摘要：锅炉是一个多输入输出、强耦合、不确定时滞的复杂控制对象，常规的控制器很难取得理想的控制效果。锅炉是发电厂的主要设备之一，是一个复杂的系统。具体而言是一个多输入（如负荷量、锅炉给水量以及燃料量等）、多输出（如汽包水位和烟气氧量等）的复杂控制系统，各系统变量之间还存在着强耦合关系，因此对锅炉的控制研究是一个复杂的课题。近年来主要集中在将人工智能技术应用到锅炉控制中，此外改进PID控制方面也是一个主要研究方向。本文主要是对锅炉热工过程先进控制策略进行了全面的分析，在这个基础上提出了下文中的一些内容，希望能够给予相同行业中的工作人员一定的参考。
关键词：锅炉热工；过程；先进控制；策略；分析
1导言
锅炉设备的主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量；主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。鉴于锅炉本身的复杂性，对锅炉实施控制时存在以下几个难点：首先系统存在严重耦合，例如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位，还会影响过热蒸汽温度和烟气氧量等；其次存在不确定时滞，如燃料量的变化对蒸汽温度、压力、汽包水位等的影响有不同的滞后，减温水量的变化对过热器出口蒸汽温度的影响有较大的滞后，这些时滞的大小还随着负荷状况的改变而改变。因此，锅炉是一个多输入、多输出且变量相互耦合并具有不确定时滞的复杂控制对象。由于锅炉变量关系较为复杂，而操作工人的经验相对较丰富。因此，近年来锅炉自动化研究主要集中在以下三个方面：一是在传统PID控制领域，利用其他方法和PID控制相结合来改善PID控制效果；二是应用人工智能和计算机科学的最新技术，开发专家控制系统、人工神经网络控制系统和模糊控制系统等；三是针对锅炉的强耦合性，开发解耦控制系统。
2锅炉热工过程先进控制策略研究现状
2.1关于PID控制的新进展
PID控制在线性控制中由于其结构简单、可以实现无差调节等优点因而得到了广泛应用。但是锅炉系统是一个强耦合非线性系统，如果不加以改进直接将PID控制引入到锅炉系统中，则取不到理想结果。目前，结合其他与PID控制，来解决传统PID不能处理的非线性及时滞性问题，在锅炉控制方面是一个热门研究方向。模糊预估PID法可以解决滞后问题而且也不用对被控对象进行精确数学建模，具体而言，就是在传统的PID控制前串一个模糊预估器，通过串联的预估器来补偿滞后的影响，值得一提的是预估器是通过模糊规章来进行输出预估，因而它并不需要像一般的Smith预估器一样进行精确建模，因而难度降低不少。模糊预估器预测K+L时刻的输出估计（当前时刻为K时刻）并将其与实际输出的差值进行PID控制。此方法可以方便简单的解决滞后带来的系统超频震荡问题，有效抑制扰动。除了通过模糊规章制定模糊预估器来补偿时滞，利用微分器和乘法器也可以构成补偿环节，主要思路是依据被控单元的大小和变化率、方向以及辅以时间因素来对被控量的偏差进行调节，经过这一提前补偿再进行PID控制，经过补偿后的控制系统的控制品质明显上升。模糊PID控制器可以实现对传统PID控制的主参数Kp、Ti进行实时的在线调整，这可以将PID控制的智能化程度大大提高，可以实现变参数控制功能，因此对于非线性时变性系统的控制作用得以提升。但是这一方法难度较大，模糊规则的建立主要是依据现场运行人员的经验以及专家知识经验，这就对设计人员素质提出了极大要求，设计人员个人素质对被控对象能否理想控制有很大影响。目前已有研究人员将这一方法具体应用到锅炉来控制一次风压并取得不错结果。将自适应与PID结合也是一个新型研究方向。可以采用分层递阶控制，较高级别建立高层规划模型，保证系统安全运行，较低级别利用e和△e的变化在动态过程中实时调节规划参数值和PID参数值，使动态系统达到性能要求。也可以利用遗传算法的自适应在线优化PID参数，因此必须要引起足够的重视。
2.2智能控制
电厂锅炉是个具有高度耦合的多变量输入输出非线性热工系统，其动态特性随着运行工况的变化而大范围变化，各环节的动态特性差异很大，还有噪音和负荷干扰、时滞等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此要建立锅炉的精确数学模型较困难，而粗略模型只能由一系列分布参数系统描述，锅炉的复杂特性使得基于精确数学模型的常规控制器难以取得理想的控制效果，这就给不需要建立精确模型的专家系统、人工神经元网络以及模糊控制等智能控制方法的应用提供了广阔的空间。因此，将这些智能控制方法应用于锅炉热工控制过程具有较强的理论与实践意义。
2.3解耦控制
由上述分析可知，发电厂锅炉系统是一个多变量强耦合强非线性系统。对于此类复杂系统，由多变量频域控制理论可知最有效的控制是对其进行解耦。在各种解耦控制方法中，准优势化法在对工业现场的适应性方面有着较为明显的优势。完整的准优势化法的解耦控制器包括D11、D12、D21、D22的设计，一般在满足精度的要求下，为简化计算可以取D11=D22=1，这样就只有D12和D21需要设计，简化了运算。国内学者在控制锅炉引风对象时引入准优势化法解耦控制器，大量仿真表明在解耦后被控对象的特性没有发生改变而且在工程上易于实现，优势显著。准优势化法解耦控制在对循环流化床控制方面也有不俗的效果，传统循环流化床的料床温度波动较大，根本原因是由于CFB给煤粒度分布不均匀，采用准优势化法解耦控制直接用床体温度来补偿调节给煤量可以有效解决料床温度波动较大的问题。
3锅炉热工控制的研究及应用前景
近年来，随着先进控制理论及智能控制理论的日益发展，发电厂锅炉的热工控制有了坚实的理论基础，而且随着工控计算机的普及与性能的提高，控制方法的软硬件平台也有了长足发展，这些都为锅炉热工控制的发展提供了良好的通道，近些年国内外学者在这方面已经取得了不少的成果，在快速发展的同时仍然要注意以下几个方面：一是在现场实际控制工程中，首先考虑的问题就是控制器简单，计算时间短，而目前研究的先进控制策略往往结构复杂，计算时间长，且大部分研究成果仍处于实验室仿真阶段，如何将其推向热工控制实际应用是今后的努力方向。二是整体全局化发展，目前的先进控制策略大都是从某一热工过程出发，满足这一过程的特殊控制要求，没有考虑对其他过程，乃至全局的影响。因此电厂单元机组控制的进一步整体化、智能化研究十分重要。如在先进控制策略的基础上，将生产调度、计划、优化经营管理与决策等内容加入到控制与优化系统中，也是今后的研究方向。三是先进控制理论的继续发展也是推动锅炉热工控制的关键问题，目前先进控制理论尚无完善，继续加强理论研究也是今后一大研究方向。四是针对锅炉设备和热工过程的特点，开发锅炉成套专用控制软件和装置，具有良好的产业化前景和广阔的市场容量，是国内外自动化高技术的发展方向之一。
4结论
通过对上述的内容进行分析研究之后可以得出，总而言之，锅炉是发电厂的重要设备，由于其高耦合强非线性特性，对其进行控制是一大难点，本文讨论了近年来国内外在锅炉热工过程控制领域的主要研究成果，并探讨了今后国内热工自动化控制研究及应用的几个方向。
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论文作者:马治元
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/25
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