摘要：汽包水位是汽包锅炉运行中的一个重要参数， 通过对电厂中锅炉汽包水位控制系统的特点的深刻了解，提出了基于非线性PID控制器(NLPID)的汽包水位串级-前馈控制方案。通过仿真结果验证，相对于常规串级PI-P控制方案，该控制方案具有良好控制品质和较强的鲁棒性，可有效克服蒸汽流量扰动和给水流量扰动。
关键词：锅炉汽包水位；非线性PID控制；跟踪微分器；串级-前馈控制
本文主要是对汽包水位控制系统进行仿真，包括对汽包水位数学模型的建立，控制方案的确定，以及通过对基于非线性PID的三冲量调节系统与常规PID的三冲量调节系统的两种控制方案的对比和分析，来确定哪种控制方法具有更好的性能，更适合用来控制汽包水位。
1.汽包水位数学模型
1.1如果蒸汽流量不变，仅给水流量发生变化时：
根据物料不平衡和热平衡的关系[1]，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化成：
（1-1）
式中：
为汽包水位的高度;
为给水流量项的时间常数；
为蒸汽流量项的时间常数；
为蒸汽流量项的放大倍数；
为给水流量项的放大倍数。
,
为时间常数。同时
、
的式子如下：
（1-2）
(1-3)
式中：
为锅炉蒸汽流量；
为锅炉给水流量。可见，引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（称为外扰动）和给水流量（称为内扰动），因此，在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程式可表示为：
(1-4)
两边取拉氏变换,得：
（1-5）
从而得到汽包水位在给水中的传递函数：
(1-6)
结合工程实际中
的数值一般很小,常常可以忽略不计，并考虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而增加。令
,可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下：
(1-7)
如果给水流量不变，仅蒸汽流量发生变化时：
在外扰动下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：
(1-8)
对上式进行拉氏变换，并且令
，得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下：
(1-9)
1.2 汽包水位控制方案
非线性PID控制器采用非线性机制以提高控制系统性能，且具有算法简单、超调小、收敛快、抗干扰能力强和鲁棒性强等优点，因此可用于控制汽包水位。又为了克服克服“虚假水位”的影响，一般采用三冲量调节系统[2]。
在过程控制系统中，当被控过程滞后较大，干扰比较剧烈，频繁时，采用简单控制系统满足不了工艺要求，这时应该考虑串级控制系统。
又由前馈控制的原理：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响[3]。运用这个原理，可以通过测量蒸汽流量来补偿干扰，用来克服虚假水位的影响。
综上所述，可以采用前馈串级控制系统。
1.3 串级三冲量PI-P和串级三冲量NLPID-P控制方案仿真
根据所提出的关于锅炉汽包水位的串级前馈控制，内回路为P控制器，外回路为PI控制器，对象取以下参数[4]来仿真：
，带入式（1-7）和式（1-9）得到：
(1-10)
=
=
(1-11)
NLPID-P仿真的模块搭建与PI-P的模块搭建的方法是一样的，在模块中只需要将simulink主回路的PI部分替换成NLPID部分即可。
1.4 两种控制方案的比较
仿真时，在PI-P和NLPID-P中的给水扰动和蒸汽流量扰动时分别引入Transport Delay环节，在t=600s时加入10%的给水扰动，在t=1200s时加入蒸汽负荷作为扰动。因此将Transport Delay环节分别设置为延迟600s和延迟1200s。
另外，再将给水扰动的阶跃设置为0.1，保证其为10%的给水干扰。
可以得到响应图，如图1-1。
图1-1 两种控制汽包水位的扰动响应仿真对比图
从图1-1可以看出：
①在设定值的扰动下，NLPID-P的响应快速，超调量几乎为0，没有波动，稳定的达到稳态值；而PI-P出现了比较大的超调量，并且波动了2次才能稳定在稳态值，其中超调量比NLPID大了20%左右，响应时间慢了近150s左右。
②在t=600s时，两种控制同时引入了给水扰动信号。对于相同的扰动信号，在NLPID-P控制下，对汽包水位的变化几乎没有任何的影响；而对于PI-P控制来说，则出现了比较明显的波动。
③在t=1200s时，两种控制同时引入了蒸汽的负荷扰动。在NLPID-P控制下，引起了小的波动，并且很快稳定在稳态值；而对于PI-P则出现了比较大的超调，且经过比较长的时间才稳定在稳态值，其中超调量比NLPID-P控制大了4%左右，而稳定时间比其慢了近100s。
结论
从对NLPID-P和PI-P在干扰扰动下的仿真对比和结果分析，采用NLPID-P时，不管给水扰动还是蒸汽负荷的扰动都比PI-P控制要优越，其具有较好的调节品质，较强的鲁棒性和抗干扰能力，而且可以在对象模型发生变化时，表现出比较强的适应能力。
参考文献
[1]关金峰. 发电厂动力部分. 北京：中国电力出版社，2007.
[2]杨平，翁思义，郭平. 自动控制原理-理论篇[M]. 北京：中国电力出版社，2009.
[3]徐春梅，杨平，蒋式勤，等. 锅炉汽包水位自抗扰控制的仿真和研究. 华东电力，2006，17（3）：16-19.
[4]徐春梅，张浩，杨平. 汽包水位串级三冲量非线性PID控制系统. 华东电力，2009,37(5)：838-841.
论文作者:柯欢欢
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
标签：汽包论文; 水位论文; 流量论文; 蒸汽论文; 冲量论文; 锅炉论文; 控制系统论文; 《电力设备》2018年第13期论文;