锅炉水位控制

锅炉汽包水位的串级广义预测控制

摘要：针对火电厂锅炉汽包水位对象的复杂非线性动态特性，为提高水位系统控制的可靠性和安全性设计串级广义预测控制（CGPC）结构。内回路采用PID 控制可以快速消除给水流量的扰动，外回路采用具有滚动优化和反馈校正功能的控制结构，有效克服了蒸汽流量的扰动。

关键词：锅炉水位；串级三冲量；CGPC—PID

目录

一、引言 (1)

二、三冲量调节系统原理 (1)

2.1、工作原理 (1)

2.2 控制系统原理 (2)

三、串级广义预测控制 (3)

3.1 CGPC的基本原理 (3)

3.2 汽包水位系统的CGPC-PID串级控制方案 (6)

四、仿真及结论 (7)

4.1 仿真过程 (7)

4.2 结论 (8)

五、预测控制研究现状 (9)

一、引言

汽包水位反映了锅炉蒸汽量与给水量之间的平衡关系。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使蒸汽带液、过热器结垢，影响过热器效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。 因此，在锅炉运行中必须将汽包水位严格控制在工艺允许的范围内。而影响锅炉水位的因素很多，最主要的是蒸发量和给水量的波动

汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在一定范围内波动，这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响。

由于控制对象在给水量扰动时有一定的惯性，而且在负荷扰动时又存在“虚假水位”，采用串级三冲量给水控制系统能有效地消除这些扰动。该系统以汽包水位为主信号，任何导致水位变化的扰动都会使调节器动作；蒸汽流量是前馈信号，它的作用是防止“虚假水位”引起的调节器的误动作，改善蒸汽流量扰动时的调节质量；给水流量是介质反馈信号，因给水流量信号对给水流量变化的响应很快，使调节器能够在水位还没变化时就对前馈信号的变化作出反应，消除内扰，使调节过程比较稳定，充分保证了调节系统的稳定运行。

二、三冲量调节系统原理

2.1、工作原理

如图1所示，在稳定状态下，锅炉里面的水位在理想情况下应保持为一个恒值，但实际上不可能达到这种要求。一般控制汽包水位围绕设定值有小范围的波动，波动越小，越有利于锅炉的稳定运行。

在稳定状态下，水位信号的测量值(电流信号H I )应等于锅炉水位设定值(h I )，蒸汽流量(D I )和给水流量(W I )则应达到一种动态的平衡关系。即满足如下关系：0=--+h W D H I I I I 。

当给水流量信号W I 等于蒸汽流量信号D I 时，则水位信号H I 就等于h I ，即汽包水位稳定在某一给定值。此时，阀门开度正好处于一个保持系统平衡的位置。而当锅炉负荷突然增大时平衡破坏，W D I I >，则阀门开大，增大给水流量的值。

而与此同时也会随之出现“虚假水位”，使水位输出信号随之增大，两个反馈回路的作用能有效抵消这一变化，这样就减小甚至消除了“虚假水位”对系统的影响。

当锅炉负荷下降时W D I I ，则会关小阀门，以适应新的负荷所需要水位的流量，直到系统达到新的平衡为止。这样，由于蒸汽流量和给水流量的引入反馈对扰动起到了超前响应的作用，使给水阀门一开始就向着正确的方向及时动作，减少了水位的波动幅度，消除了虚假水位的影响，缩短了响应时间。

图1 汽包水位控制系统原理

2.2 控制系统原理

根据三冲量串级调节系统原理设计的系统方框图如图2所示。

图2 汽包水位三冲量控制系统原理

从图2可以看出，3个冲量在系统中形成了2个闭合回路，即由给水流量变送器、内回路调节器PID 、变频调节器、三台水泵电机组组成的内回路，其作用是消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变

时迅速调节给水流量，以保证给水流量和蒸发量平衡，它是一个快速回路。 由锅筒水位变送器、外回路调节器PID 和内回路组成外回路，其作用是校正水位偏差，使水位等于设定值。采用以蒸汽流量D 为前馈信号的前馈控制，其作用是使给水量很快跟踪蒸汽流量的变化，克服虚假水位现象引起的变频器误动作和水位过大波动。

内回路采用PID 控制快速消除控制通道的给水扰动，起粗调作用，外回路采用预测PID 控制用以克服蒸汽流量变化产生的扰动，起细调作用。

三、串级广义预测控制

广义预测控制（GPC ）是随着自适应控制的研究而发展起来的一种预测控制方法。GPC 基于参数模型，引入了不相等的预测水平和控制水平，系统设计灵活方便，具有预测模型、优化和在线反馈校正等特征，呈现优良的控制性能和鲁棒性。

串级广义预测控制CGPC 是在GPC 算法的基础上发展起来的一种针对具有串级控制结构对象的新型控制算法，其控制结构最大的特点是采用一个串级广义预测控制器代替传统的PID 控制器，减少了调节参数的数量，缩短了整定时间，同时具有广义预测控制的优点，并保持优良的控制效果。

3.1 CGPC 的基本原理

1、预测模型

内环模型和外环模型分别如式（1）和式（2）所示：

其中，)(11-q B 、)(12-q B 的若干首项元素可以是零，表示对象相应的时滞数；1-q 是后移算子，表示退后一个采样周期相应的量；11--=q δ为差分因子；)(1t ξ、)(2t ξ表示零均值随机的噪声序列；通常设系数1)(11=-q C 、1)(12=-q C ；)(t v 为

可以测量的中间量；)(t u 为控制量。

2、滚动优化

串级广义预测控制算法中关于控制系统预测输出的获得方法与基本的预测控制是相同的。系统在t 时刻对第k 步的预测输出为

根据CARIMA 模型，利用至t 时刻为止的输入，输出的已知数据，对t+k 时刻的系统输出进行预测，引入下列Diophantine 方程：

其中，k E 2、k F 2是由)(12-q A 和预测长度唯一确定的多项式。

将式（4）代入式（1）并整理得到：

考虑到噪声)(2k t +ξ未来时刻为零均值，式（5）整理可得：

式（6）是对外环CMRIMA 模型式（1）引入Diophantine 方程得到的关于

中间量)(t v 的预测输出值)(ˆt y

。为了得到关于控制量)(t u 的预测输出值)(ˆt y ，进而得到串级广义预测控制器，可以对式（6）再引入Diophantine 方程式（4），整理得到：

根据式（1），式（7）中的中间量v 用控制量u 替换，可得到：