研究论文锅炉汽包水位预测控制赵长祥,徐治皋(东南大学,江苏南京210096)[摘]要根据锅炉汽包水位的动态特点,提出了汽包水位预测控制方案。仿真试验表明,该方案比常规三冲量控制方案更接近于理想控制效果,且阀门动作平稳,有利于长期有效地控制。[关键词]锅炉;汽包;汽包水位;预测控制;串级三冲量控制[中图分类号]TK223.1+3[文献标识码]A[文章编号]10023364(2003)11004504锅炉汽包水位控制是当前汽包炉的主要调节系统之一。目前,大多数电厂仍然采用三冲量控制方案,但是随着机组容量的增大,这种控制方案越来越不能满足要求。为了进一步提高控制品质,充分发挥现代控制设备功能,本文根据汽包水位动态对象特点,设计了锅炉汽包水位预测控制方案。仿真试验表明:与常规控制方案相比,该控制方案系统响应速度快,稳态效果好,因而具有很好的实用价值。2预测控制设计与算法2.1预测控制方案设计所谓预测控制就是根据控制对象的数学模型、控制对象实际的状态以及预测未来时刻有可能发生的变化计算控制量(图2(a))。由于采用了将预测控制思想与常规PID算法相结合的方法,故在很大程度上增强了预测控制抗内扰能力。1锅炉汽包水位的动态特性锅炉汽包水位的被控制量即汽包水位H,调节量是给水量W,前馈扰动为蒸汽流量D,数学模型如图1所示。其中给水流量与汽包水位之间的关系是无自平衡能力的,蒸汽流量的变化又容易引起汽包诱发虚假水位现象。图2(a)预测控制示意图1汽包水位动态特性数学模型2.2锅炉汽包水位控制的预测控制算法将汽包水位的数学模型作等效变换(图2(b)),图形很清楚地显示出2个惯性环节与1个积分环节(给水收稿日期:20021202作者简介:赵长祥,(1969),男,硕士生,曾在某合资电厂从事热工仪表及自动控制工作8年。热力发电?2003(11)ζο研究论文与蒸汽流量之差)的并联。将该图的3个环节分别写成下列离散表达式形式:(1)H1(z-1)=h1(z-1)ΔW(z-1)H2(z-1)=h2ΔD(z-1)k(2)(3)H3(z-1)=i=-∞∑(W-D)(k)因而,模型汽包水位的增量的表达式是:ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3(4)图2(b)等效锅炉汽包水位数学模型设计中,为了防止控制系统的设备动作幅度过急、过大,引入柔化系数a,通过a来柔化处理定值。(k设+p)采样时刻施加的理想定值为Hr,表达式如下(H0是外加的定值):Hr=apH(k)+(1-ap)H0p=(1-a)(H0-H(k))+H(k)3仿真实验(5)(0<a<1)计算控制信号时,假定系统的外部状态和控制信号在(k+p)采样时刻内保持不变,也就是说,D不变,控制信号W(理想控制指令)=W(k+1)=…=W(k+p),用下列公式计算模型汽包水位(k+p)时刻的增量(n是近似模拟汽包水位动态模型时为了验证控制方案的正确性,以某电厂的汽包水位作为被控对象,进行仿真试验,被控对象的相关控制参数如下:T1=30s,k1=0.037,T2=15s,k2=3.6预测控制器的参数:加权系数r=0.11,a=0.5,p=5(超前步数),采样周期2s(仿真图中的横坐标单)位是采样周期,纵坐标是与扰动对应的相对值。。的采样数目)。n-pΔH1(kh1(i))ΔW(i)p++p)=i=1∑(h1(iW(k+-p)+(6)3.1汽包水位定值扰动仿真h1(p)(W1))给水扰动流量和蒸汽扰动流量保持不变,即W=0,D=0,汽包水位定值H0施加单位阶跃扰动。预测控制定值扰动和串级三冲量控制水位定值扰动示意分别见图3(a)和图3(b)。i=1∑(h1(n)-h1(n-p+i))ΔW(p+1-i)n-pΔH2(k+p)=i=1∑(h2(i+p)pi=1-h2(i))ΔD(i)-h2(n(7)(8)+h2(p)(D(k)-D(k-1))+p+i))ΔD(p+1-i)∑(h2(n)ΔH3(k+p)=p×k1×(W-D(k))ΔH3(k+p)p):ΔH(k+p)=ΔH1(k+p)+ΔH2(k+p)+(9)设柔化后的定值增量与模型的增量误差为e(k+e(k+p)=(Hr-H(k))-ΔH(k+p)(10)图3(a)预测控制定值扰动取最佳性能指标函数:(11)J=e2(k+p)+r2(W-D(k))(r是加权系数)9J令(=0,即得控制指令W。9W-D)ο2003{热力发电?(11)由图可见,预测控制和常规串级三冲量相比,具备响应曲线上升快,超调量小,阀门动作平稳,调