汽包鍋爐給水過(guò)程的在線辨識(shí)

1鍋爐汽包水位控制方法研究蒸汽袋水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的控制變量。在某些區(qū)域，保持水位是確保鍋爐安全運(yùn)行的最重要因素。這是因?yàn)樗惶邥?huì)影響包中的蒸汽分離，飽和蒸餾水和蒸餾水會(huì)過(guò)度，而且過(guò)度的蒸汽溫度會(huì)急劇下降。該過(guò)熱蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話,將會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片,影響運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性;b.水位過(guò)低,說(shuō)明汽包內(nèi)的水量較少,而當(dāng)負(fù)荷很大時(shí),水的汽化速度加快,則汽包內(nèi)的水位變化速度亦隨之加快,如不及時(shí)調(diào)節(jié),就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化,導(dǎo)致爐管燒壞,甚至引起爆炸。因此,鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。汽包水位控制策略經(jīng)過(guò)多年的理論研究,已形成了包括單沖量、雙沖量和三沖量在內(nèi)的多種成熟的控制方法。但是近年來(lái)隨著機(jī)組容量的擴(kuò)大,對(duì)給水系統(tǒng)提出了更高的要求;鍋爐容量的擴(kuò)大,顯著地提高了鍋爐受熱面的熱負(fù)荷,使鍋爐負(fù)荷變化對(duì)水位的影響加劇,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化幅度較大。傳統(tǒng)的控制方法由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析依賴于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,對(duì)這種動(dòng)態(tài)特性有較大時(shí)變且非線性比較嚴(yán)重的對(duì)象。由于難以建立準(zhǔn)確的模型,故用傳統(tǒng)的控制方法處理這類對(duì)象存在很多困難,很難達(dá)到理想的控制效果。因此,迫切需要一種魯棒性強(qiáng)、算法相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方案。本研究采用三沖量控制方式,將在線辨識(shí)自適應(yīng)控制算法應(yīng)用于該系統(tǒng),利用系統(tǒng)的輸入、輸出信息,采用遞推最小二乘算法不斷的循環(huán)調(diào)整PID參數(shù)值,使系統(tǒng)運(yùn)行中保持合適的瞬態(tài)參數(shù),以克服傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)不可改變的缺點(diǎn),提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。通過(guò)對(duì)某給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真分析,說(shuō)明了該自適應(yīng)控制方案的有效性和優(yōu)越性。2鍋爐汽包水位汽包水位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)。它間接反映了鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系,維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過(guò)高,會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作,造成出口蒸汽水分過(guò)多而使過(guò)熱器管壁結(jié)垢,容易燒壞過(guò)熱器。汽包出口蒸汽中水分過(guò)多,也會(huì)使過(guò)熱汽溫產(chǎn)生急劇變化,直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。汽包水位過(guò)低,則可能破壞鍋爐水循環(huán),造成水冷壁燒壞而破裂。鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見,汽包水位不僅受汽包(包括循環(huán)水管)中儲(chǔ)水量的影響,亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與蒸汽負(fù)荷、蒸汽壓力以及爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此,影響水位變化的因素很多,但其中最主要的因素是鍋爐蒸發(fā)量(蒸汽流量D)和給水流量W。文獻(xiàn)從物理機(jī)理上推導(dǎo)了在上述2個(gè)主要擾動(dòng)(蒸汽流量和給水流量)作用下水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性(傳遞函數(shù)模型)。給水量擾動(dòng)(內(nèi)擾)時(shí)水位對(duì)象特性:Gw(s)=εs(1+Τ1s)(1)Gw(s)=εs(1+T1s)(1)負(fù)荷(蒸汽流量)擾動(dòng)(外擾)時(shí)對(duì)象特性:Gd(s)=Κ2(1+Τ2s)-εs(2)Gd(s)=K2(1+T2s)?εs(2)式中ε為響應(yīng)速度;T1,T2為時(shí)間常數(shù);K2為放大倍數(shù)。采用常規(guī)的PID方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí),上述對(duì)象傳遞函數(shù)的參數(shù)必須是已知的,并且固定不變。若機(jī)組的容量比較小、參數(shù)比較低,這種常規(guī)設(shè)計(jì)方案一般可以滿足控制要求。但是,隨著機(jī)組容量不斷增大、參數(shù)越來(lái)越高,水位被控對(duì)象的參數(shù)變化范圍增大,基于固定參數(shù)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法和控制方案顯然是不合理的,難以達(dá)到理想的控制效果。因此,研究和設(shè)計(jì)某種自適應(yīng)給水控制方案勢(shì)在必行。3自適應(yīng)汽車密封性能3.1pid參數(shù)的在線調(diào)整在線辨識(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是具有被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的在線辨識(shí)環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),首先對(duì)汽包水位信號(hào)進(jìn)行在線辨識(shí),然后再根據(jù)辨識(shí)參數(shù)和事先給定的性能指標(biāo),在線調(diào)整PID參數(shù)。圖2是文中提出的汽包水位在線辨識(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可見,控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、控制器、辨識(shí)器構(gòu)成。辨識(shí)器根據(jù)最小二乘遞推算法,在線地計(jì)算被控對(duì)象的未知參數(shù),控制器根據(jù)辨識(shí)參數(shù)調(diào)整PID參數(shù),經(jīng)過(guò)不斷的辨識(shí)和調(diào)整,使被控系統(tǒng)的性能指標(biāo)漸近一致地趨于最優(yōu)。PID參數(shù)調(diào)整方法采用常規(guī)的工程設(shè)計(jì)方法,以簡(jiǎn)化參數(shù)調(diào)整計(jì)算。3.2基于數(shù)據(jù)的模型辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)的基本思想是:根據(jù)對(duì)被辨識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將測(cè)定值與假定的數(shù)學(xué)模型的輸出值進(jìn)行比較,通過(guò)辨識(shí)機(jī)構(gòu),修正假定模型,直至假定的數(shù)學(xué)模型的輸出與實(shí)際的測(cè)定輸出值之間的差趨向于0,即使辨識(shí)誤差趨向于0。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。在這里,只利用輸入輸出信息進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。參數(shù)辨識(shí)的基本步驟如下:(1)確定系統(tǒng)數(shù)學(xué)的表達(dá)式,一般是根據(jù)被辨識(shí)系統(tǒng)的性質(zhì)和所要采用的控制方法確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的形式,數(shù)學(xué)模型一般有微分方程、差分方程、狀態(tài)方程以及脈沖響應(yīng)函數(shù)等。文中利用對(duì)象傳遞函數(shù)模型得到微分方程模型,然后離散化得到差分方程。(2)選擇實(shí)驗(yàn)信號(hào),記錄所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),包括輸入輸出數(shù)據(jù)等,或利用被辨識(shí)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)。文中采用在線辨識(shí)的方法,以使控制系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)荷和擾動(dòng)的變化。(3)根據(jù)一定的辨識(shí)算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。文中采用最小二乘遞推算法進(jìn)行過(guò)程參數(shù)的遞推估計(jì)。(4)校檢辨識(shí)數(shù)學(xué)模型,使辨識(shí)模型有一定的精度。3.3參數(shù)估計(jì)值的計(jì)算當(dāng)被辨識(shí)系統(tǒng)在線運(yùn)行時(shí),每取得一次新的觀測(cè)數(shù)據(jù)后,就在前次估計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用新引入的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)前次估計(jì)的結(jié)果,根據(jù)遞推算法進(jìn)行修正,從而遞推地得出新的參數(shù)估計(jì)值。這樣,隨著新的觀測(cè)數(shù)據(jù)的逐次引入,一次接著一次的進(jìn)行參數(shù)估計(jì),直到參數(shù)估計(jì)值達(dá)到滿意的精確程度為止。最小二乘遞推算法的基本思想可以概括成:?θ(k)=?θ(k-1)+Δ?θ(3)θ?(k)=θ?(k?1)+Δθ?(3)式中?θθ?(k)為新的估計(jì)值;?θ(k-1)θ?(k?1)為老的估計(jì)值;Δ?θθ?為修正項(xiàng)在每次遞推計(jì)算過(guò)程中,信息的變換情況如圖4所示。有關(guān)說(shuō)明參見文獻(xiàn)。4系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性為了驗(yàn)證基于參數(shù)辨識(shí)的給水自適應(yīng)控制系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性,針對(duì)某汽包鍋爐給水控制對(duì)象采用MATLAB進(jìn)行仿真。調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律,其傳遞函數(shù)形式為:wΤ(s)=1δ(1+1Τis)(4)wT(s)=1δ(1+1Tis)(4)給水?dāng)_動(dòng)時(shí)對(duì)象傳遞函數(shù)為:Gw(s)=εs(1+Τ1s)=0.037s(1+30s)(5)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)對(duì)象傳遞函數(shù)為:Gd(s)=Κ2(1+Τ2s)-εs=3.61+15s-0.037s(6)給水流量測(cè)量變送器和蒸汽流量變送器的斜率為:rw=rD=0.037Vt/h(7)水位測(cè)量變送器的斜率為:rΗ=0.033Vmm(8)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)為:KZ=Kμ=1(9)首先根據(jù)上一節(jié)所描述的自適應(yīng)控制方案和實(shí)現(xiàn)算法,用MATLAB編程并運(yùn)行程序進(jìn)行仿真;然后,為了便于比較,對(duì)傳統(tǒng)的PID三沖量控制系統(tǒng)進(jìn)行SIMULINK仿真。針對(duì)這2種方案,對(duì)蒸汽流量、給水流量、水位給定值和3者同時(shí)作用4種情況作階躍擾動(dòng)仿真試驗(yàn)。汽包水位的響應(yīng)曲線分別如圖5所示。圖5中,虛線對(duì)應(yīng)常規(guī)給水控制系統(tǒng)情形,實(shí)線對(duì)應(yīng)自適應(yīng)控制情形。由圖5(c)可見,自適應(yīng)控制系統(tǒng)較之常規(guī)給水控制系統(tǒng),階躍響應(yīng)過(guò)程超調(diào)量減小,調(diào)整時(shí)間縮短,具有更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。因此參數(shù)辨識(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)能更好更快地克服各種外擾和內(nèi)擾的影響,并具有更好的給定值跟蹤性能,從而具有更好的自適應(yīng)性和魯棒性。5動(dòng)態(tài)響應(yīng)自適應(yīng)控制算法汽包水位控制系統(tǒng)是一個(gè)模型不易確定的,具有純滯后的復(fù)雜系統(tǒng),針對(duì)這種情況,文中在總結(jié)和分析前人的工作的基礎(chǔ)上,提出將帶有在線辨識(shí)的自適應(yīng)算法應(yīng)用于汽包水位控制系統(tǒng)中,旨在打破傳統(tǒng)的控制策略,尋求更有效的控制方案。采用三沖量控制方式,并且將在線辨識(shí)自適應(yīng)控制算法應(yīng)用于