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1、锅炉汽包水位的串级广义预测控制 摘要： 针对火电厂锅炉汽包水位对象的复杂非线性动态特性，为提高水位系统控制的可靠性和安全性设计串级广义预测控制（CGPC）结构。内回路采用PID控制可以快速消除给水流量的扰动，外回路采用具有滚动优化和反馈校正功能的控制结构，有效克服了蒸汽流量的扰动。关键词：锅炉水位；串级三冲量；CGPCPID目录一、引言1二、 三冲量调节系统原理12.1、工作原理12.2 控制系统原理2三、串级广义预测控制33.1 CGPC的基本原理33.2 汽包水位系统的CGPC-PID串级控制方案6四、 仿真及结论74.1 仿真过程74.2 结论8五、预测控制研究现状9一、引言汽包水位反映
2、了锅炉蒸汽量与给水量之间的平衡关系。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使蒸汽带液、过热器结垢，影响过热器效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。 因此，在锅炉运行中必须将汽包水位严格控制在工艺允许的范围内。而影响锅炉水位的因素很多，最主要的是蒸发量和给水量的波动汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在一定范围内波动，这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响。由于控制对象在给水量扰动时有一定的惯性，而且在负荷扰动时
3、又存在“虚假水位”，采用串级三冲量给水控制系统能有效地消除这些扰动。该系统以汽包水位为主信号，任何导致水位变化的扰动都会使调节器动作；蒸汽流量是前馈信号，它的作用是防止“虚假水位”引起的调节器的误动作，改善蒸汽流量扰动时的调节质量；给水流量是介质反馈信号，因给水流量信号对给水流量变化的响应很快，使调节器能够在水位还没变化时就对前馈信号的变化作出反应，消除内扰，使调节过程比较稳定，充分保证了调节系统的稳定运行。2、 三冲量调节系统原理2.1、工作原理如图1所示，在稳定状态下，锅炉里面的水位在理想情况下应保持为一个恒值，但实际上不可能达到这种要求。一般控制汽包水位围绕设定值有小范围的波动，波动越小
4、，越有利于锅炉的稳定运行。 在稳定状态下，水位信号的测量值(电流信号)应等于锅炉水位设定值()，蒸汽流量()和给水流量()则应达到一种动态的平衡关系。即满足如下关系：。 当给水流量信号等于蒸汽流量信号时，则水位信号就等于，即汽包水位稳定在某一给定值。此时，阀门开度正好处于一个保持系统平衡的位置。而当锅炉负荷突然增大时平衡破坏，则阀门开大，增大给水流量的值。而与此同时也会随之出现“虚假水位”，使水位输出信号随之增大，两个反馈回路的作用能有效抵消这一变化，这样就减小甚至消除了“虚假水位”对系统的影响。 当锅炉负荷下降时，则会关小阀门，以适应新的负荷所需要水位的流量，直到系统达到新的平衡为止。这样，
5、由于蒸汽流量和给水流量的引入反馈对扰动起到了超前响应的作用，使给水阀门一开始就向着正确的方向及时动作，减少了水位的波动幅度，消除了虚假水位的影响，缩短了响应时间。图1 汽包水位控制系统原理2.2 控制系统原理根据三冲量串级调节系统原理设计的系统方框图如图2所示。图2 汽包水位三冲量控制系统原理从图2可以看出，3个冲量在系统中形成了2个闭合回路，即由给水流量变送器、内回路调节器PID、变频调节器、三台水泵电机组组成的内回路，其作用是消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量，以保证给水流量和蒸发量平衡，它是一个快速回路。 由锅筒水位变送器、外回路调节器P
6、ID和内回路组成外回路，其作用是校正水位偏差，使水位等于设定值。采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制，其作用是使给水量很快跟踪蒸汽流量的变化，克服虚假水位现象引起的变频器误动作和水位过大波动。 内回路采用PID控制快速消除控制通道的给水扰动，起粗调作用，外回路采用预测PID控制用以克服蒸汽流量变化产生的扰动，起细调作用。三、串级广义预测控制 广义预测控制（GPC）是随着自适应控制的研究而发展起来的一种预测控制方法。GPC基于参数模型，引入了不相等的预测水平和控制水平，系统设计灵活方便，具有预测模型、优化和在线反馈校正等特征，呈现优良的控制性能和鲁棒性。 串级广义预测控制CGPC是在GPC算法的
7、基础上发展起来的一种针对具有串级控制结构对象的新型控制算法，其控制结构最大的特点是采用一个串级广义预测控制器代替传统的PID控制器，减少了调节参数的数量，缩短了整定时间，同时具有广义预测控制的优点，并保持优良的控制效果。3.1 CGPC的基本原理1、 预测模型 内环模型和外环模型分别如式（1）和式（2）所示： 其中，、的若干首项元素可以是零，表示对象相应的时滞数；是后移算子，表示退后一个采样周期相应的量；为差分因子；、表示零均值随机的噪声序列；通常设系数、；为可以测量的中间量；为控制量。2、滚动优化串级广义预测控制算法中关于控制系统预测输出的获得方法与基本的预测控制是相同的。系统在t时刻对第k
8、步的预测输出为 根据CARIMA模型，利用至t时刻为止的输入，输出的已知数据，对t+k时刻的系统输出进行预测，引入下列Diophantine方程： 其中，、是由和预测长度唯一确定的多项式。 将式（4）代入式（1）并整理得到： 考虑到噪声未来时刻为零均值，式（5）整理可得： 式（6）是对外环CMRIMA模型式（1）引入Diophantine方程得到的关于中间量的预测输出值。为了得到关于控制量的预测输出值，进而得到串级广义预测控制器，可以对式（6）再引入Diophantine方程式（4），整理得到：根据式（1），式（7）中的中间量用控制量替换，可得到：为了使式（8）中仅存在的未来时刻项，可对式（8
9、）引入Diophantine方程：考虑到未来时刻噪声为零均值，整理得到： 由于式（10）中含有，因此对式（10）引入Diophantine方程式（9），整理得到系统第k步的预测输出为：串级广义预测控制的目标函数与广义预测控制相同，都是以二次型目标函数最小为指标，其k时刻优化性能指标具有以下形式：其中，E表示数学期望；和分别为优化时域的始值和终值，为控制时域，即 步后控制量不再变化，表达为，；为控制加权系数，可将其简化，始终为常数，为过程的期望输出。性能指标式（12）采用长时段预测的概念，把所要优化的方差从一个时间点扩展到一段时域，其中应大于对象的时滞，而应足够大使得过程动态特性能充分表现出来。
10、由于以多步预测优化代替了一步预测优化，即使对时滞估计不当或时滞发生变化，仍能从整体优化中得到合理的控制。CGPC通过Diophantine方程将内、外环过程的数学模型融合在一起，内环输出作为中间变量加入到求解最优控制律的算法中，从而实现了一个串级广义预测控制器对串级结构的系统进行控制。3.2 汽包水位系统的CGPC-PID串级控制方案 GPC系统设计灵活方便，适用于控制不易建立精确数学模型的比较复杂的工业生产过程。具有良好的控制性能和鲁棒性。传统PID控制器具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、抗干扰能力强等特点。利用PID控制抗干扰性较强的特性，首先形成PID闭环控制，这是控制的内层，
11、包含被控对象最易发生干扰的部分。再将这一闭环系统和被控对象一起作为广义对象，用CGPC进行控制，这是控制的外层。与传统的PID-PID串级系统相比较，两者在内环上是相同的。均采用PID控制器，而在外环上CGPC-PID串级控制以PID算法取代了PID算法。所设计的CGPC-PID串级三冲量汽包水位系统如图3所示。图3 汽包水位CGPC-PID串级控制 图中、分别是汽包水位及其给定值，是内回路给水量扰动；是给水流量；是蒸汽流量；、分别是给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数；、分别是汽包水位、给水流量、蒸汽流量测量变送器的斜率；为调节阀的比例系数。当给水流量增大时，汽包水位一开始并不立即增加，而
12、是呈现出一段起始惯性段，实际水位变化用传递函数描述可表示为。其中，为给水量作用下的飞升速度，、为只考虑水面下汽泡体积变化引起水位变化的放大倍数和时间常数。当蒸汽流量增加时，由于虚假水位现象，水位先上升后下降。实际水位变化用传递函数描述可表示为。其中为蒸汽量作用下的飞升速度，、为只考虑水面下汽泡体积变化引起水位变化的放大倍数和时间常数。在串级控制系统中，内回路只起粗调作用，仍是采用PID控制。而外回路起到细调作用，对控制器的品质要求较高，故选用CGPC控制器。于是形成了CGPC-PID控制方案，在CGPC-PID串级三冲量汽包给水控制系统中，内回路的主要任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水
13、流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水量，以保证给水量和蒸汽流量的平衡；外回路的任务是保证水位无静态偏差；而前馈通路则用于补偿外扰，主要用于克服“虚假水位”现象。4、 仿真及结论4.1 仿真过程采用某电厂引进型300MW机组汽包水位控制对象的动态特性模型。汽包水位控制对象在给水流量扰动下的传递函数为 ，蒸汽流量扰动汽包水位控制对象传递函数为 根据被控对象的数学模型所设计的CGPC-PID串级控制系统中，主回路为CGPC调节器，副回路采用PID调节器，采样周期，预测时域，控制时域分别对CGPC-PID串级控制系统和PID-PID串级控制系统进行仿真。图5、6、7分别是水位给定值扰动、给
14、水流量扰动和主蒸汽流量扰动下CGPC-PID控制系统和PID-PID串级控制系统的仿真曲线。从仿真结果可以看出CGPC-PID串级控制系统的调节时间短、响应速度快、超调量小、动态品质和静态品质都有所改善，抗干扰能力强，控制性能明显优于PID-PID串级控制系统。图5 水位给定值扰动下响应曲线图6 给水流量扰动下的响应曲线图7 主蒸汽流量减小扰动下的响应曲线4.2 结论 通过采用串级广义预测控制系统结构实现对锅炉汽包水位的在线滚动优化和反馈校正控制，以改善不同工况下的控制性能。它将广义预测控制与串级控制相结合，充分发挥各自的优点。通过CGPC-PID串级控制系统与PID-PID串级控制系统仿真比
15、较，证明该方法具有很好的动态性能和稳定性的同时，也具有较好的抗扰动性能。所设计的系统能准确描述系统在特定工况的动态特性，并且改善了系统在特定工况下的控制品质，保证系统的快速负荷响应以及汽包水位安全性。因此这种控制策略非常适用于电厂实时现场，使复杂生产过程控制在最佳运行状态，降低煤耗，提高可靠性及控制质量，产生巨大的经济效益，具有很好的应用前景。五、预测控制研究现状 预测控制对于复杂对象、复杂环境和复杂任务的处理能力不断抬强，这些都是基于预测控制研究领域百花齐放的研究成来。预测控制对于综合目标和应用领域不断拓展，在复杂系统的研究中也不断有新的建树。下面对预测控制中几种典型的研究进行简单介绍：(1
16、）极点配置预测控制 系统控制器的多个可调参数对系统闭环多项式的零极点有很大影响，因此要使系统控制性能较好必须对控制器参数合现选取。Lelic等人早在1987年就提出了广义预测极点配賈控制器，将极点配置和多步预测相结合，利用控制器的参数进行闭环极点配置。(2)鲁棒预测控制 将鲁棒控制的一些方法加入预测控制是目前在预测控制的鲁棒性研究中较多的方法。这种构造较新的鲁棒预测控制可以提高结构型建模误若的得棒性。(3)自适应预测控制 自适应预测控制器就是将预测控制和自适应控制的结合。将模型预测误差作为平稳随机序列，用最小二乘法在线辨识自回归滑动平均模型，或者直接辨识控制器参数，避免求解Diophantin
17、e方程等，这都属于自适应预测控制器。(4)前馈补偿预测控制 目前主要的前馈补偿预测控制系统是在预测控制系统屮，添加前馈补偿器使其构成前馈通道，对扰动进行抑制，也就是具有扰动前馈补偿功能的预测控制算法；前馈解耦广义预测控制算法是指用前馈补偿器实现系统解耦。(5)解耦预测控制 解耦预测控制是基于多变量系统解耦之上的一类算法研究。解耦预测控制不一定能使多重时滞的多变量系统实现完全解耦控制和具有最优的控制性能。但是它可以简化多变量系统预测控制器的参数整定，从而降低了以控制系统的最优性能为代价来实现的解耦。(6)模糊预测控制 由日本学者安信等人最平提出的模糊预测控制是基于预测控制算法基础上引入模糊控制机
18、理。该算法在地铁的列个:运行控制上得到了成功的应用。在系统高层引入模糊控制器并基于智能控制系统的多层结构，这样形成了由系统实际输出与参考轨线相比较的闭环控制系统而不是原广义预测控制的开环系统。模糊预测控制利用多变量模糊控制器的结构解耦原理，这样就减少了控制域长度和计算工作量，同时也改善了原广义预测控制系统的静态精度和动态跟踪性，提高了系统控制的实时作。(7)祌经网络预测控制 神经网络预测控制就是在复杂空制系统的应用中将神经元网络理论与预测控制算法相结合而形成的一种控制算法。对于神经网络预测控制日前的研究方向主要有以下两个方面：一是对于任意复杂非线件函数神经网络都能充分通近，可以学习和适应不确定系统的动态特性，同时还能采用并行分布处理算法快速进行实运算，把祌经元网络辨识模型作为预测模型。二是基于神经网络的静态解耦和基于神经网络的动态解耦是对多变量系统进行解耦，消除了多变量系统各控制变量间的相互约束和耦合影响。这就是基于神经网络解耦的多变量系统广义预测控制。 对于任何控制问题预测控制几乎都可以适用，预测控制对于以下问题具有显著优势： (1)被控变量和操作变量的维数较高； (2)被控变量和操作变量都需要满足物理约束； (3)经常变化的控制指标或设备(传感器、执行器)易出现故障； (4)时滞系统。9