基于仿人智能PID控制器的汽包水位控制

摘要：在分析傳統三沖量汽包水位調節系統性能不足的基礎上，提出了基于仿人智能PID三沖量控制系統的改造方案， 對蒸汽鍋爐汽包水位采用智能控制思想實現閉環恒值控制。本文介紹了控制系統的主要控制思想以及控制系統的實現。

關鍵詞：汽包水位 仿人智能PID 三沖量

1. 引言

蒸汽鍋爐汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結垢和影響蒸汽質量。水位過低，則會破壞水循環，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋爐安全運行的必要條件之一。

傳統的鍋爐汽包水位控制策略包括基于PID 控制的單沖量、引入蒸汽流量前饋的雙沖量和給水流量閉環串級三沖量控制等[1]。目前各種鍋爐汽包水位絕大多數采用三沖量控制方案。三沖量水位控制系統以鍋爐汽包水位作為主控信號，實時檢測鍋爐的蒸汽流量作為前饋信號，給水流量為控制器的反饋信號來控制給水流量，它以物料平衡關系為依據，能適應負荷的快速變化，它不僅能克服“虛假水位”的影響，也能克服由于給水壓力和汽包壓力變化等因素引起給水流量變化的影響，從而使系統有更好的動態響應和靜態特征。但三沖量汽包水位控制系統PID參數選擇關系很大，不容易整定，隨著設備運行時間的增加及環境因素變化，這三個參數可能需要不定期的重新整定，控制效果常出現大的振蕩和超調[2]。借助于三沖量控制策略的結構， 通過智能方法來對PID 控制器的參數進行整定或直接采用先進控制策略成為目前研究的熱點。本文基于鍋爐汽包水位的三沖量控制策略，采用一種仿人智能PID 控制方法，實際應用表明該控制方案能夠獲得理想的控制效果。

2. 控制系統設計

神華哈爾烏素露天礦集中供熱鍋爐房是神華哈爾烏素露天礦供熱系統的熱源，現裝備20T循環流化床蒸汽鍋爐三臺，低溫采暖換熱器兩臺、上煤皮帶、水處理等其他輔助設備。整個鍋爐車間選用西門子公司S7-414H構成一套冗余容錯熱備控制系統實現鍋爐水位自動控制、鍋爐燃燒自動控制、低溫采暖溫度自動控制和上煤、水處理等其他輔助設備的集中控制。控制系統構成如圖1所示。

由圖1可以看出，為了保證系統的可靠性，系統的主要部件包括電源模塊（PS）、CPU模塊（S7-414H）、通訊模塊（SM341）、通訊網絡（ProfiBUS）、通訊接口模塊（IM153-2）均采用冗余結構。其中蒸汽流量變送器、給水流量變送器、汽包水位變送器、AI模塊、CPU模塊、ProfiBus現場總線、水泵變頻器和給水泵構成汽包水位自動控制系統。

3. 串級三沖量水位控制

蒸汽鍋爐汽包水位控制的調節量是給水流量，通過對給水流量的調節，使汽包內部的物料達到動態平衡，汽包水位的變化在允許范圍之內。但是蒸汽鍋爐在負荷(蒸氣流量)急劇增加時，卻表現為“逆響應特性”，變現為“虛假水位”，造成這一現象的原因是由于負荷增加導致汽包壓力下降時，汽包內水的沸點溫度下降，沸騰突然加劇，形成大量氣泡而使水位抬高。以汽包水位為唯一調節信號的單回路恒值控制系統對汽包的假水位現象會發出相反的補償動作，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度以致發生事故。

如果利用蒸汽流量變化信號對給水量進行補償控制，就可以減小和消除“虛假水位”現象對汽包水位的影響，從而減少水位的波動，改善控制品質。同時為了對變頻調速給水泵的工作特性進行靜態補償和克服蒸汽壓力、給水壓力變化引起的給水流量擾動，將給水流量信號作為副參數，構成圖2所示的三沖量控制系統：

其中：H:汽包水位；

W:給水流量；

D:蒸汽流量；

γD：蒸汽流量變送器的傳遞系數；

γW：給水流量變送器的傳遞系數；

γH：汽包水位變送器的傳遞系數；

αD：蒸汽流量變送器的靈敏度；

αw：給水流量變送器的靈敏度；

Kz：變頻調速器特性系數；

Kp：給水泵的特性系數；

Δf：蒸汽流量和給水流量差值。

GW(s)：給水流量擾動下水位變化的傳遞函數；

GD(s)：蒸汽流量擾動下水位變化的傳遞函數；

水位調節控制器GC1(s)采用仿人智能PID控制算法，該算法在選用汽包水位誤差e(k)和汽包水位誤差變化量Δe(k) 作為控制器的輸入變量的基礎上，還選用蒸汽流量和給水流量差值Δf(k)作為控制器的輸入變量，實時整定PID參數，克服虛假水位引起PID飽和以及系統振蕩和超調。給水流量調節控制器GC2(s) 采用仿人智能PID控制算法以快速消除給水擾動[3]，控制器GC2(s)除了接受主調節器的設定信號外，還接受蒸汽流量信號作為前饋信號對給水流量進行前饋控制，抵消由于虛假水位引起的反向作用，減少水位和給水流量的波動幅度。

4. 仿人智能PID控制算法及其實現

仿人智能控制是人工智能、控制理論和計算機科學的交叉結合，其基本思想是采用分層控制機理，在上層采用智能控制方法，模擬具有豐富控制經驗的操作人員的行為，通過特征辨識最大限度的判別當前的工作狀態。在底層采用常規PID控制方法，對辨識出的狀態配置相應的PID參數，從而實現多模態控制和決策[4]。算法采用產生式規則對專家經驗進行描述，規則表示為：IF（condition）THEN(action)

這種基于規則的符號化模型適用于描述因果關系，定性的非解析關系，便于表達人的直覺推理邏輯和各種定性的模糊信息，推理和決策迅速準確。

水位調節控制器GC1(s)仿人智能PID控制算法選用汽包水位誤差e(k) 、汽包水位誤差變化量Δe(k)、蒸汽流量和給水流量差值Δf(k) 作為控制器的輸入變量，描述系統的動態特征，表征其所處的工作狀態。控制器輸出v(k)的控制算法如圖3所示。其中：em(k)為汽包水位誤差e的第k個極值；k1：調節增益放大系數，k1>1；k2為調節抑制系數，0M2；C1，C2為設定的蒸汽流量和給水流量差值界限，C1>C2；

給水流量調節控制器GC2(s)仿人智能PID控制算法選用流量誤差e(k) 、流量誤差變化量Δe(k)作為控制器的輸入變量，描述系統的動態特征，表征其所處的工作狀態。控制器輸出u(k)的控制算法如圖4所示。其中：em(k)為流量誤差e的第k個極值；k1：調節增益放大系數，k1>1；k2 為調節抑制系數，0M2；

5. 結論

本文基于鍋爐汽包水位的三沖量控制策略， 采用一種仿人智能PID控制算法，用以克服蒸汽流量變化產生的擾動。該控制系統在神華準能黑實公司哈爾烏素露天礦3臺20T/h循環流換床蒸汽鍋爐的實際使用證明，采用基于仿人智能PID汽包水位三沖量控制策略的自動控制系統能在鍋爐負荷波動情況下調節給水量汽包水位維持穩定，系統的控制性能得到大幅度的提高，也充分表明了該控制策略在解決汽包水位存在的大滯后、特性時變等熱工控制難題的有效性。

參考文獻：

[1] 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(3):5-10.

[2] 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，2006，12(1):72-74.

[3] 劉金餛.智能控制[M].北京:電子工業出版社，2005，85-104.

[4] 吳振奎等.水溫水壓仿人自動控制系統.內蒙古科技大學學報[J]，2007，4.