基于GPC的鍋爐汽包液位控制研究

竇二飛 ，李紅星,2

（1. 北京聯合大學 信息學院，北京 100101；2. 北京聯合大學 自動化學院，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. 北京聯合大學 信息學院，北京 100101；2. 北京聯合大學 自動化學院，北京 100101）

0 引言

汽包液位是電廠鍋爐運行的重要參數，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，嚴重時會造成干鍋。其特殊的虛假水位現象必須提高警惕。同時，要克服蒸發量的擾動、燃料量的擾動、給水側擾動等多種因素的影響。

隨著現代工業生產過程對降低故障率、提高生產效率、節能降耗等提出越來越高的要求，對控制系統的精度和控制功能要求也越來越高。為此，需要在單回路的基礎上，組成“復雜”一些的控制系統，如前饋、串級、比值、分程等控制系統，其中前饋- 串級控制在石化、冶金、電力等過程控制中應用越來越廣泛。目前常規的前饋- 串級控制仍采用調節閥作為執行機構，但用調節閥控制能量損失大，而采用變頻水泵調節流量，調節效果明顯、快捷、節能降耗。

目前，關于汽包液位的先進控制策略的研究，主要是關于自校正PID控制，包括模糊自適應PID、神經自適應PID等方法，同時，也有復雜PID控制算法的研究。自校正PID控制算法實現了對控制參數的在線調整，隨著工況的改變，能及時調整參數以提高控制效果[1,2]。復雜PID對汽包液位的控制雖然算法簡單并能夠滿足基本的系統要求[3]。但是，工業現場環境復雜，機組參數存在時變性，所以PID控制策略的控制精度受到限制。

本文采用廣義預測控制和前饋控制融合的控制算法，對汽包液位進行控制。廣義預測控制是預測控制方法之一，具有預測控制的基本特點，包括參考模型、在線滾動優化和反饋校正，同時兼具自適應控制的性能。

1 汽包的工藝特點

電廠機組的鍋爐汽包，相對容量較小，液位變化速度很快。斷水數十秒內液位就會達到極限值，幾分鐘就可能造成事故，這就要求大機組采用給水全程控制。給水全程控制就是機組從啟動到帶滿負荷，負荷的升降、機組關停全部過程都實現給水自動控制。

電廠鍋爐汽包液位控制系統工藝流程如圖1所示，汽包由筒身和封頭組成，在鍋爐汽水循環中起中樞作用，汽包接收省煤器來的給水，與下降管、水冷壁、引出管組成閉合的水循環回路，可以儲存一定的水和蒸汽，以適應電廠負荷的突然變化，并提供過熱器飽和蒸汽，具有儲能作用。因此，汽包是加熱段、蒸發段和過熱段受熱面的連接點。標準液位為汽包中心線下150mm處，標準線上50mm處為最高安全液位，標準線下50mm為最低安全液位，當液位偏離標準線75mm時應及時采用緊急措施，保證鍋爐及汽包的安全。

圖1 汽包液位工藝圖

系統配套三臺給水泵，其中兩臺是各自容量為60%額定給水流量的汽動泵，分別由小汽輪機驅動，改變小汽輪機的轉速可以改變給水流量。一臺容量為總容量35%的電動給水泵，當機組負荷低于30%額定負荷時，電動給水泵運行。當機組負荷大于30%額定負荷時，運行汽動給水泵，給水泵的啟動和停止操作由機組自啟停程序控制。為了得到可靠的汽包液位信號，系統配置三套液位測量裝置，三個信號采用取中的方式自動選擇。給水流量的測量與液位測量一樣，也是三取中。蒸汽流量的測量分為汽輪機入口流量和旁路流量之和，汽輪機入口流量測量為三取中的方式，因此一個蒸汽流量的測量配置三套測量裝置。

2 廣義預測控制算法

廣義預測控制是一種自適應控制算法，能夠在保持最小方差自校正控制的在線辨識、輸出預測、最小輸出方差控制的基礎上，吸取了DMC和MAC中的滾動優化策略，兼具自適應控制和預測控制的性能。該算法基于參數模型，引入了不相等的預測長度和控制長度，系統設計靈活方便，具有預測模型、滾動優化和在線反饋校正等特征，呈現出優良的控制性能和魯棒性。根據系統辨識結果，可得

對系統的CARIMA模型，最小的j步最優預測控制y (k＋j | k)由下式求出

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

此時最優預測誤差為：性能指標函數可表示為如下矩陣形式

由于對象參數未知，所以要在線估計對象參數，實施自適應GPC算法。

3 實驗研究

3.1 模糊系統辨識

模糊建模在處理非線性對象上具有很大的優勢，模糊系統辨識分為模糊結構辨識和結論參數辨識，模糊結構辨識是模糊系統辨識的基礎，它決定了模糊系統精度。模糊結構辨識包括模糊規則的獲取、優化，輸入輸出空間的劃分，輸入變量的確定，隸屬度函數的確定，輸出空間函數結構的確定幾部分內容。本文將根據系統的特征，對輸入變量先進行模糊聚類，確定前提部分輸入變量的隸屬度函數分布，在這種劃分下，再辨識結論部分的參數。

在開環情況下，采集系統輸入輸出數據，采用基于模糊聚類和最小二乘參數辨識結合的算法，進行模糊系統辨識。

汽包液位隨給水流量變化的仿真研究如圖2所示，波動較大的曲線是實際系統采集的數據，因為實際生產環境存在噪聲干擾，平緩的曲線是模糊T-S模型的辨識曲線，可以看出T-S模型比較穩定且能較精確的逼近實際系統。

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系統仿真曲線能很好的逼近實際系統變化曲線。

圖3 汽包液位隨蒸汽流量變化曲線

3.2 控制器設計

鍋爐汽包液位控制系統結構圖如圖4所示，系統有兩個回路，主控回路采用廣義預測控制，內回路采用前饋控制[4]。

控制器算法如下：

1）設置初值 (0)和P (0),輸入初始數據，并設置控制參數如N1、N2、Nu，以及控制加權矩陣 、輸出柔化系數 、遺忘因子 等；

圖4 控制器結構

2）采樣當前實際輸出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時估計被控對象參數 ，即A、B的值；

4) 求解Diophantine方程（7），解出多項式Ej、Gj和 Fj；

5) 構造向量Yr、U (k－j)、Y (k)及矩陣G、F1、F2；

6) 計算并實施u (k)；

7) 返回（2） (k→k－j)，繼續循環。

根據系統特點，取參數N1＝d＝5，N2＝8，Nu＝2，輸出柔化系數 ＝0.5，期望輸出為幅值為10的階躍信號，初值P (0)＝106I， (0)＝0.001，遺忘因子 ＝1，仿真結果如圖5所示，其中波動為在蒸汽負荷增加10%時，液位變化的情形。前饋補償量可以通過系統辨識參數求得，蒸汽流量、給水流量與汽包液位變化的查分方程經過變形可以得到傳遞函數模型，繼而可以求得前饋補償器的規律。

圖5 無噪聲仿真圖

由于鍋爐的生產環境惡劣，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，參數取N1=d=5,N2=8,Nu=2,輸出柔化系數 ，期望輸出為幅值為10的方波信號，蒸汽擾動為零，仿真結果如圖6所示。

圖6 有噪聲仿真圖

4 結束語

工程應用中，鍋爐汽包液位控制系統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重影響。本文采用的自適應廣義預測控制，針對電廠鍋爐的特征及運行參數進行了在線辨識，同時結合傳統的前饋控制策略結合，對鍋爐汽包液位進行控制，從仿真圖像可以看出該算法可以很好的滿足控制要求，同時提高系統的控制精度，并且能夠對系統參數進行在線自適應辨識，這樣可以提高控制效果，減小負荷變化時的影響，較現有控制算法存在明顯改進的效果。

[1]鄭文杰. 基于模糊PID參數自調整的鍋爐汽包水位控制設計[J]. 水利電力機械, 2007, 1: 16-19.

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

[3]張樂. 鍋爐汽包水位控制系統的設計[J]. SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION, 2008, 19: 42-43.

[4]宋佳音. 預測控制在鍋爐汽包水位控制中的應用[J].林業機械與木工設備, 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行過程中的重要作用，分析了汽包的工藝特點，深入研究了廣義預

測控制算法，對汽包液位系統進行了基于模糊T-S模型的系統辨識，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中的應用，在MATLAB仿真環境下對其控制效果進行了研究，分析了控制系統的性能。

汽包液位；系統辨識；GPC

竇二飛 （1983－），男，內蒙古包頭人，碩士研究生，主要從事工業DCS系統集成技術和先進控制技術在DCS中的應用研究工作。

TP391

B

1009-0134(2011)4(下)-0054-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).16

2010-09-09

北京市教委科技發展規劃項目（KM201011417015）