鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的在線調(diào)整

鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的在線調(diào)整

制動(dòng)鍋是工業(yè)和民用部門不可或缺的重要?jiǎng)恿挝?。它?fù)責(zé)化工廠、燃料廠、石油氣候、酒精飲料等。鍋爐控制系統(tǒng)的水平也已經(jīng)成為衡量鍋爐性能的一個(gè)重要因素。在實(shí)際運(yùn)行中,自動(dòng)控制是保證鍋爐安全高效運(yùn)行的保證。1鍋爐水位控制汽包水位是鍋爐給水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的主要指標(biāo)。水位高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢,影響傳熱效率,嚴(yán)重的將引起過熱器爆管;水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán),引起水冷壁局部過熱而爆管。大容量鍋爐汽包的體積相對(duì)較小,液位的時(shí)間常數(shù)很小;若給水不及時(shí),數(shù)十秒之內(nèi)就可能達(dá)到危險(xiǎn)水位。所以鍋爐水位控制顯得非常重要。目前常用的汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量控制方式,它是在傳統(tǒng)的單回路PID控制的基礎(chǔ)上,再引入前饋控制環(huán)節(jié),構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。然而在實(shí)際運(yùn)行中,對(duì)于負(fù)荷比較穩(wěn)定、煤質(zhì)比較固定、燃燒比較平穩(wěn)的鍋爐,汽包水位的自動(dòng)控制系統(tǒng)一般可以投入自動(dòng);而如果蒸汽用量突然增加,汽包壓力會(huì)因此降低,依靠爐水的蓄熱使蒸汽產(chǎn)量增加,這時(shí)汽包中水下的汽泡迅速增加,將整個(gè)水位抬高,造成虛假的水位上升現(xiàn)象,即所謂“虛假水位”現(xiàn)象。因此在負(fù)荷大幅變化時(shí),常規(guī)的PID控制不能滿足自動(dòng)控制的需要,仍需運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)。本文針對(duì)汽包鍋爐給水過程的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了帶有參數(shù)在線自校正模糊PID控制器的三沖量控制算法,實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制。2沖量控制系統(tǒng)的組合在傳統(tǒng)的手工操作中,現(xiàn)場(chǎng)操作人員在調(diào)整汽包水位時(shí)觀察的對(duì)象過程參數(shù)為:汽包實(shí)際水位與水位設(shè)定值偏差、給水調(diào)節(jié)閥與負(fù)荷(蒸汽流量或用汽量)等。然后操作給水調(diào)節(jié)閥并觀察水位是否恢復(fù)到設(shè)定值。自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)正是要體現(xiàn)這一反映人的思維的給水調(diào)節(jié)過程。因而,引入了三個(gè)測(cè)量信號(hào):汽包水位、給水流量和蒸汽流量,并用模糊控制算法推算出相應(yīng)的控制參數(shù),并應(yīng)用于這個(gè)三沖量控制系統(tǒng)中。整個(gè)控制系統(tǒng)形成兩個(gè)閉合回路:其一是給水流量測(cè)量裝置、調(diào)節(jié)算法、給水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的回路,稱為水流量回路,也稱內(nèi)回路,其作用是消除給水側(cè)的擾動(dòng),穩(wěn)定給水流量,在水位控制中起輔助作用;其二是由水位變送器、調(diào)節(jié)算法、整個(gè)內(nèi)回路及對(duì)象控制通道所構(gòu)成的回路,稱水位回路,也稱外回路,其作用是消除各種擾動(dòng)對(duì)水位的影響,維持汽包水位接近給定值。蒸汽流量信號(hào)是前饋信號(hào)。在回路中只形成開環(huán),不影響上面兩個(gè)閉環(huán)的穩(wěn)定性。它在系統(tǒng)中的作用有兩個(gè):(1)改善蒸汽量干擾下對(duì)水位的控制品質(zhì),克服虛假水位所引起的調(diào)節(jié)算法的誤動(dòng)作輸出;(2)與給水流量信號(hào)配合,達(dá)到所希望的水位。汽包模糊控制原理圖見圖1。3pid控制器設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的PID控制算法為:u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫t0e(t)dt+Tdde(t)dt](1)u(t)=Κp[e(t)+1Τi∫0te(t)dt+Τdde(t)dt](1)式中:Kp為比例增益;Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);e(t)為偏差函數(shù)。PID算法具體由增量式差分方程式來實(shí)現(xiàn):Δu(k)=KpE(k)+Ki∑E(k)+KdEc(k)(2)Δu(k)=ΚpE(k)+Κi∑E(k)+ΚdEc(k)(2)式中:E(k)為輸入變量偏差;∑E(k)=E(k)+E(k-1)為偏差之和;Ec(k)=E(k)-E(k-1)為偏差變化率。再加上積分分離、抗積分飽和、誤差最小化等方法的應(yīng)用,就是常規(guī)的PID控制方法了。但是,由于常規(guī)PID調(diào)整器不具有在線整定參數(shù)Kp、Ki及Kd的功能,致使其不能滿足在不同情況、不同條件中系統(tǒng)對(duì)PID參數(shù)的自整定要求,從而影響其控制效果的進(jìn)一步提高。所以,在這里我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)具有校正PID參數(shù)功能的PID控制器的算法。通過PID三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系(模糊控制規(guī)則),在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改,從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。4模糊在線自校正pid參數(shù)控制器模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理知識(shí),模擬人的模糊思維方法,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)行控制的一種智能控制系統(tǒng)。模糊控制不需要事先知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。自校正PID模糊控制用具有良好特性的模糊控制器取代了常規(guī)PID控制器,使得可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線修改,從而使被控對(duì)象有更好的性能。模糊在線自校正PID參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對(duì)值、偏差和的絕對(duì)值以及偏差變化率的絕對(duì)值的大小和調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)短,不斷地在線修正PID參數(shù)Kp、Ki、Kd。即以汽包水位的誤差e和誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入量,以滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求,根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表,查出修正參數(shù),再代入下式計(jì)算:Kp=ΔKp+Kp?Ki=ΔKi+Ki?Kd=ΔKd+Kd?Κp=ΔΚp+Κp*Κi=ΔΚi+Κi*Κd=ΔΚd+Κd*式中:Kp、Ki、Kd為PID3個(gè)控制參數(shù)的取值;Kp*、Ki*、Kd*為PID參數(shù)基準(zhǔn)值;ΔKp、ΔKi、ΔKd為PID參數(shù)校正值。PID調(diào)節(jié)器的輸出值u到鍋爐給水流量調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)原理見圖2。4.1模糊語言變量論域選取汽包水位偏差E(k)、偏差和∑E(k)=E(k)+E(k-1)和偏差變化Ec(k)=E(k)-E(k-1)為在線自校正環(huán)節(jié)的輸入語言變量,ΔKp、ΔKi及ΔKd為輸出語言變量。模糊化過程是通過比例變換因子將采樣獲得的具體值論域變換到模糊語言變量論域。設(shè)誤差e的基本論域?yàn)閇-e1,e1],誤差變化ec的基本論域?yàn)閇-e2,e2],各自的模糊語言變量論域?yàn)閇-n,n]和[-m,m],則量化因子為Ke=n/e1,Kec=m/e2。在這里,它們的模糊子集都取為七個(gè)值:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。相應(yīng)的模糊論域?yàn)?E(k),∑E(k),Ec(k)={-3,-2,-1,0,1,2,3}ΔKp,ΔKd={-3,-2,-1,0,1,2,3}ΔKi={-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6}上述參數(shù),是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試,由汽包水位的波動(dòng)情況得出的經(jīng)驗(yàn)。E(k),∑E(k),Ec(k),ΔKp,ΔKd隸屬度函數(shù)見圖3;ΔKi隸屬度函數(shù)見圖4。4.2當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)小某的情況下,kp、ki、kp時(shí)(1)當(dāng)e較大時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能,應(yīng)取較大的Kp與較小的Kd,同時(shí)為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,通常取Ki=0。(2)當(dāng)e和ec中等大小時(shí),為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào),Kp應(yīng)取得小些。在這種情況下,Kd的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大,應(yīng)取得小一些,Ki的取值要適當(dāng)。(3)當(dāng)e較小時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能,Kp與Ki均應(yīng)取得大些,同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩,并考慮系統(tǒng)抗干擾性能,當(dāng)ec較大時(shí)Kd可取得小些;ec較小時(shí)Kd可取大一些。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)原則,我們可以歸納出參數(shù)模糊控制規(guī)則表,見表1、表2、表3。最后,根據(jù)汽包水位的誤差e和誤差變化量ec,直接查找模糊控制規(guī)則表得出校正量,用重心法將其去模糊轉(zhuǎn)化為清晰量,分別乘以量化因子求得最終結(jié)果ΔKp、ΔKi、ΔKd,將其與PID基準(zhǔn)值Kp*、Ki*、Kd*分別相加得到PID參數(shù)Kp、Ki、Kd,然后按照常規(guī)的PID運(yùn)算計(jì)算控制器輸出量到給水流量調(diào)節(jié)器。5pid影響下kp、ki對(duì)穩(wěn)態(tài)下kp、ki率以及kp、ki率的影響鍋爐汽包水位模糊自適應(yīng)PID控制策略已在江蘇蘇鋼集團(tuán)有限公司3號(hào)爐的控制系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。具體情況見圖5。由于采用了模糊控制的方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,在偏差較大時(shí)使Kp增大,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,在中間過程抑制了系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)的超調(diào),在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)Kp、Ki增大,Kd減小,使系統(tǒng)縮短了穩(wěn)態(tài)時(shí)間,抑制了振蕩。與傳統(tǒng)的PID控制器相比,控制精度高,動(dòng)態(tài)性能好,而且參數(shù)整定方便。6建立人工控制規(guī)則組織控制決策表利用模糊控制易于實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制的特點(diǎn),將模糊自適應(yīng)控制算法應(yīng)用