特平均直径及喷油量与压力的变化关系。张静巧【l2 j 等人对增 压锅炉燃烧控制系统进行了研究，提出了基于c m a c 网络与模糊控制的船用增 压锅炉空气流量并行控制，为增压锅炉燃烧系统控制提出了一种新方法。 从以上相关的研究成果可以看出，主要开展了船用增压锅炉热力平衡方 面的研究，对增压锅炉控制方法的研究相对比较少。目前我国在增压锅炉动 力系统控制技术和国外相比还有一定差距，因此研究增压锅炉动力系统的先 进控制方法是我国发展增压锅炉动力系统的一个重要组成部分。 1 3 国内外锅炉汽包水位控制策略的研究现状 汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，其长久以来一直是控制 领域的一个典型问题。无论是增压锅炉还是非增压锅炉，汽包水位的控制好 坏都直接影响着系统的安全运行。 汽包水位具有大滞后、多变量、强耦合、强非线性、无自平衡能力等特 性。汽包水位控制应严格保证汽包水位在允许的范围内，同时保证给水泵的 安全、稳定运行。汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管道 内结垢，影响传热效率，严重时引起过热器爆管；但水位过低又将破坏部分 水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管，尤其是针对本文所研究的船 用增压锅炉，汽包容积较小，一旦给水停止，则会在很短时间内将汽包内的 水全部汽化，造成严重事故。 汽包水位在负荷急剧变化时，表现出“逆响应特性 即所谓的虚假水位。 当锅炉的负荷突然增大，汽包供气量增加，致使汽包压力下降，从而加速了 汽包内水的汽化过程，使水中出现大量汽泡，引起汽包水位上升，这时汽包 内的水量非但没有增加，反而由于供气量增加而出现水量减少。这种由于汽 包负荷增大而引起的水量减少、水位上升的现象称为“虚假水位”。为克服“虚 假水位”现象的影响，锅炉汽包的水位控制采用的控制策略主要以三冲量控制 和串级控制【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 为主，如图1 5 和1 6 所示。三冲量给水调节是以汽包 水位为主调节信号以给水流量和蒸汽流量为补充信号，其实质是以给水流量 和蒸汽流量的差值为前馈信号，只有当给水流量和蒸汽流量达到某一特定的 平衡，这一前馈信号才为零。而图1 6 的系统是在三冲量控制的基础上添加 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 了水位调节器，其中被控量是水位，扰动量是蒸汽流量，控制量是给水流量， 该方法的实质是一个串级p i d 控制器，其中外环为水位控制器，内环为流量 控制器。 水 图1 5 汽包水位三冲量控制系统 f i g 1 5t h r e ep a r a m e t e r sc o n t r o ls y s t e mo fd r u mw a t e rl e v e l 图1 6 汽包水位串级控制系统 f i g 1 6c a s c a d ec o n t r o ls y s t e mo fd r u mw a t e rl e v e l 以上两种控制方法是基于常规p i d 控制的，由于其控制参数是固定不变 的，其控制效果往往难以满足要求，造成系统不稳定甚至失控。串级结构比 简单回路的抗干扰性强，能有效抑制系统的二次干扰，因此许多文献在此结 构的基础上开发了新型的控制算法，最早仅仅将简单回路的控制算法进行串 联，即所谓的串级p i d ，并运用到实际生产过程中。但问题也随之出现，虽 然系统抗干扰性能得到很大的提高，但过程控制中非线性、约束和大纯滞后 户 k 瓠 第1 章绪论 等环节的存在，串级p i d 仍然不能获得满意的控制效果，因此为了更好的控 制汽包水位，保证系统安全运行，许多学者结合预测控制、模糊控制、神经 网络控制、人工智能等算法提出了很多新的先进控制策略。 k b l e e 1 7 】( 1 9 9 3 ) 针对传统控制算法需要精确数学模型的缺点，提出了 基于模糊逻辑的自调整p i d 控制方法，其执行主要采用查表方式获得调整因子 口。此算法用于电站锅炉进行仿真研究，结果表明模糊自调整p i d o 邑够快速有 效的保证汽包水位在规定范围内。杨少峰，郭庆祝【1 8 ( 2 0 0 5 ) 提出了一种模糊 在线自调整p i d 参数的控制方法，汽包水位采用三冲量带前馈的串级控制模 式。该策略比单纯采用p i d 或f u z z y 控制在提高控制精度方面更具有优势。 f u z z y 数学应用在主控回路上，模拟人的思维方式，对应汽包水位的不同状态 采取不同的处理方式，从而改善了被控过程的动态、稳态性能，提高了系统 的抗干扰能力，控制效果优于常规的p i d 控制方法。付晓刚【l 刿( 2 0 0 6 ) 提出 了一种锅炉汽包水位的模糊免疫p i d 控制方法。模糊免疫p i d 算法可以模拟人 的思维方式，对应于不同的汽包水位状态采取不同的应对措施，达到了改善 控制过程的动态，稳态性能。与模糊理论相结合的控制算法存在的问题则是 模糊规则需依据经验规定，其精确性难以确定。 专家系统与p i d 的结合是智能理论在汽包水位控制系统应用的重要分支。 专家p i d 控制器可以根据系统的工作状态以及误差情况，可灵活地选取相应的 控制律。根据专家知识和经验，调整控制器的参数，适应对象特性以及环境 的变化，通过利用专家规则，系统可以在非线性、大偏差下可靠地工作。俞 海斌，褚健【2 0 】( 2 0 0 0 ) 研究了专家系统与实时控制相结合的实时专家p i d 控 制方法，根据水位偏差、负荷变化及变化率或母管压力的变化由专家系统根 据规则选用合适的p i d 参数值。在极端情况下，专家系统接管实时控制进行直 接专家控制输出，以尽快使水位回到正常值，此方法用于控制热电厂循环流 化床锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持 自动控制。孙俊【2 1 】( 2 0 0 7 ) 在所建立的船舶锅炉汽包水位数学模型的基础上， 对其给水系统分别采用常规p i d 和专家p i d 两种单冲量控制策略进行对比研 究，研究表明专家p i d 控制器比常规p i d 控制器减小了被控对象的超调量、缩 短了控制时间、响应曲线特性更为理想。 为解决汽包水位的不确定噪声和控制参数失调问题，y un a n h u a 【2 2 1 ( 2 0 0 6 ) 9 哈尔滨工程大学博十学位论文 i i 将自适应技术与灰色理论相结合，提出了自适应灰色预估p i d 算法，灰色预估 动态补偿汽包水位的参数不匹配情况，所提出的算法解决了锅炉汽包水位的 虚假水位、变工况控制参数不匹配和不确定噪声问题。彭道刚【2 3 】等( 2 0 0 6 ) 借鉴生物免疫反馈响应过程的调节规律，针对电站锅炉汽包水位控制系统， 提出了一种免疫p i d 一免疫p 串级控制策略，内回路采用免疫p 控制器以快速消 除给水流量扰动，外回路采用免疫p i d 控制器以保证汽包水位在给定值，并有 效克服蒸汽流量的扰动。此方法能够适应对象参数的变化，其控制结构和算 法简单，是一种工程可实现的汽包水位控制方法。程启明，郑勇【2 4 】等针对锅 炉汽包水位控制的特点，提出了一种新的汽包水位控制方案一基于自抗扰控 制器的汽包水位系统。该控制系统采用三冲量串级加前馈控制。其中串级的 内环采用p i d 控制，而外环则采用带前馈补偿的自抗扰控制器。仿真结果表明 自抗扰控制器具有鲁棒性更强、抗干扰性更高、算法简单和使用方便等特点， 对汽包水位的控制效果明显优于常规p i d 串级控制等方案。杨平【2 5 j 等提出了 一种锅炉汽包水位的c m a c , 经网络与p i d 复合控制方法。将c m a c 申经网络与 p i d 的复合控制策略应用到锅炉的汽包水位控制中，并将蒸汽流量信号引入到 c m a c 神经网络中以考虑负荷变化对汽包水位的影响，使其对汽包水位系统的 蒸汽流量扰动具有前馈补偿能力，可以有效地消除“虚假水位”现象。刘国 才【2 6 j 从提高大型船舶( 蒸汽动力) 在海战、避碰等特殊情况下的机动灵活性， 降低汽包水位暂态超调和稳态误差的角度出发，借鉴船舶减横摇的思想尝试 设计大型船舶汽包水位控制系统，将汽包水位模型进行数学变换转换为与船 舶横摇模型相类似的形式，