溫度波動(dòng)下的鍋爐汽包水位模糊控制方法

劉建華　李哲姝

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院1，湖南 株洲　412007；湖南工業(yè)大學(xué)思想政治理論課教學(xué)科研部2，湖南 株洲　412007)

溫度波動(dòng)下的鍋爐汽包水位模糊控制方法

劉建華1李哲姝2

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院1，湖南 株洲412007；湖南工業(yè)大學(xué)思想政治理論課教學(xué)科研部2，湖南 株洲412007)

摘要：針對(duì)余熱煙氣溫度波動(dòng)引起鍋爐汽包水位難以控制的問題，提出了溫度波動(dòng)下的鍋爐汽包水位模糊控制方法。該方法通過分析余熱煙氣溫度波動(dòng)下的汽包水位動(dòng)態(tài)特性，在已有PID三沖量控制算法的基礎(chǔ)上，利用模糊控制方法將余熱煙氣溫度偏差和偏差變化率引入到汽包水位控制算法中，以修正給水量設(shè)定值，抑制煙氣溫度波動(dòng)造成的影響，穩(wěn)定汽包水位。系統(tǒng)仿真和實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性、可行性。

關(guān)鍵詞：余熱發(fā)電汽包水位模糊控制三沖量控制溫度波動(dòng)動(dòng)態(tài)特性PID修正鍋爐

0引言

為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，某冶煉廠利用3臺(tái)鋅沸騰焙燒余熱鍋爐和1臺(tái)燃煤鍋爐產(chǎn)生的熱能進(jìn)行發(fā)電[1]。其中，汽包水位間接反映了鍋爐負(fù)荷和給水的動(dòng)態(tài)平衡[2-3]。水位過高，會(huì)影響汽水分離；過低，又會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備[4]。

為使汽包水位維持在允許范圍內(nèi)，三沖量控制、模型預(yù)測(cè)控制等方法得到了廣泛應(yīng)用[5-8]。然而，現(xiàn)有的方法大多只考慮汽包水位實(shí)時(shí)狀態(tài)，而忽視了蒸汽參數(shù)的影響。事實(shí)上，當(dāng)余熱煙氣溫度變化時(shí)會(huì)改變鍋爐吸熱量和蒸汽量，影響汽包水位。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員往往也會(huì)根據(jù)余熱煙氣溫度變化趨勢(shì)，通過施加一定的控制量，以減少溫度變化造成的影響。

為此，本文基于模糊控制思想，將余熱煙氣溫度偏差和偏差變化率引入到汽包水位控制中，設(shè)計(jì)了溫度波動(dòng)下的鍋爐汽包水位模糊控制方法。該方法不僅符合現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)律，對(duì)提高汽包水位的控制水平也具有重要意義。

1控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析

1.1給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)加大給水流量時(shí)，溫度較低的給水在進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)時(shí)會(huì)吸取一部分熱量，引起汽包和汽水管路中的熱量損失，導(dǎo)致汽包體積減少，水位下降。直至水面下汽包容積變化過程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才會(huì)因儲(chǔ)水量的增加而上升。

1.2蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

蒸汽流量的增加會(huì)引起汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化，導(dǎo)致汽包水位上升，造成“虛假水位”現(xiàn)象。另外，隨著蒸汽流量的增加，汽包氣壓下降，爐水沸點(diǎn)下降。由于爐水飽和水的氣化，使汽包水位隨壓力下降而升高。

1.3余熱煙氣溫度波動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)余熱煙氣溫度增加時(shí)，鍋爐吸熱量增加，蒸發(fā)量增加，汽包壓力升高，使蒸汽流量增加，蒸汽量大于給水量，受水中氣泡增多和給水量小于蒸發(fā)量的雙重影響，水位先升高后降低。同樣，當(dāng)余熱煙氣溫度降低時(shí)，汽包水位呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

2模糊控制系統(tǒng)

為抑制余熱煙氣溫度波動(dòng)對(duì)汽包水位的影響，在前饋-串級(jí)三沖量模糊PID控制器的基礎(chǔ)上[9]，采用模糊控制方式將余熱煙氣溫度引入到控制器中，形成如圖1所示的以汽包水位為主控信號(hào)的控制方案。圖1中，蒸汽流量、余熱煙氣溫度為前饋信號(hào)，給水流量為串級(jí)信號(hào)。

圖1　汽包水位模糊控制框圖

如圖1所示的控制系統(tǒng)，主PID控制器根據(jù)汽包水位的反饋信號(hào)修正給水給定值，輸出值由蒸汽流量前饋信號(hào)、余熱煙氣溫度前饋信號(hào)、水位偏差前饋信號(hào)進(jìn)行修正；修正后的輸出值再由給水流量信號(hào)修正，經(jīng)副PID計(jì)算給水調(diào)節(jié)閥輸出值，完成給水流量的控制，實(shí)現(xiàn)汽包水位的穩(wěn)定控制。模糊控制器1用于跟隨余熱煙氣溫度的變化狀態(tài)，以余熱煙氣溫度偏差和偏差變化率作為輸入，輸出量用于修正內(nèi)環(huán)水流量的設(shè)定值；模糊控制器2以水位偏差和偏差變化率作為輸入，以修正主控制回路的PID參數(shù)。

3模糊控制器設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)定水位偏差和水位偏差變化率的基本論域分別為[-Vy,+Vy]和[-αVy,+αVy]，余熱煙氣溫度偏差和煙氣溫度偏差變化率的基本論域分別為[-Ty,+Ty]和[-αTy,+αTy]，對(duì)應(yīng)的語言變量分別設(shè)為A、B、C和D。將模糊控制器1和模糊控制器2的輸入語言變量值均定義為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡(jiǎn)記為{NL、NM、PS、O、PS、PM、PL}，其量化論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，…，0，…，+4，+5,+6}。輸出語言變量值定義為{關(guān)大，關(guān)中，關(guān)小，保持，開小，開中，開大}，簡(jiǎn)記為{CF，CM，CS，H，OS，OM，OF}，對(duì)應(yīng)的量化論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，…，0，…，+4，+5，+6}。

輸入模糊變量通過模糊規(guī)則與輸出模糊變量建立關(guān)系。在考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量的原則為：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，歸納出余熱煙氣溫度和水位偏差的模糊控制規(guī)則分別如表1和表2所示。

表1　余熱煙氣溫度模糊控制規(guī)則表

表2　水位偏差模糊控制規(guī)則表

依據(jù)模糊控制規(guī)則，結(jié)合輸入模糊量，利用Mamdani推理法計(jì)算輸出控制量[10]。對(duì)于模糊控制器1，設(shè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)則為：

if E=Aiand Ec=Bjthen U1=Uij

(1)

式中：i=1,2,…,7;j=1,2,…,7；E為偏差；Ai為偏差的語言變量值；Ec為偏差變化率；Bj為偏差變化率的語言變量值；U1為控制量；Uij為對(duì)應(yīng)于Ai、Bj的語言變量值。

則有模糊關(guān)系：

Rij=Ai×Bj×Uij

(2)

同理，將所有的模糊關(guān)系元Rj作并運(yùn)算，得到總的模糊關(guān)系:

Rv=R1∪R2∪Rn×m

(3)

則對(duì)于余熱煙氣溫度偏差和偏差變化率的輸出模糊控制量為:

U1=(A×B)○Rv

(4)

同理可推出模糊控制器2的輸出模糊控制量為:

U2=(C×D)○Rt

(5)

經(jīng)過模糊推理計(jì)算出的控制量仍是模糊量，需進(jìn)行反模糊化處理才能用于修正給水量，本文采用加權(quán)平均法進(jìn)行反模糊化處理[11]。

4系統(tǒng)仿真與工程應(yīng)用

根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)框圖，借助Matlab環(huán)境下的模糊邏輯工具箱，通過模糊推理編輯器和隸屬度函數(shù)編輯器構(gòu)造輸入、輸出變量的論域及相關(guān)隸屬度函數(shù)參數(shù)。同時(shí)，結(jié)合汽包水位影響因素與水位的動(dòng)態(tài)關(guān)系模型[5,7]，利用Simulink環(huán)境的功能模塊，完成余熱溫度波動(dòng)下的鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)。

本仿真系統(tǒng)只分析溫度波動(dòng)下的水位動(dòng)態(tài)特性，待系統(tǒng)平穩(wěn)后，在500 s時(shí)采用階躍信號(hào)的方式，加入10%的溫度波動(dòng)(15 ℃)，并與常規(guī)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　汽包水位動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)曲線對(duì)比圖

由圖2可以看出，考慮溫度擾動(dòng)后，最大汽包水位偏差由常規(guī)PID的5.2 mm減少到2.9 mm；增加溫度波動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)時(shí)間由常規(guī)PID的86 s縮短到78 s，從而表明本文所提方法的優(yōu)越性。

利用和利時(shí)MACSV系統(tǒng)，構(gòu)建汽包水位模糊控制算法組態(tài)程序，并應(yīng)用于某冶煉廠的余熱發(fā)電系統(tǒng)。每隔1 h采集一次數(shù)據(jù)，一周的運(yùn)行情況與原系統(tǒng)的比較結(jié)果如圖3所示。

由圖3分析可知，通過將溫度波動(dòng)信號(hào)引入到汽包水位控制算法中，汽包水位的最大偏差僅為32 mm，遠(yuǎn)低于原有系統(tǒng)的61 mm，且90%以上的水位偏差數(shù)據(jù)點(diǎn)均集中于(-20 mm,20 mm)之間，效果明顯優(yōu)于原有的PID控制方法，控制效果良好。

圖3　工業(yè)應(yīng)用汽包水位控制效果對(duì)比圖

5結(jié)束語

為使余熱發(fā)電系統(tǒng)的鍋爐汽包水位控制方法更加符合現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)律，在分析溫度波動(dòng)影響汽包水位動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，通過模糊控制方法將溫度波動(dòng)信號(hào)引入到三沖量PID控制算法中，形成考慮溫度波動(dòng)的汽包水位模糊控制方法。最后通過系統(tǒng)仿真和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用結(jié)果，驗(yàn)證所提方法在減少超調(diào)量、縮短穩(wěn)態(tài)時(shí)間、抗干擾能力等方面的優(yōu)勢(shì)。

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Fuzzy Control Method for Boiler Drum Water Level under Temperature Fluctuation

Abstract：For waste heat power generation,the control of boiler drum water level becomes difficult due to the temperature fluctuation of flue gas,to solve this problem,the fuzzy control method for drum water level under temperature fluctuation is proposed.Through analyzing the dynamic characteristics of drum water level under temperature fluctuation,by using fuzzy control method,based on existing three-element PID control algorithm,the temperature deviation and deviation rate of the flue gas are introduced into the control algorithm of drum control level to revise the set-point of feed-water flow,thus the influence caused by temperature deviation of flue gas is restrained,and the drum water level is stabilized.The results of system simulation and practical engineering application verify the effectiveness and feasibility of the method proposed.

Keywords:Waste heat power generationDrum water levelFuzzy controlThree-element controlTemperature fluctuationDynamic characteristicPIDRevisionBoiler

中圖分類號(hào)：TH811;TP273+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605022

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61503131)；

湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14C0327)；

湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014HZX14)。

修改稿收到日期：2015-03-24。

第一作者劉建華(1981-)，男，2013年畢業(yè)于中南大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，講師；主要從事復(fù)雜工業(yè)過程控制、數(shù)據(jù)挖掘等方向的研究。