三沖量鍋爐水位不完全微分PID控制的研究

1、三沖量鍋爐水位不完全微分pid 控制的研究摘要:鍋爐汽包水位是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否平衡的標(biāo)志,因此水位控制十分重要。調(diào)速型液力偶合器作為動(dòng)力傳動(dòng)裝置的節(jié)能效果是很顯著的。本文對(duì)偶合器變速調(diào)節(jié)的鍋爐汽包三沖量水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,并針對(duì)系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)了不完全微分pid 控制器。通過仿真結(jié)果分析,得到了較好的控制和節(jié)能效果,達(dá)到應(yīng)用要求。關(guān)鍵詞:鍋爐汽包水位;三沖量;pid 控制;仿真鍋爐汽包水位是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否平衡的標(biāo)志,是鍋爐控制的一個(gè)重要參數(shù)。偶合器作為鍋爐給水系統(tǒng)的重要控制元件具有明顯的節(jié)能效果。但其動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜,參數(shù)不確定及增益的嚴(yán)重非線性,成為閉環(huán)控制需要解決的問

2、題。以某電廠的汽包鍋爐為例,采用三沖量給水控制系統(tǒng)。本文建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,采用不完全微分pid 控制器對(duì)鍋爐給水調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,并分析其結(jié)果。1 三沖量給水控制系統(tǒng)工作原理及數(shù)學(xué)模型汽包水位三沖量控制系統(tǒng)如圖1 所示。所謂三沖量指的是三個(gè)測(cè)量信號(hào):汽包水位、給水流量和蒸汽流量。這個(gè)系統(tǒng)極大地提高了水位控制質(zhì)量。當(dāng)圖1 三沖量給水控制系統(tǒng)蒸汽量突然階躍增大時(shí),一方面由于假水位現(xiàn)象水位會(huì)暫時(shí)升高,它使調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減小給水量;另一方面,耗汽量的增大又通過比值控制作用指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。實(shí)際給水量是增大還是減小,取決于系統(tǒng)的參數(shù)整定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后,水位和蒸汽信號(hào)都能正確地指

3、揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適,當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)以后,給水流量必然等于蒸汽流量,水位也就會(huì)維持在設(shè)定值。采用調(diào)速型偶合器調(diào)節(jié)控制流量,給水控制系統(tǒng)使用三沖量控制方法。其控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。圖2 調(diào)速型偶合器變速調(diào)節(jié)三沖量控制系統(tǒng)方框圖其中h、w、d 分別為水位、給水流量和蒸汽流量變送器系數(shù);nh、nw、nd 分別為水位、給水流量和蒸汽流量的分流系數(shù);gc ( s) 、gp ( s) 、gd ( s) 分別為流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)通道、擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。2 不完全微分pid 控制器在連續(xù)控制系統(tǒng)中,pid 控制規(guī)律為u ( t) = kp e ( t) +1/tit0e ( t) d t

4、 + tdd e ( t)/d t(1)由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制, 它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量, 因此式(1) 中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用,需要進(jìn)行離散化處理。t ktt0e ( t) d t t kj =0e ( jt) = t kj =0e ( j)d e ( t)/d t e ( kt) - e ( k - 1) tt=e ( k) - e ( k - 1)t(2)/顯然,上述離散化過程中,采樣周期t必須足夠短,才能保證足夠的精度。結(jié)合式(1) 和式(2) 可以得到離散的位置式pid 表達(dá)式為u ( kt) = kp e ( kt) + ki kj =0e ( jt) +

5、 kd e ( kt) -e ( k - 1) t (3)微分環(huán)節(jié)的引入,改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,但對(duì)于干擾特別敏感。微分項(xiàng)如下:ud ( k) = ( kptd/t) e ( k) - e ( k - 1) =kd e ( k) - e ( k - 1) (4)克服上述缺點(diǎn)的方法之一是在pid 算法中加一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)( 低通濾波器) gf ( s) = 1/ 1 +tf ( s) ,如圖3 示是將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上構(gòu)成的不完全微分pid 控制。圖3式中k 采樣序號(hào), k = 0 ,1 ,2 , ;u ( kt) 第k 個(gè)采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;e ( kt) 第k 次采樣時(shí)刻輸入的

6、偏差值;e ( k - 1) t 第k - 1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;ki 積分系數(shù);ki = kp t/ ti ;kd 微分系數(shù);kd = kp td/ t;t 計(jì)算機(jī)采樣周期。3 pid 控制的仿真分析汽包水位控制系統(tǒng)采用oy55 型調(diào)速型偶合器、50chta/ 5 型給水泵調(diào)節(jié)給水量。3.1 未用pid 控制器仿真分析當(dāng)未使用pid 調(diào)節(jié)器時(shí), 不同參數(shù)下給水系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4 示。從圖中可以看出系統(tǒng)存在超調(diào)過大等缺陷。3.2 采用不完全微分pid 控制仿真分析采用數(shù)字pid參數(shù)整定方法,對(duì)不完全微分pid算法進(jìn)行修正,即可得到最佳參數(shù)。采用不完全微分pid 算法的最佳參數(shù)如下:(1)

7、 設(shè)定值跟蹤最佳參數(shù):kp = 1. 5 ; ti = 250 s ; td = 50 s ; tf = 0. 8。(2) 擾動(dòng)抑制最佳參數(shù):kp = 1. 5 ; ti = 60 s ; td = 50 s ; tf = 0. 5 。鍋爐正常工作時(shí), 汽包水位在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。負(fù)荷即蒸汽量也會(huì)因汽輪機(jī)耗汽量及燃料量的變化而突然變化。以幅值為5 、周期為4的正弦信號(hào)表示水位的變化,看汽包水位的跟蹤情況。以矩形脈沖表示蒸汽量的突然變化, 看汽包水位的變化情況。圖4 偶合器變速調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同參數(shù)下給水系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖5 采用偶合器調(diào)節(jié)下汽包水位跟蹤正弦曲線響應(yīng)圖圖5 為采用調(diào)速型偶合器變速調(diào)節(jié)鍋爐

8、汽包水位控制系統(tǒng)在輸入信號(hào)y = 5sin015 t 的跟蹤曲線圖。曲線1 為輸入信號(hào),曲線2 為響應(yīng)曲線。從圖中可看出水位在第3 個(gè)周期時(shí)就可以很好的跟蹤輸入信號(hào),雖有較大的滯后,但對(duì)于鍋爐汽包水位在小幅度范圍內(nèi)浮動(dòng)的情況,該響應(yīng)能夠滿足工程要求。圖6為蒸汽量在矩形脈沖信號(hào)擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線圖, 圖中(a) 、(b) 分別為控制器跟蹤最佳參數(shù)和擾動(dòng)抑制最佳參數(shù)下的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出,當(dāng)蒸汽量突然增大或減小時(shí), 汽包水位經(jīng)過幾次震蕩后能很快的達(dá)到平衡狀態(tài),效果明顯。圖6 pid 控制器不同參數(shù)下的響應(yīng)曲線4 結(jié)論采用不完全微分pid 控制器的偶合器調(diào)速給水流量的汽包水位控制系統(tǒng)動(dòng)作速度快,響應(yīng)時(shí)間短;超調(diào)量小。水位設(shè)定值跟蹤響應(yīng),響應(yīng)時(shí)間由17 s下降到11 s ,超調(diào)量由46 %下降到32 %;負(fù)荷擾動(dòng)響應(yīng),響應(yīng)時(shí)間由20 s下降到16 s ,超調(diào)量由41 %下降到31 % ,取得了非常顯著的節(jié)能降耗效果,在某電廠700 t/ h蒸發(fā)量的汽包鍋爐取得了很好的應(yīng)用。采用調(diào)速型液力偶合器調(diào)節(jié)給水泵組成的鍋爐汽包給水控制系統(tǒng),能夠很好的跟蹤水位變化,對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)也能較快的重新達(dá)到平衡,能夠滿足實(shí)際工程中的要求。參考文獻(xiàn)1鹿世金. 工業(yè)鍋爐節(jié)能的控制技術(shù)m. 北京:兵器工業(yè)出版社,1993.2張子棟. 鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)m