摘要：本文结合安钢75T干熄焦锅炉对影响汽包水位的三冲量进行分析，提出了串级控制方式，并设计了串级控制系统，利用MATLAB进行仿真，从仿真结果可以看出，串级控制系统对汽包水位的控制效果显著。

关键词：汽包水位 串级控制

中图分类号：TK223.75文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)09-0140-02

1、引言

汽包液位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它反映了锅炉负荷与给水的平衡关系。汽包液位过高会造成蒸汽带水影响过热器运行，影响汽水分离效果；水位过低会造成锅炉水循环的破坏，影响省煤器运行，容易使水全部汽化烧坏锅炉甚至爆炸。对于一般锅炉汽包液位的控制来说，经典三冲量控制在一定范围内是成功的。但对于热源的不稳定变化来说，经典三冲量控制即显得力不从心。形成余热锅炉的液位稳定性的两个重要因素为假液位及热源的变化，针对这样的问题，根据本人多年的工程经验及所学的理论知识，将串级控制应用于三冲量系统中，对次要问题简化后，是完全可以达到控制要求及应用目的。

2、串级控制系统设计

串级控制是改善控制系统品质的有效方法之一，在工业过程控制中应用很广泛。串级系统在结构上形成两个闭环。串级系统的计算顺序是先主环后副环。副环在控制过程中起着“粗调”作用，主环用来完成“细调”的任务，以最终保证被调量满足工艺要求。串级控制系统如图1-1所示。

串级控制系统具有以下较好的控制性能：(1)对二次干扰有很强的克服能力；(2)改善了对象的动态特性，提高了系统的工作能力；(3)对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。

汽包水位的三冲量PID串级控制系统。

由于在采用三冲量，在系统中控制器的输入端有三个输入信号，这就水位极易引起偏差，因此，本文根据汽包水位控制系统的运行情况，提出了消除三冲量调节系统消除水位控制偏差的两个方法：

(1)辅助信号自消的方法。所谓自消就是辅助信号x(t)经一个不完全微分环节（或带滤波器的微分环节）得到信号x(t)再加至控制器,当系统稳定时有：

(2)辅助信号对消的方法。所谓对消就是辅助信号满足对消条件。设有两辅助信号x1(t)和x2(t)，满足对消条件：

本文汽包水位控制系统采用三冲量PID串级控制系统如图1-2所示。与一般串级系统不同的是引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，是一个带有静态前馈的串级控制系统。串级系统比三冲量系统多用了一个调节器,但它对信号的静态配合要求不很严格，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。水位偏差控制采用蒸汽流量与给水流量对消的方式来消除偏差，即取。

其中，KD、KW、KH分别为蒸汽流量、给水流量、水位变送器的传递系数，Gc1为主调节器，Gc2为副调节器。为静态前馈系数。

3、仿真

(1)试验和现场采集得到下列近似传递函数及系数

①水流量的传递函数：

②蒸汽流量的传递函数：

③变送器的比例系数：

水位变化范围为±50mm，水位变送器的电流变化为0-10mA，所以水位变送器的比例系数为：。

(2)通过估算及仿真实验得到：根据，给水流量信号和汽流量信号的分流系数为：0.021。

PID控制器的参数整定采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：①主控制器的PID参数为：KP=150，KI=0.001，KD=5 ②副控制器的PID参数为：KP=1，KI=0.001，KD=4.1

(3)汽包水位三冲量串级PID控制系统。系统如图1-3所示。

对以下三种情况进行仿真：①水位给定值时；②加入蒸汽流量扰动时；③加入给水流量扰动时。

4、结论

(1)串级控制系统超调量小，调节时间短。在图1-4（1）中，输入一个幅值为1的干扰脉冲，串级控制系统的超调量为7.07%，调节时间为26秒。(2)当控制对象参数发生改变时，自整定模糊控制系统较快平稳，取得较好的控制效果，说明自整定模糊控制的鲁棒性好。在图1-4（2）中，串级控制系统的超调量为3.13%，调节时间为15秒。(3)自整定模糊控制系统的振荡周期短。在图1-4（3）中，在100秒时加入给水流量扰动，串级控制系统的振荡周期为18秒。

5、结语

汽包水位采用串级控制系统的控制品质优于常规PID控制，串级控制系统在控制过程中，根据工况的变化可以进行“粗调”和“细调”，具有响应时间短的特点。其双环控制特点，又决定了其具有良好的鲁棒性。因此，串级控制系统在汽包水位上具有很好的应用前景。

参考文献

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