模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統中的應用

1、第4l卷第l期2010年1月鍋爐技術BOILERTECHN0LOGYVoI4l，NO1Jan，20l0文章編號：CN31—1508(2010)01—002705模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統中的應用婁偉，劉向東(1山東農業(yè)大學機械電子與工程學院，山東泰安271018；2武漢凱迪電力環(huán)保工程有限公司，湖北武漢437000)關鍵詞：模糊控制；PID；汽包水位；三沖量摘要：汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數。通過對鍋爐汽包水位動態(tài)特性的探討

2、，分析了汽包水位的幾種控制方案，采用了一種模糊控制器，將該控制器應用于鍋爐汽包水位三沖量控制系統，仿真結果表明，與傳統PID控制器相比，該控制器取得了良好的動靜態(tài)性能和魯棒性能。中圖分類號：TK2231文獻標識碼：B0前言鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設備，是工業(yè)生產中的常用設備。對鍋爐生產如果操作不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故，因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。汽包水位是影響鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重

3、要指標_1]，同時鍋爐汽包水位高度關系著汽水分離的速度和生產蒸汽的質量。隨著科學技術的飛速發(fā)展，現代鍋爐要向蒸發(fā)量大，汽包容積相對減少的方向發(fā)展。這樣，要使鍋爐的蒸汽量隨時適應負荷設備的需要量，汽包水位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水，或者燒成干鍋。在現代大容量鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管

4、。無論滿水或缺水都會造成事故。因此，必須對汽包水位進行自動調節(jié)，將水位嚴格控制在規(guī)定的范圍之內。1汽包水位的動態(tài)特性維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，也是鍋爐正常生產運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁上的結垢；水位過低，則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷壁被燒壞，嚴重時會造

5、成爆炸事故。鍋爐的汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制水位表征的，汽包的流人量是給水量，流出量是蒸汽量，當給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變動的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主要擾動，那么，汽包水位對象的動態(tài)特性可用方程式表示：T1Td2h十』~@(T警(Td學KdVd)(1)式中：丁丁2——時間常數；丁——給水流量項時間常數；T——蒸汽流量項時間常數；K——給水流量項的放大系數；

6、K——蒸汽流量項的放大系數。^一式中：H?！€(wěn)定狀態(tài)下的水位；△H——水位高度的變化。V=收稿日期：2008—09一l1；修回日期：2009—02—28作者簡介：婁偉(1974)，男，山東省泰安市人，山東農業(yè)大學機械電子與工程學院自動化系講師，碩士。主要研究方向為計算機控制與檢測技術。學兔兔www.xuetutu.com第1期婁偉，等：模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統中的應用2鍋爐汽包水位控制分析汽包水位控制的目的就是克服鍋爐負荷變化所

7、引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對水位的影響，維持汽包水位在允許的范圍內變化。在工業(yè)汽包水位的自動控制中，針對不同的控制信號可以有單沖量控制系統、雙沖量控制系統和三沖量控制系統。其中，單沖量控制系統以汽包水位測量為唯一的控制信號；雙沖量控制系統在汽包水位信號為主要控制信號的基礎上，加入蒸汽流量作為前饋信號；三沖量控制系統在雙沖量控制系統的基礎上，又引進給水量控制信號作為內環(huán)控制。21單沖量控制系統單沖量控制系統是以汽包水位i貝4量信號

8、為唯一的控制信號，即調節(jié)器根據汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節(jié)閥，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內。單沖量汽包水位控制系統存在2個主要問題：(1)當鍋爐蒸汽負荷變化很大時，受“虛假液位”現象的影響，在調節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤舉動反而擴大了汽包進出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調節(jié)質量。(2)在給水擾動時，調節(jié)器要等到水位改變了以后才動作，又經過一段時間延遲后才能影響到水位

9、，導致汽包水位發(fā)生較大變化，調節(jié)時間長。22雙沖量控制系統在單沖量控制系統的基礎上，加入蒸汽流量作為前饋信號。引入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對控制的不良影響。當蒸汽負荷變化時，使調節(jié)閥一開始就向正確的方向動作，同時有助于改善控制系統的靜態(tài)特性，提高控制質量。23三沖量控制系統一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高對汽包水位的控制。在雙沖量控制系統中，對于給水量的自發(fā)變化不能及時調節(jié)，只

10、有在延遲一段時間后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。對于幾臺鍋爐并列運行時，幾臺鍋爐的汽包水位控制會相互影響，使得控制過程非常復雜。針對這個問題，三沖量控制系統在雙沖量控制系統的基礎上，又引進了給水量信號控制。這個調節(jié)器接受3個輸入調節(jié)信號：汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內反饋信號。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負荷而言，容量較大，水位受到擾動后的反應速度比較慢，虛假水位現象不很嚴重。因此一般采

11、用單沖量調節(jié)方法就可以滿足生產運行的要求，但是單沖量調節(jié)方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響，當蒸汽量大幅度增加時，由于假水位上升，調節(jié)器輸出信號不但不去開大調節(jié)閥增大給水流量，以維持物料平衡，反而去關小調節(jié)閥，減少給水流量，等到假水位消失后，水位將更加迅速下降，在外擾作用下必將引起水位發(fā)生較大幅度波動。為了克服虛假水位對控制的不良影響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號，所以雙沖量控制比單沖量控制更好些。然而雙沖量控制方法不能迅速克服給

12、水壓力變化對水位的影響，因為當給水壓力波動時，給水流量將相應變化，此時只有待水位發(fā)生變化后調節(jié)器才能起作用。為此再引入給水流量信號，即采用三沖量水位控制回路。所以，通過分析我們發(fā)現三沖量控制要比單沖量控制和雙沖量控制要優(yōu)越些。本文就是采用這種三沖量的控制方式，將蒸汽流量作為前饋信號，把給水流量作為控制信號，組成汽包水位的三沖量控制系統，同時考慮到傳統PID控制對汽包運行中出現的“虛假水位”現象無能為力，所以將模糊自整定PID控制器應用到

13、該三沖量控制系統中，實現工業(yè)鍋爐汽包水位的定值控制。3鍋爐汽包水位的模糊控制鍋爐的水位是多輸人多輸出系統，并且各參數之間相互影響，相互制約，并且有時受負荷干擾嚴重，因此很難用精確的數學模型來表示，用經典控制理論難以實現有效的控制，目前在工程設計中經常采用的方法是具體分析生產過程的特點和要求，在設計單回路為主的基礎上，考慮多變量系統的特點，加以補充修正。因各回路之間的相互制約，控制效果也不近人意，并且設計復雜，造價高，這樣中小型用戶就難以