【正文】 設(shè) 計(jì) 1 1 引言 鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，其作用就是有效的把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活中所需要的能量形式。而汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，汽包的作用是進(jìn)行汽、水分離，汽包的出口為飽和蒸汽，若要是對(duì)汽包水位進(jìn)行控制則要克服“虛假水位”這一 現(xiàn)象，采用以給水流量、蒸汽流量、汽包水位作為調(diào)節(jié)信號(hào)的串級(jí)三沖量控制，以克服“虛假水位”的影響以及各種干擾對(duì)水位的影響。本控制采用前饋串級(jí)控制，主副調(diào)節(jié)器配合進(jìn)行控制，主副調(diào)節(jié)器均采用 PID 控制，主調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用 P 調(diào)節(jié)規(guī)律。 課題背景 鍋爐控制中的重中之重就是對(duì)鍋爐汽包水位的控制，汽包在鍋爐中的作用是非常顯著的，可以進(jìn)行汽、水分離，輸出飽和蒸汽。汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的的重要指標(biāo)，水位過高將會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，甚至引起過熱器爆管； 水位過低會(huì)破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對(duì)來(lái)說較小，液位的時(shí)間常數(shù)也很小，大容量鍋爐若給水不及時(shí)，數(shù)十秒之內(nèi)就可能達(dá)到危險(xiǎn)水位，所以鍋爐水位控制顯得非常重要。 本課題采用的是利用智能 PID 對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，對(duì)于汽包水位的控制也經(jīng)歷了好幾個(gè)階段的發(fā)展，首先是汽包水位經(jīng)典控制階段，經(jīng)典汽包水位控制包括單沖量、雙沖量和三沖量控制，由于單沖量、雙沖量及單級(jí)三沖量控制比較簡(jiǎn)單，并且難以適應(yīng)現(xiàn)代各種復(fù)雜鍋爐的控制要求，目前鍋爐汽包水位大多數(shù)采用三沖 量水位控制。第二個(gè)階段是先進(jìn)控制。第三個(gè)階段是智能控制，智能控能高效的對(duì)汽包水位進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)我采用的是串級(jí)前饋控制。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 鍋爐微機(jī)控制是近幾年來(lái)開發(fā)的新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。而作為鍋爐的控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 最近幾年鍋爐工業(yè)的發(fā)展非?？?，雖然我們落后與國(guó)外的先進(jìn)鍋爐控制水平，但是通過科研人員的努力，我國(guó)在鍋爐工業(yè)特別是控制方面的提高非常顯著，鍋爐的汽包水位是鍋爐控制的關(guān) 鍵，早些時(shí)候我們只用傳統(tǒng)的 PID 對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，導(dǎo)致控制的效果不好，近些年來(lái)，智能控制已經(jīng)在我國(guó)迅速發(fā)展，通過智能PID 中的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、專家 PID 控制等一些智能控制，我們能夠?qū)ζ贿M(jìn)行準(zhǔn)確的控制。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 3 2 鍋爐汽包水位對(duì)象的特點(diǎn)和分析 鍋爐的工作過程 典型的鍋爐給水系統(tǒng)如圖 21 所示。其中， W 為給水，能量較低的冷水或循環(huán)水由此進(jìn)入鍋爐，通常，給水量可以通過改變給水調(diào)節(jié)閥門開度或通過改變給水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)； D 為飽和蒸汽輸出。為了提高鍋爐整體的 熱效率，飽和蒸汽經(jīng)布置在煙道中的過熱器加熱為過熱蒸汽后送往下道工序做功。通常蒸汽流量的大小由負(fù)荷決定； Q 為送入爐膛中的燃料。給水通過水冷壁吸收爐膛中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量； H 為汽包水位，加熱后的熱水上升至汽包，飽和水在此完成汽，水分離，產(chǎn)生飽和蒸汽。 圖 21 汽包鍋爐工作示意圖 “虛假水位”現(xiàn)象 在該系統(tǒng)中，穩(wěn)定的工作狀況應(yīng)當(dāng)是給水量（ W）與輸出蒸汽量（ D）相等，即 W=D。在該條件下，水位處于一種動(dòng)態(tài)的平衡。這種平衡一旦被打破，汽包水位將發(fā)生變化。從物料平衡的角度看，當(dāng) WD 時(shí)，流入的水大于流出的蒸 汽，水位必將上升； WD 時(shí)，流入的水小于流出的蒸汽，水位將下降。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽包已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)是（進(jìn)入飽和水，輸出飽和汽，可完成汽，水分離），實(shí)際情況并不完全如此。在給水（ W），蒸汽（ D）分別擾動(dòng)下，水位的變化的情況，如 圖 22 所 示 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 4 圖 22 給水?dāng)_動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)下的汽包水位變化過程 在給水?dāng)_動(dòng)下，汽包水位并沒有表現(xiàn)出立即上升，而是表現(xiàn)出滯后一段后上升的過程；在負(fù)荷擾動(dòng)的情況下，水位也沒有表現(xiàn)出立即下降的現(xiàn)象，而是表現(xiàn)出先上升后下降的過程。這種現(xiàn) 象稱“虛假水位”現(xiàn)象。其原因是由于汽包中是汽液兩相共存，下半部是飽和水，上半部是飽和氣，當(dāng)給水增加時(shí)，大量低于飽和水溫度的低溫水進(jìn)入，吸收了汽包中飽和水的能量，汽包汽水溫度下降，飽和水中大量氣泡破裂，汽水體積減小，水位下降。而負(fù)荷增加時(shí)，汽包壓力瞬時(shí)下降，飽和水中大量汽包產(chǎn)生，體積增加，導(dǎo)致水位升高。 t D t O t O H t H (a)給水?dāng)_動(dòng) （ b）負(fù)荷擾動(dòng) H O W O 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 5 3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 確定控制目標(biāo) 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控變量的選擇 在鍋爐給水系統(tǒng)中，輸出蒸汽的品質(zhì)及安全是兩個(gè)關(guān)鍵的要素，汽包水位過高，會(huì)導(dǎo)致出口的蒸汽帶水，無(wú)法保證出 口為飽和汽；汽包水位過低，可能會(huì)導(dǎo)致水冷壁缺水，水冷壁缺水后溫度會(huì)急劇上升，造成水冷壁爆管的嚴(yán)重事故。因此，正常的汽包水位是鍋爐安全，可靠工作的關(guān)鍵，據(jù)此，該系統(tǒng)選汽包水位為被控變量。 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的控制變量（操縱量）的選擇 在該系統(tǒng)中，可以影響汽包水位的變量很多，輸出蒸汽量（ D）的變化，燃燒情況的變化，給水量（ W）的變化都可以影響汽包的水位，但輸出蒸汽量（ D）的變化由負(fù)荷決定，燃燒系統(tǒng)要確保系統(tǒng)的能量和效率，這兩個(gè)變量都無(wú)法作為正常情況下的控制參數(shù)，而給水量 W不僅與被調(diào)變量直接相關(guān)，且 以此控制汽包水位有足夠的靈敏度，通常，該系統(tǒng)都選給水量 W最為控制變量。 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的擾動(dòng) 被控變量及控制變量確定，調(diào)節(jié)通道就被唯一確定，其他所有可以影響對(duì)象被控變量 — 汽包水位的參數(shù)均可視為擾動(dòng)。這里，主要擾動(dòng)有蒸汽負(fù)荷（ D）的變化，燃燒情況的變化，給水壓力的變化等均是系統(tǒng)的主要擾動(dòng)。 確定控制方案 根據(jù)以上分析，給水系統(tǒng)的主要目的就是穩(wěn)定汽包水位，因此汽包水位是該系統(tǒng)的主被控變量；對(duì)該系統(tǒng)，從機(jī)理上看進(jìn)出物料的平衡是保證液位的關(guān)鍵，汽包水位的變化是由于進(jìn)出物料不平衡引起的，因此 可以通過調(diào)整給水流量來(lái)滿足物料基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 6 的平衡，進(jìn)而保證汽包的液位，通過這樣的分析我們可以建立單回路控制系統(tǒng)。但在實(shí)際系統(tǒng)中，首先，給水流量不僅受給水閥開度的影響，還要受到給水壓力變化的影響，給水壓力又要受到給水泵轉(zhuǎn)速、汽包壓力、燃燒情況，以及給水系統(tǒng)中其他負(fù)荷的變化等諸多因素的影響；其次，汽包水位對(duì)象的時(shí)間常數(shù)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)定性造成影響。因此，單回路給水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，為了克服各種引起給水流量變化的因素，通常引入給水流量作為副被控變量，構(gòu)成流量液位串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可以及時(shí)克 服對(duì)水流量的各類擾動(dòng)。 這樣的串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生負(fù)荷（主蒸汽）變化時(shí)，由于虛假水位的現(xiàn)象，導(dǎo)致反饋控制系統(tǒng)被虛假水位的現(xiàn)象蒙蔽，做出完全相反的調(diào)節(jié)動(dòng)作。例如，蒸汽增加時(shí)，汽包液位首先升高，據(jù)此，主調(diào)節(jié)器做出降低給水流量的調(diào)節(jié)動(dòng)作，副調(diào)節(jié)器根據(jù)主調(diào)節(jié)器的指令，快速將給水流量降低，這種調(diào)節(jié)結(jié)果加劇了進(jìn)出物料的不平衡，是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量無(wú)法滿足要求。因此，根據(jù)進(jìn)出物料的不平衡是系統(tǒng)液位變化的內(nèi)在原因，將表征負(fù)荷變化的蒸汽流量作為前饋信號(hào)引入，確保負(fù)荷變化時(shí)給水流量可以及時(shí)隨之變化，這樣，構(gòu)成如圖 31所示前饋 串級(jí) 控制系統(tǒng)。 圖 31 前饋 — 串級(jí)給水控制系統(tǒng) )(sGcl )(2 sGc )(sGv )(2 sGp )(1 sGp )(sGw )(sGh )(sGd H H D 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 7 設(shè)計(jì)模型的構(gòu)造 對(duì)象模型的構(gòu)造 準(zhǔn)確的給水對(duì)象模型是給水控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，由對(duì)象的給水流量 液位及負(fù)荷液位的階躍響應(yīng)曲線可看出，構(gòu)造給水系統(tǒng)的模型的關(guān)鍵是如何構(gòu)造“虛假水位”的部分。我們可以設(shè)想汽包水位的變化由兩部分組成，一部分直接反映進(jìn)出流量的不平衡，對(duì)于汽包，進(jìn)出流量不平衡時(shí)，液位將持續(xù)升高或降低，這部分可以由一個(gè)積分環(huán)節(jié)描述；另一部分描述飽和水的體積，汽包壓力變化、冷流體進(jìn)入 量的變化都將引起汽包水中汽包的數(shù)量的變化，引起汽水體積的變化，最終導(dǎo)致汽包水位的變化，氣泡的產(chǎn)生或破裂最終會(huì)在新的狀態(tài)下平衡下來(lái)，因此可以用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述。圖示 32和圖示 33表示了這個(gè)分解的過程。由于引起汽包產(chǎn)生或破裂的機(jī)理不同，這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié) H的時(shí)間，一般，表征負(fù)荷擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)要小一些，增益要大一些。 O W t O t D O H t O H t 圖 32 給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)的分解 圖 33 負(fù)荷擾動(dòng)響應(yīng)的分解 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 8 由圖 32可以得到 1pG ?)(s)()(sWsH ? )1(1 ???? ssss ?????? （ 31） 式（ 11）表示給水?dāng)_動(dòng)下的對(duì)象特性可以由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)或串聯(lián)表示，如圖 34所示。 圖 34 調(diào)節(jié)通道模型 由于，給水?dāng)_動(dòng)引起的虛假水位不太明顯。主要表現(xiàn)為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時(shí)用慣性加純遲延描述這一特性，即 PLG (S)= sessW sH ?? ??)( )( （ 32） 式中 , ?? aT1 稱飛升速度，表示進(jìn)出物料不平衡時(shí)水位變化的速度。 式（ 12）可以由如圖 7 所示純滯后環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成。 由圖 7可以看出，負(fù)荷變化引起的虛假水位現(xiàn)象十分嚴(yán)重，通常，用一個(gè)積分環(huán)節(jié)加一個(gè)反方向的，時(shí)間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)描述負(fù)荷與汽包水位的關(guān)系，即 ssTKsD sHsG d ????? 221)( )()( （ 33） 式（ 13）可以由如圖 36所示慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)并聯(lián)構(gòu)成 s? s????1 s??11 s? W H W H （ a）并聯(lián) （ b）串聯(lián) 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 9 相對(duì)于其 他環(huán)節(jié)，閥門的特性可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。 VV Ksu sqsG ?? )( )()( （ 34） 副對(duì)象可以看做是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié) 1)( )()( 2 22 ??? sT Ksq sWsG p pP （ 35） 綜合以上各部分，可以得出對(duì)象模型如圖 37所示 STK221? s? se?? s? D H W H 圖 35 調(diào)節(jié)通道模型 圖 36 負(fù)荷擾動(dòng)通道 模型 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 10 針對(duì)一個(gè)蒸發(fā)量數(shù)百噸的鍋爐，相應(yīng)時(shí)間 aT 大約為 30s（飛升速度 ），滯后時(shí)間 ? 與鍋爐形式有關(guān)，在幾秒到數(shù)百秒之間。 2T 大約在 10— 20s 之間。結(jié)合仿真中時(shí)間比例尺的概念，可以取 2K =1， ?? ， 1,2,1,1 222 ???? ?pp TKT 進(jìn)行仿真。 汽包水位仿真系統(tǒng)的構(gòu)造 在構(gòu)成前饋 串級(jí)給水控制系統(tǒng)時(shí)，通常取汽包液位為主變量，給水流量為副變量，主蒸汽流量為前饋?zhàn)兞?，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的給水控制系統(tǒng)框圖如圖所示。