汽包水位的自抗擾控制系統的研究

姚美蓮

(東莞市技師學院,廣東東莞 523112)

汽包水位的自抗擾控制系統的研究

姚美蓮

(東莞市技師學院,廣東東莞 523112)

針對汽包鍋爐水位的特點,本文提出了汽包水位的自抗擾控制方法,該自抗擾控制系統在單沖量控制系統的基礎上采用三沖量串級控制系統控制水位,其中內環控制采用比例控制,外環控制采用自抗擾控制。自抗擾控制器通常由非線性跟蹤微分器、非線性擴張狀態觀測器和非線性狀態反饋控制率組成。仿真結果表明,該控制方法具有更好的控制性能,能夠精確快速平滑控制,魯棒性和抗干擾能力遠優于常規PID控制。

汽包水位 PID 自抗擾

鍋爐的汽包水位參數是衡量鍋爐安全運行的重要標志，體現了給水量與蒸汽流量之間的動態平衡關系。蒸汽流量增加時，容易使得過熱器積垢，損壞管道，從而汽包水位不能過高。當汽包水位過于滿水時，容易造成蒸汽溫度下降，對汽輪機葉片造成嚴重的水沖擊以至于腐蝕而破壞。當汽包水位過低時，容易破壞水循環，出現嚴重的缺水使水冷壁的安全受到破壞或威脅[1]。因此，傳統的PID控制很難對各種工況下的汽包水位控制好。由于自抗擾控制器是在汲取了PID控制的精華，融入了現代控制理論，使其具有良好的控制性能。

1 自抗擾控制器

自抗擾控制技術是一種建立在PID控制的基礎上，結合了PID和現代控制理論的成果。它最初由韓京清研究員提出，成功應用在風力發電中。自抗擾控制器主要由3部分組成，它們是一個非線性跟蹤微分器，一個非線性狀態誤差反饋控制器和一個非線性擴張狀態觀測器。跟蹤微分器的作用為控制系統的暫態提供過渡過程，使得控制系統響應更快且無超調。非線性狀態誤差反饋率可以認為是整個自抗擾控制器的神經中樞，為被控對象提供控制輸入，采用比例微分控制結合最優綜合函數，使得自抗擾控制由PID的連續控制轉化為非線性控制。非線性擴張狀態觀測器為自抗擾控制器提供實時的估計變量，把被控對象及其擾動轉化為積分串聯型結構。一般來說，只要某個控制器具有非線性狀態擴張器或其他觀測器，可以估計擾動并補償，就可以稱其控制方法為自抗擾控制。一般高階對象都可以近似轉化為二階對象。

2 自抗擾控制器在汽包水位上的應用

火電廠的汽包鍋爐水位的典型三沖量控制結構如圖1所示。圖中的H為被控對象汽包水位，D為蒸汽流量，W為給水流量。H0為汽包水位的設定值，Gd蒸汽流量對汽包水位的傳遞函數，Kd為蒸汽流量測量變送器的傳遞函數，Kw為給水流量的傳感變送器，Kh為汽包水位的傳感變送器的傳遞函數。Kv為控制調節閥的傳遞函數，Gb為蒸汽流量擾動的前饋傳遞函數，Gf為給水流量擾動的反饋傳遞函數。Gc1為內環PID控制器的傳遞函數，Gc2為外環調節器的傳遞函數。

圖1 鍋爐汽包水位的典型的串級自抗擾控制系統

某鍋爐在某一運行工況下的水位傳遞函數的及參數為：

2.1 PID和自抗擾的魯棒性單位階躍對比試驗

從(圖2)可以看出，PID串級控制系統在參數不變的情況下基本滿足控制要求，但是當汽包鍋爐水位的參數發生變化時，調節時間和超調量明顯變大進而發散不能控制；而自抗擾串級控制的調節時間更短、超調量更小、抗干擾能力更強，且對于參數的變化不太敏感，具有較強的魯棒性。

圖2 魯棒性對比試驗

2.2 PID和自抗擾的蒸汽擾動單位階躍對比試驗

在300s加入蒸汽擾動，當蒸汽流量擾動為蒸汽流量D在25%外擾時，PID與自抗擾的對比試驗如(圖3)所示。從圖中可以看出，PID抗蒸汽擾動能力較弱，當加入蒸汽擾動時，水位發生了振蕩并經過數次振蕩才漸趨平衡狀態，而自抗擾抗擾能力更強，幾乎不受蒸汽擾動太大影響。

圖3 蒸汽擾動對比試驗

3 結語

自抗擾控制系統對非線性、強干擾、時變性、時不變性、不確定性、強耦合和大時滯等復雜系統均具有較好的控制性能，是一種非常實際運用的非線性魯棒控制器。鍋爐汽包水位的自抗擾控制效果比常規PID控制等方案控制效果較好，它具有水位的抗干擾性更高、恢復能力更強、魯棒性更強、算法簡單等特點，能夠有效控制汽包水位等比較復雜的熱工對象，具有一定的實際應用價值。

[1]王東風,韓璞,王國玉.鍋爐汽包水位系統的預測函數控制[J].華北電力大學學報,2003,30(3)：44-471.

[2]韓京清.自抗擾控制器及其應用[J].控制與決策,1998,13(1)：19-231.