溫度波動下的鍋爐汽包水位模糊控制方法

劉建華　李哲姝

(湖南工業大學電氣與信息工程學院1，湖南 株洲　412007；湖南工業大學思想政治理論課教學科研部2，湖南 株洲　412007)

溫度波動下的鍋爐汽包水位模糊控制方法

劉建華1李哲姝2

(湖南工業大學電氣與信息工程學院1，湖南 株洲412007；湖南工業大學思想政治理論課教學科研部2，湖南 株洲412007)

摘要：針對余熱煙氣溫度波動引起鍋爐汽包水位難以控制的問題，提出了溫度波動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下的汽包水位動態特性，在已有PID三沖量控制算法的基礎上，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，以修正給水量設定值，抑制煙氣溫度波動造成的影響，穩定汽包水位。系統仿真和實際工程應用結果驗證了所提方法的有效性、可行性。

關鍵詞：余熱發電汽包水位模糊控制三沖量控制溫度波動動態特性PID修正鍋爐

0引言

為發展循環經濟，某冶煉廠利用3臺鋅沸騰焙燒余熱鍋爐和1臺燃煤鍋爐產生的熱能進行發電[1]。其中，汽包水位間接反映了鍋爐負荷和給水的動態平衡[2-3]。水位過高，會影響汽水分離；過低，又會破壞水循環，嚴重時損壞設備[4]。

為使汽包水位維持在允許范圍內，三沖量控制、模型預測控制等方法得到了廣泛應用[5-8]。然而，現有的方法大多只考慮汽包水位實時狀態，而忽視了蒸汽參數的影響。事實上，當余熱煙氣溫度變化時會改變鍋爐吸熱量和蒸汽量，影響汽包水位。同時，現場操作人員往往也會根據余熱煙氣溫度變化趨勢，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，設計了溫度波動下的鍋爐汽包水位模糊控制方法。該方法不僅符合現場操作規律，對提高汽包水位的控制水平也具有重要意義。

1控制對象動態特性分析

1.1給水流量擾動下的動態特性

當加大給水流量時，溫度較低的給水在進入水循環系統時會吸取一部分熱量，引起汽包和汽水管路中的熱量損失，導致汽包體積減少，水位下降。直至水面下汽包容積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才會因儲水量的增加而上升。

1.2蒸汽流量擾動下的動態特性

蒸汽流量的增加會引起汽水混合物的汽、水比例發生變化，導致汽包水位上升，造成“虛假水位”現象。另外，隨著蒸汽流量的增加，汽包氣壓下降，爐水沸點下降。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余熱煙氣溫度波動下的動態特性

當余熱煙氣溫度增加時，鍋爐吸熱量增加，蒸發量增加，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量的雙重影響，水位先升高后降低。同樣，當余熱煙氣溫度降低時，汽包水位呈現先下降后上升的趨勢。

2模糊控制系統

為抑制余熱煙氣溫度波動對汽包水位的影響，在前饋-串級三沖量模糊PID控制器的基礎上[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的控制方案。圖1中，蒸汽流量、余熱煙氣溫度為前饋信號，給水流量為串級信號。

圖1　汽包水位模糊控制框圖

如圖1所示的控制系統，主PID控制器根據汽包水位的反饋信號修正給水給定值，輸出值由蒸汽流量前饋信號、余熱煙氣溫度前饋信號、水位偏差前饋信號進行修正；修正后的輸出值再由給水流量信號修正，經副PID計算給水調節閥輸出值，完成給水流量的控制，實現汽包水位的穩定控制。模糊控制器1用于跟隨余熱煙氣溫度的變化狀態，以余熱煙氣溫度偏差和偏差變化率作為輸入，輸出量用于修正內環水流量的設定值；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。

3模糊控制器設計

結合系統特點，設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]，對應的語言變量分別設為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{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NL、NM、PS、O、PS、PM、PL}，其量化論域為：{-6，-5，-4，…，0，…，+4，+5,+6}。輸出語言變量值定義為{關大，關中，關小，保持，開小，開中，開大}，簡記為{CF，CM，CS，H，OS，OM，OF}，對應的量化論域為：{-6，-5，-4，…，0，…，+4，+5，+6}。

輸入模糊變量通過模糊規則與輸出模糊變量建立關系。在考慮模糊控制規則時，選取控制量的原則為：當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當誤差小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為出發點。結合實際操作經驗，歸納出余熱煙氣溫度和水位偏差的模糊控制規則分別如表1和表2所示。

表1　余熱煙氣溫度模糊控制規則表

表2　水位偏差模糊控制規則表

依據模糊控制規則，結合輸入模糊量，利用Mamdani推理法計算輸出控制量[10]。對于模糊控制器1，設控制系統的控制規則為：

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為對應于Ai、Bj的語言變量值。

則有模糊關系：

Rij=Ai×Bj×Uij

(2)

同理，將所有的模糊關系元Rj作并運算，得到總的模糊關系:

Rv=R1∪R2∪Rn×m

(3)

則對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)

經過模糊推理計算出的控制量仍是模糊量，需進行反模糊化處理才能用于修正給水量，本文采用加權平均法進行反模糊化處理[11]。

4系統仿真與工程應用

根據汽包水位控制系統框圖，借助Matlab環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編輯器構造輸入、輸出變量的論域及相關隸屬度函數參數。同時，結合汽包水位影響因素與水位的動態關系模型[5,7]，利用Simulink環境的功能模塊，完成余熱溫度波動下的鍋爐汽包水位模糊控制系統。

本仿真系統只分析溫度波動下的水位動態特性，待系統平穩后，在500 s時采用階躍信號的方式，加入10%的溫度波動(15 ℃)，并與常規PID控制系統進行比較，仿真結果如圖2所示。

圖2　汽包水位動態特性響應曲線對比圖

由圖2可以看出，考慮溫度擾動后，最大汽包水位偏差由常規PID的5.2 mm減少到2.9 mm；增加溫度波動后的穩態時間由常規PID的86 s縮短到78 s，從而表明本文所提方法的優越性。

利用和利時MACSV系統，構建汽包水位模糊控制算法組態程序，并應用于某冶煉廠的余熱發電系統。每隔1 h采集一次數據，一周的運行情況與原系統的比較結果如圖3所示。

由圖3分析可知，通過將溫度波動信號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，遠低于原有系統的61 mm，且90%以上的水位偏差數據點均集中于(-20 mm,20 mm)之間，效果明顯優于原有的PID控制方法，控制效果良好。

圖3　工業應用汽包水位控制效果對比圖

5結束語

為使余熱發電系統的鍋爐汽包水位控制方法更加符合現場操作規律，在分析溫度波動影響汽包水位動態特性的基礎上，通過模糊控制方法將溫度波動信號引入到三沖量PID控制算法中，形成考慮溫度波動的汽包水位模糊控制方法。最后通過系統仿真和實際工業應用結果，驗證所提方法在減少超調量、縮短穩態時間、抗干擾能力等方面的優勢。

參考文獻

[1] 張興儉.根據鍋爐實際工藝的汽包水位三沖量調節[J].自動化技術與應用,2009,28(6):86-88.

[2] 張松蘭.工業鍋爐汽包水位的模糊控制方案設計[J].武漢理工大學學報.信息與管理工程版,2009,31(2):217-219.

[3] 張坤,王華,王建軍,等.余熱鍋爐汽包水位的模糊神經控制仿真研究[J].控制工程,2010,17(S1):73-77.

[4] 鄒濤,劉紅波,李少遠.鍋爐汽包水位非自衡系統的預測控制[J].控制理論與應用,2004,21(3):386-390.

[5] 張向,陸繼東,盧志民,等.基于模糊方法和前饋補償的汽包水位控制方法[J].華中科技大學學報:自然科學版,2012,40(11):111-114.

[6] 周佳,曹小玲,劉永文.鍋爐汽包水位控制策略的現狀分析[J].鍋爐技術,2005,36(1):5-10.

[7] Man G N.Auto-tuned PID controller using a model predictive control method for the steam generator water level[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2001,48(5):1664-1671.

[8] 汪陽華.基于粒子群算法的鍋爐主蒸汽壓力模糊PID控制[J].湖南工業大學學報,2012,26(5):62-66.

[9] 韓光信,施云貴,胡憶溈.先進PID在鍋爐汽包水位控制中的應用研究[J].微計算機信息,2006,22(34):72-74.

[10]唐少先,陳建二,張泰山.Mamdani模糊系統I/O關系的表示及隸屬函數優化[J].控制理論與應用,2005,22(4):520-526.

[11]Zdenko K,Stjepan B.Fuzzy controller design:theory and applications[M].Florida:CRC Press Inc.,2006.

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：TH811;TP273+.4

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605022

國家自然科學基金資助項目(編號：61503131)；

湖南省教育廳科學研究基金資助項目(編號：14C0327)；

湖南工業大學自然科學研究基金資助項目(編號：2014HZX14)。

修改稿收到日期：2015-03-24。

第一作者劉建華(1981-)，男，2013年畢業于中南大學控制科學與工程專業，獲博士學位，講師；主要從事復雜工業過程控制、數據挖掘等方向的研究。