工业锅炉汽包水位先进PID控制研究

　　1　引言

　　锅炉的任务是根据外界负荷的变化,输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。在工业锅炉实际运行过程中,基于安全性、可靠性、稳定性及经济性等方面的考虑,汽包水位须维持在一期望值附近。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢,影响传热效率,严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管。大容量锅炉汽包的体积相对较小,液位的时间常数很小,若给水不及时,数十秒之内就可能达到危险水位[1]。为了克服实际运行中存在的给水扰动和“虚假水位”现象,通常采用三冲量PID的控制结构。常规PID控制由于其参数是事先由人工整定的,在运行过程中不可调,故其效果并不令人满意,于是先进PID控制的概念就被提出以优化控制质量。文中主要介绍了模糊自适应PID控制和基于遗传算法整定的PID控制两种先进PID控制方式。使用MATLAB对构建的系统进行仿真,控制算法分别采用以上两种先进控制算法和常规PID算法,通过对各仿真结果进行直观比较,发现先进PID控制算法的动态性能和克服扰动的能力有所提高。

　　2　控制系统结构分析

　　考虑到给水扰动和蒸汽扰动,在汽包水位控制系统中,三冲量比例-积分-微分(PID)控制是一种惯用的方法。它是在传统的单回路PID控制的基础上,再引入流量副回路及前馈控制环节,构成一前馈两反馈控制系统。这种方案结构简单,设计方便,适用于任何无显著扰动的过程。三个冲量(即变量)分别是水位反馈信号、给水流量反馈信号和蒸汽流量前馈信号。整个控制系统形成两个闭合回路,如图1所示,其一是给水流量测量装置、调节算法、给水调节阀构成的回路,称为水流量回路,也称内回路,其作用是消除给水侧的扰动,稳定给水流量,在水位控制中起辅助作用;其二是由水位变送器、调节算法、整个内回路及对象控制通道所构成的回路,称为水位回路,也称外回路,其作用是消除各种扰动对水位的影响,维持汽包水位接近设定值。蒸汽流量作用于副回路,蒸汽用量突然增加,汽包压力会因此降低,依靠炉水的蓄热使蒸汽产量增加,这时汽包中水下的汽泡迅速增加,将整个水位抬高,造成所谓的“虚假水位”现象,控制结构中用前馈控制来消除这一扰动[2]。

　　在实际运行中,对于负荷比较稳定、煤质比较固定、燃烧比较平稳的锅炉,常规PID控制器能基本实现调节的目的。然而当存在显著的过程扰动或是负荷变化较大时,使用常规PID控制不能满足控制要求,运行中仍需手动干预。这样既无法及时准确地实现控制,同时也使控制质量降低,于是便产生了替换它的动机。