串级三冲量锅炉汽包水位控制系统

1、串级三冲量锅炉汽包水位控制系统摘要：在对串级控制系统优点和PID与HSIC算法对比研究基础上，提 出了主控制策略采用基于HSIC的锅炉汽包水位调节串级三冲量控制 方案.研究了汽包液位控制的难点、锅炉水位三冲量系统结构、控制策 略选取及HSIC控制算法.系统仿真研究指出主调节器使用HSIC的动 态、静态控制品质比采用PID调节器控制的效果更好.系统初步调试表 明:在串级三冲量锅炉汽包水位控制系统中的主调节器采用基于HSIC 的控制更具实用价值关键词：锅炉汽包水位;串级控制;仿人智能控制;干扰;三冲量控制在蒸汽锅炉的运行中，汽包的液位是一个很重要的控制参数.蒸汽是通 过汽包中的水蒸发而产生的，当给

2、水量和水的蒸发量平衡时，汽包水位就 维持在一定的高度.如水的液位过高,将使蒸汽带液，影响汽水的分离，极 易造成锅炉和汽轮机设备受损;如水的液位过低，会影响汽水循环,严重时 甚至会使加热水管局部受热导致严重的事故.现在锅炉发展的趋势是容 量越来越大,产生的蒸汽量更多,但是它的汽包容量反而相对减小,要保持 蒸发量和给水量的平衡,汽包液位的优化控制就更值得研究了 .锅炉是个 复杂的系统,影响水位的因素很多，有给水量（G）、蒸汽量（D）、压力 （P）、燃料量（M）等.但是，压力并不直接影响水位，可以归并到其他因 素中进行分析，因此，影响水位的主要因素有水量和蒸汽量.其中,影响水 位的关键因素是蒸汽扰动

3、,因为蒸汽扰动会引起“虚假水位”现象.“虚 假水位”是指当锅炉的蒸汽负荷突然增加时,蒸发量大于给水量,从汽包 储水量来看,汽包水位应该下降,但在蒸发量和给水量不平衡的初始阶段, 因水位下降存在滞后时间,实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然给水量小于蒸 发量，水位不但不下降，反而快速上升,这种特殊的现象称为“虚假水位” 现象.锅炉水位控制系统的好坏，主要取决于能不能很好地克服“虚假水 位”现象，这正是锅炉汽包水位控制的难点.这类复杂系统一般采用串级 控制1 ,2 1锅炉水位系统的三冲量控制串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象.串级系统与单回路 系统的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成

4、副反馈回路，对 影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质，主要 表现在：对进入副回路的二次干扰有很强的克服能力；提高了系统 的工作频率；减小了对象时间常数；对负荷或操作条件的变化有较 强的适应能力3 ,4 .串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和 控制质量都比单回路要好，显然锅炉汽包水位系统采用串级控制是比较 理想的选择.由于锅炉汽包“虚假水位”现象的存在为克服其造成的影 响，一般选择三冲量控制系统方案.所谓三冲量p就是有3个参数，即 水位信号、给水扰动、蒸汽扰动.如图1所示，将蒸汽信号直接馈送到调 节器，就能很好地克服“虚假水位”的影响,避免误操作.由于前馈信号抵 消了

5、 “虚假水位”引起的降低水位的操作，所以能很好地控制“虚假水位”. 但在实际的工业生产中，由于控制策略选择不当（单级三冲量），上述方法 的调节品质实际上是不够理想的，特别是当负荷波动很大或者是给水压 力不稳时，被调参数和整定值之间误差在15 %20%范围，余差达到 30 %，这是锅炉操作绝对不允许的.因此必须对图1进行改进，如图2所 示，这是一个前馈串级控制系统.图2中,调节器1是主调节器，起PI调 节作用，它不在副回路内，而副调节器2不仅能迅速克服作用于副回路的 蒸汽干扰、给水干扰，而且对作用于主回路的各种干扰也加快了调节进程， 起了预先调节和快速调节的作用5 .由蒸汽差压流量变送器、分流器

6、组成的前馈开 环蒸汽流量调节系统，可以削弱“虚假液位”对调节的不良影响;由于给 水差压流量变送器、分流器、操作器、执行器和阀体组成的小闭环水流 量定值调节系统可以克服由于水压激烈变化给整个调节系统带来的“内 扰动”影响，因此可大大提高系统的调节品质.过热器VA图2串级三冲量系统结构图图1单级三冲量系统结构框图图2串级三冲量系统结构图2控制策略选取与HSIC算法211主调节器控制策略选取工业锅炉汽包水位系统的非线性、非最小相位、时滞、干扰多、稳定性 差等特性决定了它是难于控制的复杂对象,传统控制策略无论是 PID(proportional2integral2differential contro

7、ller)还是基于近代控制理论 的最优控制与自适应控制等，因难于数学建模，不应列为主调节器的控制 策略.仿真实验MATLAB有丰富的图形绘制、数据处理函数及模块化图形组态的动态 仿真工具SIMULINK,是控制系统目前最受欢迎的仿真软件.在此采用 MATLAB对前馈串级三冲量PID控制系统(系统1)和前馈串级三冲量 HSIC控制系统(系统2)进行仿真实验对比研究.前馈串级三冲量HSIC 控制系统是在前馈串级三冲量系统的基础上把外环的主控制器PID换 成HSIC控制器而组成的.设取被控对象的传递函数为给水对液位的传 递函数G( s)=蒸汽扰动对液位的传递函数GD ( s)=给水对液位的传递函数G

8、(s)=日半30 5 - 5蒸汽扰动对液位的传递函数G(s) =32二0 037实验仿真的阶跃响应曲线及对干扰的响应曲线如图3和图4所示.从 仿真曲线可以看出：2个系统在0时刻施加了一个100mm的水位给定 值，比较系统1和系统2的响应曲线可以看出上升速度差别是不大的， 但是系统1的超调量很大且调节时间很长,而系统2的超调量保持在一 个很低的水平并且很快达到给定值，调节时间很短，稳态误差也比系统1 小得多;在2个系统都达到稳定后，在700s时施加个2kg/ s的蒸汽扰动, 系统2的超调量比较小并且很快地调整到稳定状态，但是系统1的超调 很大，调节时间也很长.由上述比较可见，使用HSIC控制的串

9、级调节系统, 调试方便,其动态、静态控制品质比使用PID调节器更好.()0 100 20U 3W 4W 5UO 6U0 7（X）800 900 1TO0 t/s0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 t/s图3前馈串级三冲量PID系统仿真曲线图4前馈-串级三冲量HSIC系统仿真曲线图3前馈串级三冲量PID系统仿真曲线 图4 前馈串级三冲量HSIC 系统仿真曲线4 结语串级控制系统在抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量方面有较好的 性能,因此在复杂的工业过程控制中得到了广泛的应用.文中针对某电 厂锅炉系统改造工程中的汽包水位控制系统，提出了采用基于H

10、SIC的 串级三冲量锅炉汽包水位控制方案，仿真实验和系统试运行调试都表明, 这种控制策略是可行和有效的，有工程应用价值.参考文献(References)1 Wei Lin , Pongvuthithum R. Global stabilization of cascade systems by C/ sup 0/ partial2state feedback J . IEEE Transactions on Au2 tomatic Control , 2002,47 (8) : 1356 1362.2 Wei Lin , Pongvuthithum R. Nonsmooth adaptive

11、stabilization of cascade systems with nonlinear parameterization via partial2state feed2 back J . IEEE Transactions on Automatic Control , 2003,48 (10) : 1809 1816.3 Qu Zhihua , Xu Jianxin. Asymptotic learning control for a class of cascaded nonlinear uncertain systems J . IEEE Transactions on Autom

12、atic Control , 2002,47 (8) : 1369 1376.4 Jiang Zhongping. Comments on a remark on partial2state feedback stabilization of cascade systems using small gain theorem J . IEEE Transactions on Automatic Control ,2005 , 50 (6) : 927 928.5 Sepulchre R , Arcak M, Teel A R. Trading the stability of finite zeros for global stabilization of