基于數據驅動的鍋爐汽包水位串級控制

劉倩，石紅瑞

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

鍋爐是發電和供熱生產過程中的主要動力設備，汽包水位則是確保安全生產穩定性、經濟性以及提供優質蒸汽的重要監控參數之一，必須保持在某個期望值附近。它反映了鍋爐蒸汽量和給水量之間的一種動態平衡關系，水位高會導致蒸汽帶水進入過熱器并在過熱管內結垢，使傳熱效率和蒸汽品質下降，影響供汽的質量；過低時會破壞部分水冷壁的水循環，影響省煤器運行效率，甚至帶來干鍋和鍋爐爆炸的危險[1]。因此，汽包水位必須控制在一定范圍內，而影響汽包水位的因素很多，主要的是蒸汽流量和給水流量的波動。

數據驅動控制(DDC)是指控制器設計不包含受控過程數學模型信息，僅利用受控系統的在線或離線I/O數據以及經過數據處理而得到的知識來設計控制器，并在一定的假設下，有收斂性、穩定性保障和魯棒性結論的控制理論與方法[2-3]。DDC典型的控制方法有迭代學習控制[4]和無模型自適應控制(MFAC)[5]。本文在DDC理論的基礎上，結合MFAC和串級PID控制方式，提出了一種基于數據驅動的MFAC-PID控制方案應用于汽包水位控制，并在SMPT-1000半實物鍋爐仿真系統中進行了應用研究。

1 數據驅動控制

1.1 數據驅動控制理論

隨著信息科學技術的發展，許多工業生產的規模越來越大，工藝設備越來越復雜，對控制品質的要求越來越高，對這些工業過程進行機理建模或者辨識建模也變得越來越困難。因此，利用這些離線或在線的過程數據直接進行控制器設計，實現對于這些過程的有效控制，甚至實現對系統的檢測、預報、診斷和評估等，對完善控制理論具有十分重要的意義。

1.2 無模型自適應控制方法

MFAC的理論基礎是利用一個新引入的偽偏導數[6]PPD(pseudo partial derivative)，在受控系統軌線附近用緊格式、偏格式、全格式一系列的動態線性時變模型來替代一般非線性系統，然后基于該等價虛擬模型再利用受控系統的I/O數據在線估計系統的偽偏導數，從而實現非線性系統的MFAC。本文對非線性系統采用緊格式線性化方法[7]。

1.2.1非線性系統的線性化

一般SISO離散時間非線性系統輸入輸出關系如式(1)所示：

y(k+1)=f(y(k)，y(k-1)，…，
y(k-ny)，u(k)，u(k-1)，…，u(k-nu))

(1)

式中：u(k)，y(k)——系統在k時刻的輸入與輸出；nu，ny——系統的階數；f(…)——非線性函數。

式(1)的泛模型可以表示為

Δy(k+1)=φ(k)Δu(k)

(2)

式中：Δy(k+1)=y(k+1)-y(k)；Δu(k)=u(k)-u(k-1)；φ(k)——偽偏導數。

式(2)稱為式(1)的泛模型，它結構簡單，可將一個復雜的非線性系統轉化成一個帶有單參數線性時變系統。

1.2.2無模型自適應控制算法

MFAC算法如式(3)所示：

(3)

式中：ρ——步長序列；λ——權重因子，既限制了Δu(k)的變化，又可以避免式中分母可能為0的情況。

偽偏導數估計算法如式(4)所示：

(4)

1.2.3辨識與控制

2 MFAC-PID控制方案

針對汽包水位存在的滯后和慣性以及大擾動特性，如果采用僅以水位為被控變量的單回路系統，則控制過程中對內外干擾不靈敏，不能及時克服。為此，方案中考慮串級控制方式，內回路用PID控制來快速消除給水流量的擾動，外回路采用基于泛模型的MFAC控制，來適應給水過程中的不確定的大滯后和實現無靜差控制為主要目標。另外，實際過程中的蒸汽流量的干擾是可測的，作為前饋補償也引入了控制系統當中，一定程度上克服了虛假水位的影響。

基于上述思想設計的控制系統如圖1所示。圖1中，H，H0分別代表汽包實際水位和給定值；GW(s)，GD(s)分別為給水流量和蒸汽流量對汽包水位的傳遞函數。

圖1 汽包水位MFAC-PID串級控制系統示意

3 控制系統仿真研究

為驗證所設計控制方案的有效性，首先在Matlab/Simulink平臺上開發了MFAC模塊，其內部設計如圖2所示。圖2中，控制律算法和偽偏導數估計算法是通過M文件編寫S-Fuction來實現的，將其封裝為帶λ和ρ兩個參數的MFAC模塊，以便調用。MFAC-PID串級控制系統仿真如圖3所示。

圖2 無模型自適應控制模塊示意

圖3 MFAC-PID串級控制系統仿真示意

圖4 汽包水位控制仿真結果比較示意

圖4為MFAC-PID和PID仿真比較結果。從圖4可見： 在設定值階躍響應階段，PID串級控制算法的調整時間為350 s，其超調量約為50%；MFAC-PID串級控制算法的調整時間為250 s，其超調量為30%。在蒸汽擾動階段，PID串級控制算法的調整時間大于400 s，其超調量高達170%；MFAC-PID串級控制算法的調整時間約為250 s。在給水擾動階段，PID串級控制算法的震蕩回復時間約為250 s，其超調量約為20%；MFAC-PID算法的調整時間為200 s，其超調量為10%。

從以上數據可看出，MFAC-PID算法能更好地克服虛假水位現象出現時對系統的影響，在調節時間、超調量等方面的控制性能要優于傳統PID控制。

4 控制方案在SMPT-1000上的應用

SMPT-1000設備是一個完整的、基于實驗室環境的對工業現場在線化的半實物鍋爐仿真系統[9]。在SMPT-1000上包含汽包水位對象的實驗項目總貌如圖5所示，與汽包水位系統相關的檢測儀表與執行機構變量有： 鍋爐給水質量流量(FI1101)，過熱蒸汽質量流量(FI1105)，汽包水位(LI1102)，鍋爐上水管線控制閥(FV1101)，過熱蒸汽出口管線控制閥(FV1105)，鍋爐上水管線控制閥旁路閥(HV1101)。

PCS7是一種基于現場總線的過程控制系統，它兼具可編程控制器與分散控制系統的優點[9]。汽包水位控制系統在SMPT-1000設備上的實現，以PCS7為控制器，并進行SMPT-1000與PCS7的通信連接，運行系統，測試其控制效果。

在PCS7系統中完成硬件和軟件組態，而后用SCL語言編程實現MFAC算法，用CFC連接圖表組態控制系統。

控制系統參數整定后為： 主控制器參數ρ=0.8，λ=0.3，副控制器參數為KP=3，前饋增益為2.65，運行系統，并測試設定值階躍、蒸汽擾動和給水擾動下的控制效果，實驗結果如圖6～圖8所示。

圖5 鍋爐系統工藝流程示意

效果對比示意圖中，前半部分為MFAC-PID控制系統的響應曲線，后半部分為PID控制系統的響應曲線。從圖6～圖8可見： 在設定值階躍的情況下，MFAC-PID串級控制系統對于液位LI1102變化10%的正階躍響應超調約為17%，調節時間約為60 s；而PID控制下的正階躍響應超調有47%，調節時間約為130 s。在蒸汽擾動下，MFAC-PID控制使得汽包水位對于蒸汽閥門FV1105開度10%變化的階躍響應超調量為10%，且在35 s左右恢復穩態；而PID控制系統的超調量達33%，調節時間相對更長。在給水擾動下，對于HV1101開度10%變化，MFAC-PID控制的響應也好于PID控制，其超調量為10%，調節時間短。由此可見，MFAC-PID串級控制方案的控制效果更為理想，能很好地消除擾動對汽包水位的影響。

a) 汽包液位LI1102控制效果示意

b) 鍋爐給水流量FI1101控制效果示意

c) 過熱蒸汽流量FI1105控制效果示意圖6 設定值階躍下的控制效果對比

a) 汽包水位LI1102控制效果示意

b) 鍋爐給水流量FI1101控制效果示意

c) 過熱蒸汽流量FI1105控制效果示意圖7 蒸汽擾動下的控制效果對比

a) 汽包水位LI1102控制效果示意

b) 鍋爐給水流量FI1101控制效果示意

c) 過熱蒸汽流量FI1105控制效果示意圖8 給水擾動下的控制效果對比

5 結束語

本文基于DDC的基本思想，綜合MFAC和傳統PID控制的優點，設計了MFAC-PID串級控制系統，并將其應用到鍋爐汽包中。從以上的仿真效果和應用研究，達到了預期的效果，系統響應速度快，具有較好的魯棒性，在抑制干擾方面明顯優于傳統PID串級控制；從應用角度來看，它無需根據模型來設計系統，具有很好的可移植性，參數整定簡單，具有廣闊的應用前景。