模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、第4l卷第l期2010年1月鍋爐技術(shù)BOILERTECHN0LOGYVoI4l，NO1Jan，20l0文章編號(hào)：CN31—1508(2010)01—002705模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用婁偉，劉向東(1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械電子與工程學(xué)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(guān)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(yùn)行的重要參數(shù)。通過對鍋爐汽包水位動(dòng)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(yīng)用于鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制器相比，該控制器取得了良好的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性能。中圖分類號(hào)：TK2231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B0前言鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會(huì)引起事故，因此，鍋爐的安全問題是一項(xiàng)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(yùn)行的重

3、要指標(biāo)_1]，同時(shí)鍋爐汽包水位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)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(shí)適應(yīng)負(fù)荷設(shè)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(xiàn)代大容量鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險(xiǎn)的，這是因?yàn)樗贿^低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動(dòng)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(huì)造成事故。因此，必須對汽包水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將水位嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。1汽包水位的動(dòng)態(tài)特性維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)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(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁上的結(jié)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(yán)重時(shí)會(huì)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(dāng)給水量等于蒸汽量時(shí)，汽包水位就恒定不變。引起水位變動(dòng)的主要擾動(dòng)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(dòng)，那么，汽包水位對象的動(dòng)態(tài)特性可用方程式表示：T1Td2h十』~@(T警(Td學(xué)KdVd)(1)式中：丁丁2——時(shí)間常數(shù)；丁——給水流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；T——蒸汽流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；K——給水流量項(xiàng)的放大系數(shù)；

6、K——蒸汽流量項(xiàng)的放大系數(shù)。^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(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械電子與工程學(xué)院自動(dòng)化系講師，碩士。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與檢測技術(shù)。學(xué)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(tǒng)中的應(yīng)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(fù)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(nèi)變化。在工業(yè)汽包水位的自動(dòng)控制中，針對不同的控制信號(hào)可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。其中，單沖量控制系統(tǒng)以汽包水位測量為唯一的控制信號(hào)；雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位信號(hào)為主要控制信號(hào)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號(hào)；三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)給水量控制信號(hào)作為內(nèi)環(huán)控制。21單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位i貝4量信號(hào)

8、為唯一的控制信號(hào)，即調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。單沖量汽包水位控制系統(tǒng)存在2個(gè)主要問題：(1)當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時(shí)，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個(gè)錯(cuò)誤舉動(dòng)反而擴(kuò)大了汽包進(jìn)出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動(dòng)幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。(2)在給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動(dòng)作，又經(jīng)過一段時(shí)間延遲后才能影響到水位

9、，導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時(shí)間長。22雙沖量控制系統(tǒng)在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號(hào)。引入的蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假液位”對控制的不良影響。當(dāng)蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動(dòng)作，同時(shí)有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。23三沖量控制系統(tǒng)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(tǒng)中，對于給水量的自發(fā)變化不能及時(shí)調(diào)節(jié)，只

10、有在延遲一段時(shí)間后，給水量的擾動(dòng)才能通過汽包水位的變化反映出來。對于幾臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，幾臺(tái)鍋爐的汽包水位控制會(huì)相互影響，使得控制過程非常復(fù)雜。針對這個(gè)問題，三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了給水量信號(hào)控制。這個(gè)調(diào)節(jié)器接受3個(gè)輸入調(diào)節(jié)信號(hào)：汽包水位作為主沖量信號(hào)，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，給水流量作為內(nèi)反饋信號(hào)。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負(fù)荷而言，容量較大，水位受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢，虛假水位現(xiàn)象不很嚴(yán)重。因此一般采

11、用單沖量調(diào)節(jié)方法就可以滿足生產(chǎn)運(yùn)行的要求，但是單沖量調(diào)節(jié)方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響，當(dāng)蒸汽量大幅度增加時(shí)，由于假水位上升，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)不但不去開大調(diào)節(jié)閥增大給水流量，以維持物料平衡，反而去關(guān)小調(diào)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(dòng)。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(hào)，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?yàn)楫?dāng)給水壓力波動(dòng)時(shí)，給水流量將相應(yīng)變化，此時(shí)只有待水位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。為此再引入給水流量信號(hào)，即采用三沖量水位控制回路。所以，通過分析我們發(fā)現(xiàn)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(hào)，把給水流量作為控制信號(hào)，組成汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)PID控制對汽包運(yùn)行中出現(xiàn)的“虛假水位”現(xiàn)象無能為力，所以將模糊自整定PID控制器應(yīng)用到

13、該三沖量控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，并且各參數(shù)之間相互影響，相互制約，并且有時(shí)受負(fù)荷干擾嚴(yán)重，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來表示，用經(jīng)典控制理論難以實(shí)現(xiàn)有效的控制，目前在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法是具體分析生產(chǎn)過程的特點(diǎn)和要求，在設(shè)計(jì)單回路為主的基礎(chǔ)上，考慮多變量系統(tǒng)的特點(diǎn)，加以補(bǔ)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(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高，這樣中小型用戶就難以