汽包锅炉给水过程的在线辨识

汽包锅炉给水过程的在线辨识

1锅炉汽包水位控制方法研究蒸汽袋水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的控制变量。在某些区域，保持水位是确保锅炉安全运行的最重要因素。这是因为水位太高会影响包中的蒸汽分离，饱和蒸馏水和蒸馏水会过度，而且过度的蒸汽温度会急剧下降。该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性与经济性;b.水位过低,说明汽包内的水量较少,而当负荷很大时,水的汽化速度加快,则汽包内的水位变化速度亦随之加快,如不及时调节,就会使汽包内的水全部汽化,导致炉管烧坏,甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。汽包水位控制策略经过多年的理论研究,已形成了包括单冲量、双冲量和三冲量在内的多种成熟的控制方法。但是近年来随着机组容量的扩大,对给水系统提出了更高的要求;锅炉容量的扩大,显著地提高了锅炉受热面的热负荷,使锅炉负荷变化对水位的影响加剧,系统动态特性变化幅度较大。传统的控制方法由于系统的设计和分析依赖于控制对象的精确数学模型,对这种动态特性有较大时变且非线性比较严重的对象。由于难以建立准确的模型,故用传统的控制方法处理这类对象存在很多困难,很难达到理想的控制效果。因此,迫切需要一种鲁棒性强、算法相对简单的控制方案。本研究采用三冲量控制方式,将在线辨识自适应控制算法应用于该系统,利用系统的输入、输出信息,采用递推最小二乘算法不断的循环调整PID参数值,使系统运行中保持合适的瞬态参数,以克服传统PID控制器参数不可改变的缺点,提高系统的控制品质。通过对某给水控制系统的MATLAB仿真分析,说明了该自适应控制方案的有效性和优越性。2锅炉汽包水位汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系,维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢,容易烧坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过多,也会使过热汽温产生急剧变化,直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低,则可能破坏锅炉水循环,造成水冷壁烧坏而破裂。锅炉汽水系统结构如图1所示。由图1可见,汽包水位不仅受汽包(包括循环水管)中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与蒸汽负荷、蒸汽压力以及炉膛热负荷等有关。因此,影响水位变化的因素很多,但其中最主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量D)和给水流量W。文献从物理机理上推导了在上述2个主要扰动(蒸汽流量和给水流量)作用下水位对象的动态特性(传递函数模型)。给水量扰动(内扰)时水位对象特性:Gw(s)=εs(1+Τ1s)(1)Gw(s)=εs(1+T1s)(1)负荷(蒸汽流量)扰动(外扰)时对象特性:Gd(s)=Κ2(1+Τ2s)-εs(2)Gd(s)=K2(1+T2s)−εs(2)式中ε为响应速度;T1,T2为时间常数;K2为放大倍数。采用常规的PID方法设计控制系统时,上述对象传递函数的参数必须是已知的,并且固定不变。若机组的容量比较小、参数比较低,这种常规设计方案一般可以满足控制要求。但是,随着机组容量不断增大、参数越来越高,水位被控对象的参数变化范围增大,基于固定参数的常规设计方法和控制方案显然是不合理的,难以达到理想的控制效果。因此,研究和设计某种自适应给水控制方案势在必行。3自适应汽车密封性能3.1pid参数的在线调整在线辨识自适应控制系统的特点是具有被控对象数学模型的在线辨识环节。根据系统的运行数据,首先对汽包水位信号进行在线辨识,然后再根据辨识参数和事先给定的性能指标,在线调整PID参数。图2是文中提出的汽包水位在线辨识自适应控制系统结构示意图。由图2可见,控制系统由被控对象、控制器、辨识器构成。辨识器根据最小二乘递推算法,在线地计算被控对象的未知参数,控制器根据辨识参数调整PID参数,经过不断的辨识和调整,使被控系统的性能指标渐近一致地趋于最优。PID参数调整方法采用常规的工程设计方法,以简化参数调整计算。3.2基于数据的模型辨识系统辨识的基本思想是:根据对被辨识系统进行实验,将测定值与假定的数学模型的输出值进行比较,通过辨识机构,修正假定模型,直至假定的数学模型的输出与实际的测定输出值之间的差趋向于0,即使辨识误差趋向于0。其结构原理如图3所示。在这里,只利用输入输出信息进行参数辨识。参数辨识的基本步骤如下:(1)确定系统数学的表达式,一般是根据被辨识系统的性质和所要采用的控制方法确定系统的数学模型的形式,数学模型一般有微分方程、差分方程、状态方程以及脉冲响应函数等。文中利用对象传递函数模型得到微分方程模型,然后离散化得到差分方程。(2)选择实验信号,记录所需的实验数据,包括输入输出数据等,或利用被辨识系统实际运行时的输入输出数据进行系统辨识。文中采用在线辨识的方法,以使控制系统能适应负荷和扰动的变化。(3)根据一定的辨识算法进行参数辨识。文中采用最小二乘递推算法进行过程参数的递推估计。(4)校检辨识数学模型,使辨识模型有一定的精度。3.3参数估计值的计算当被辨识系统在线运行时,每取得一次新的观测数据后,就在前次估计结果的基础上,利用新引入的观测数据对前次估计的结果,根据递推算法进行修正,从而递推地得出新的参数估计值。这样,随着新的观测数据的逐次引入,一次接着一次的进行参数估计,直到参数估计值达到满意的精确程度为止。最小二乘递推算法的基本思想可以概括成:ˆθ(k)=ˆθ(k-1)+Δˆθ(3)θˆ(k)=θˆ(k−1)+Δθˆ(3)式中ˆθθˆ(k)为新的估计值;ˆθ(k-1)θˆ(k−1)为老的估计值;Δˆθθˆ为修正项在每次递推计算过程中,信息的变换情况如图4所示。有关说明参见文献。4系统动态特性为了验证基于参数辨识的给水自适应控制系统的可行性和优越性,针对某汽包锅炉给水控制对象采用MATLAB进行仿真。调节器采用PI控制规律,其传递函数形式为:wΤ(s)=1δ(1+1Τis)(4)wT(s)=1δ(1+1Tis)(4)给水扰动时对象传递函数为:Gw(s)=εs(1+Τ1s)=0.037s(1+30s)(5)蒸汽流量扰动时对象传递函数为:Gd(s)=Κ2(1+Τ2s)-εs=3.61+15s-0.037s(6)给水流量测量变送器和蒸汽流量变送器的斜率为:rw=rD=0.037Vt/h(7)水位测量变送器的斜率为:rΗ=0.033Vmm(8)执行机构和调节阀的传递函数为:KZ=Kμ=1(9)首先根据上一节所描述的自适应控制方案和实现算法,用MATLAB编程并运行程序进行仿真;然后,为了便于比较,对传统的PID三冲量控制系统进行SIMULINK仿真。针对这2种方案,对蒸汽流量、给水流量、水位给定值和3者同时作用4种情况作阶跃扰动仿真试验。汽包水位的响应曲线分别如图5所示。图5中,虚线对应常规给水控制系统情形,实线对应自适应控制情形。由图5(c)可见,自适应控制系统较之常规给水控制系统,阶跃响应过程超调量减小,调整时间缩短,具有更好的动态品质。因此参数辨识自适应控制系统能更好更快地克服各种外扰和内扰的影响,并具有更好的给定值跟踪性能,从而具有更好的自适应性和鲁棒性。5动态响应自适应控制算法汽包水位控制系统是一个模型不易确定的,具有纯滞后的复杂系统,针对这种情况,文中在总结和分析前人的工作的基础上,提出将带有在线辨识的自适应算法应用于汽包水位控制系统中,旨在打破传统的控制策略,寻求更有效的控制方案。采用三冲量控制方式,并且将在线辨识自适应控制算法应用于