基于GPC的鍋爐汽包液位控制研究

竇二飛 ，李紅星,2

（1. 北京聯(lián)合大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100101；2. 北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101）

基于GPC的鍋爐汽包液位控制研究

竇二飛1，李紅星1,2

（1. 北京聯(lián)合大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100101；2. 北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101）

0 引言

汽包液位是電廠鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)，汽包液位偏高，將損壞汽水分離裝置，汽包液位偏低，則破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋。其特殊的虛假水位現(xiàn)象必須提高警惕。同時(shí)，要克服蒸發(fā)量的擾動(dòng)、燃料量的擾動(dòng)、給水側(cè)擾動(dòng)等多種因素的影響。

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)降低故障率、提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗等提出越來(lái)越高的要求，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和控制功能要求也越來(lái)越高。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，組成“復(fù)雜”一些的控制系統(tǒng)，如前饋、串級(jí)、比值、分程等控制系統(tǒng)，其中前饋- 串級(jí)控制在石化、冶金、電力等過(guò)程控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前常規(guī)的前饋- 串級(jí)控制仍采用調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但用調(diào)節(jié)閥控制能量損失大，而采用變頻水泵調(diào)節(jié)流量，調(diào)節(jié)效果明顯、快捷、節(jié)能降耗。

目前，關(guān)于汽包液位的先進(jìn)控制策略的研究，主要是關(guān)于自校正PID控制，包括模糊自適應(yīng)PID、神經(jīng)自適應(yīng)PID等方法，同時(shí)，也有復(fù)雜PID控制算法的研究。自校正PID控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制參數(shù)的在線調(diào)整，隨著工況的改變，能及時(shí)調(diào)整參數(shù)以提高控制效果[1,2]。復(fù)雜PID對(duì)汽包液位的控制雖然算法簡(jiǎn)單并能夠滿足基本的系統(tǒng)要求[3]。但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，機(jī)組參數(shù)存在時(shí)變性，所以PID控制策略的控制精度受到限制。

本文采用廣義預(yù)測(cè)控制和前饋控制融合的控制算法，對(duì)汽包液位進(jìn)行控制。廣義預(yù)測(cè)控制是預(yù)測(cè)控制方法之一，具有預(yù)測(cè)控制的基本特點(diǎn)，包括參考模型、在線滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，同時(shí)兼具自適應(yīng)控制的性能。

1 汽包的工藝特點(diǎn)

電廠機(jī)組的鍋爐汽包，相對(duì)容量較小，液位變化速度很快。斷水?dāng)?shù)十秒內(nèi)液位就會(huì)達(dá)到極限值，幾分鐘就可能造成事故，這就要求大機(jī)組采用給水全程控制。給水全程控制就是機(jī)組從啟動(dòng)到帶滿負(fù)荷，負(fù)荷的升降、機(jī)組關(guān)停全部過(guò)程都實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)控制。

電廠鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，汽包由筒身和封頭組成，在鍋爐汽水循環(huán)中起中樞作用，汽包接收省煤器來(lái)的給水，與下降管、水冷壁、引出管組成閉合的水循環(huán)回路，可以儲(chǔ)存一定的水和蒸汽，以適應(yīng)電廠負(fù)荷的突然變化，并提供過(guò)熱器飽和蒸汽，具有儲(chǔ)能作用。因此，汽包是加熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段受熱面的連接點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)液位為汽包中心線下150mm處，標(biāo)準(zhǔn)線上50mm處為最高安全液位，標(biāo)準(zhǔn)線下50mm為最低安全液位，當(dāng)液位偏離標(biāo)準(zhǔn)線75mm時(shí)應(yīng)及時(shí)采用緊急措施，保證鍋爐及汽包的安全。

圖1 汽包液位工藝圖

系統(tǒng)配套三臺(tái)給水泵，其中兩臺(tái)是各自容量為60%額定給水流量的汽動(dòng)泵，分別由小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，改變小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可以改變給水流量。一臺(tái)容量為總?cè)萘?5%的電動(dòng)給水泵，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于30%額定負(fù)荷時(shí)，電動(dòng)給水泵運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行汽動(dòng)給水泵，給水泵的啟動(dòng)和停止操作由機(jī)組自啟停程序控制。為了得到可靠的汽包液位信號(hào)，系統(tǒng)配置三套液位測(cè)量裝置，三個(gè)信號(hào)采用取中的方式自動(dòng)選擇。給水流量的測(cè)量與液位測(cè)量一樣，也是三取中。蒸汽流量的測(cè)量分為汽輪機(jī)入口流量和旁路流量之和，汽輪機(jī)入口流量測(cè)量為三取中的方式，因此一個(gè)蒸汽流量的測(cè)量配置三套測(cè)量裝置。

2 廣義預(yù)測(cè)控制算法

廣義預(yù)測(cè)控制是一種自適應(yīng)控制算法，能夠在保持最小方差自校正控制的在線辨識(shí)、輸出預(yù)測(cè)、最小輸出方差控制的基礎(chǔ)上，吸取了DMC和MAC中的滾動(dòng)優(yōu)化策略，兼具自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制的性能。該算法基于參數(shù)模型，引入了不相等的預(yù)測(cè)長(zhǎng)度和控制長(zhǎng)度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活方便，具有預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和在線反饋校正等特征，呈現(xiàn)出優(yōu)良的控制性能和魯棒性。根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果，可得

對(duì)系統(tǒng)的CARIMA模型，最小的j步最優(yōu)預(yù)測(cè)控制y (k＋j | k)由下式求出

其中，F(xiàn)j(z-1)和Gj(z-1)滿足如下Diophantine方程[5]

此時(shí)最優(yōu)預(yù)測(cè)誤差為：性能指標(biāo)函數(shù)可表示為如下矩陣形式

由于對(duì)象參數(shù)未知，所以要在線估計(jì)對(duì)象參數(shù)，實(shí)施自適應(yīng)GPC算法。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 模糊系統(tǒng)辨識(shí)

模糊建模在處理非線性對(duì)象上具有很大的優(yōu)勢(shì)，模糊系統(tǒng)辨識(shí)分為模糊結(jié)構(gòu)辨識(shí)和結(jié)論參數(shù)辨識(shí)，模糊結(jié)構(gòu)辨識(shí)是模糊系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)，它決定了模糊系統(tǒng)精度。模糊結(jié)構(gòu)辨識(shí)包括模糊規(guī)則的獲取、優(yōu)化，輸入輸出空間的劃分，輸入變量的確定，隸屬度函數(shù)的確定，輸出空間函數(shù)結(jié)構(gòu)的確定幾部分內(nèi)容。本文將根據(jù)系統(tǒng)的特征，對(duì)輸入變量先進(jìn)行模糊聚類，確定前提部分輸入變量的隸屬度函數(shù)分布，在這種劃分下，再辨識(shí)結(jié)論部分的參數(shù)。

在開環(huán)情況下，采集系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)，采用基于模糊聚類和最小二乘參數(shù)辨識(shí)結(jié)合的算法，進(jìn)行模糊系統(tǒng)辨識(shí)。

汽包液位隨給水流量變化的仿真研究如圖2所示，波動(dòng)較大的曲線是實(shí)際系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)環(huán)境存在噪聲干擾，平緩的曲線是模糊T-S模型的辨識(shí)曲線，可以看出T-S模型比較穩(wěn)定且能較精確的逼近實(shí)際系統(tǒng)。

圖2 汽包液位隨給水流量變化曲線

汽包液位隨蒸汽流量變化的仿真研究如圖3所示，模糊T-S系統(tǒng)仿真曲線能很好的逼近實(shí)際系統(tǒng)變化曲線。

圖3 汽包液位隨蒸汽流量變化曲線

3.2 控制器設(shè)計(jì)

鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主控回路采用廣義預(yù)測(cè)控制，內(nèi)回路采用前饋控制[4]。

控制器算法如下：

1）設(shè)置初值 (0)和P (0),輸入初始數(shù)據(jù)，并設(shè)置控制參數(shù)如N1、N2、Nu，以及控制加權(quán)矩陣 、輸出柔化系數(shù) 、遺忘因子 等；

圖4 控制器結(jié)構(gòu)

2）采樣當(dāng)前實(shí)際輸出y (k)和參考軌跡輸出yr(k＋ j)；

3) 利用遺忘因子遞推最小二乘法在線實(shí)時(shí)估計(jì)被控對(duì)象參數(shù) ，即A、B的值；

4) 求解Diophantine方程（7），解出多項(xiàng)式Ej、Gj和 Fj；

5) 構(gòu)造向量Yr、U (k－j)、Y (k)及矩陣G、F1、F2；

6) 計(jì)算并實(shí)施u (k)；

7) 返回（2） (k→k－j)，繼續(xù)循環(huán)。

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，取參數(shù)N1＝d＝5，N2＝8，Nu＝2，輸出柔化系數(shù) ＝0.5，期望輸出為幅值為10的階躍信號(hào)，初值P (0)＝106I， (0)＝0.001，遺忘因子 ＝1，仿真結(jié)果如圖5所示，其中波動(dòng)為在蒸汽負(fù)荷增加10%時(shí)，液位變化的情形。前饋補(bǔ)償量可以通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)參數(shù)求得，蒸汽流量、給水流量與汽包液位變化的查分方程經(jīng)過(guò)變形可以得到傳遞函數(shù)模型，繼而可以求得前饋補(bǔ)償器的規(guī)律。

圖5 無(wú)噪聲仿真圖

由于鍋爐的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，變化多樣，所以噪聲影響比較頻繁，仿真中引入均值為零的白噪聲信號(hào)，參數(shù)取N1=d=5,N2=8,Nu=2,輸出柔化系數(shù) ，期望輸出為幅值為10的方波信號(hào)，蒸汽擾動(dòng)為零，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 有噪聲仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

工程應(yīng)用中，鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)普遍采用三沖量和單沖量切換的控制方式，雖然能夠滿足基本的工程要求，但是，控制效果和控制精度受到嚴(yán)重影響。本文采用的自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制，針對(duì)電廠鍋爐的特征及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了在線辨識(shí)，同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)的前饋控制策略結(jié)合，對(duì)鍋爐汽包液位進(jìn)行控制，從仿真圖像可以看出該算法可以很好的滿足控制要求，同時(shí)提高系統(tǒng)的控制精度，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線自適應(yīng)辨識(shí)，這樣可以提高控制效果，減小負(fù)荷變化時(shí)的影響，較現(xiàn)有控制算法存在明顯改進(jìn)的效果。

[1]鄭文杰. 基于模糊PID參數(shù)自調(diào)整的鍋爐汽包水位控制設(shè)計(jì)[J]. 水利電力機(jī)械, 2007, 1: 16-19.

[2]葛薇. 模糊自適應(yīng)PID在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2008, 27(6): 22-24.

[3]張樂. 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION, 2008, 19: 42-43.

[4]宋佳音. 預(yù)測(cè)控制在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備, 2008, 6: 17-18.

[5]Daniela Andone. Application of fuzzy model predictive control to a drum-boiler[J].Integrated Computer-Aided Engineering, 2006: 347-359.

Water level control system of boiler drum based on GPC

DOU Er-fei1, LI Hong-xing1,2

介紹了汽包在電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的重要作用，分析了汽包的工藝特點(diǎn)，深入研究了廣義預(yù)

測(cè)控制算法，對(duì)汽包液位系統(tǒng)進(jìn)行了基于模糊T-S模型的系統(tǒng)辨識(shí)，研究了基于模糊T-S模型的GPC控制算法在汽包液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，在MATLAB仿真環(huán)境下對(duì)其控制效果進(jìn)行了研究，分析了控制系統(tǒng)的性能。

汽包液位；系統(tǒng)辨識(shí)；GPC

竇二飛 （1983－），男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，主要從事工業(yè)DCS系統(tǒng)集成技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)在DCS中的應(yīng)用研究工作。

TP391

B

1009-0134(2011)4(下)-0054-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).16

2010-09-09

北京市教委科技發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（KM201011417015）