鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業(yè)50～60年代發(fā)展最快，70年代達(dá)到高峰。我國的鍋爐工業(yè)是在新中國成立后才建立和發(fā)展起來的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠，從其在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發(fā)電;工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動機(jī)械能源;生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應(yīng)該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長期以來就是控制領(lǐng)域的一個典型問題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動化控制，經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代初期的計(jì)算機(jī)過程控制幾個階段，隨著六十年代第一臺計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用以及此后計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸進(jìn)入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計(jì)算機(jī)很強(qiáng)的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計(jì)算功能為實(shí)現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。

　　對蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個重要的被調(diào)節(jié)參數(shù)。由于汽包水位在鍋爐運(yùn)行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產(chǎn)自動化一般是從給水自動調(diào)節(jié)開始的。

　　隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：

　　(1)汽包的個數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度;

　　(2)鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷對水位的影響加劇了;

　　(3)提高了鍋爐的工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。

　　由此可見，隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。

　　1 汽包水位的動態(tài)特性

　　影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對象的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指各種擾動下的汽包水位隨時間變化的特性。當(dāng)擾動為階躍擾動時，對象的動態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發(fā)量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負(fù)荷、汽包壓力的變化等原因。

　　水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)可表示為：

　　其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。

　　2 串極三沖量給水控制系統(tǒng)分析

　　采用單回路控制系統(tǒng)是不能滿足生產(chǎn)對控制品質(zhì)的要求，所以電站汽包鍋爐的給水控制普遍采用三沖量給水控制方案。三沖量給水系統(tǒng)又分為單級三沖量和串級三沖量給水系統(tǒng)。所謂單級三沖量給水系統(tǒng)，是指系統(tǒng)中用了一個調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器的輸入有三個，因此得名。這種系統(tǒng)與雙沖量給水系統(tǒng)相比，多了一個流量反饋信號。給水量發(fā)生變化時，流量信號自然要比水位信號快得多，從而大大的改善了控制質(zhì)量。但是，在系統(tǒng)參數(shù)整定時，內(nèi)外回路相互關(guān)聯(lián)相互影響，不容易確定參數(shù)，從而得不到希望的調(diào)節(jié)效果，且負(fù)荷變化時水位靜態(tài)值是根據(jù)“靜態(tài)對比”來進(jìn)行整定的。所以，又出現(xiàn)了串級三沖量給水系統(tǒng)，此系統(tǒng)更進(jìn)一步完善了結(jié)構(gòu)，提高了控制質(zhì)量。

　　采用串級控制系統(tǒng)將具有更好的控制品質(zhì)，調(diào)試整定也比較方便，故在大型汽包爐上可采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)。

　　串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

　　這個系統(tǒng)中使用了兩個調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。為保證被調(diào)量無靜差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。

　　副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。

　　3 前饋通路的設(shè)計(jì)

　　前饋通路中完全補(bǔ)償條件為：

　　其中K是虛假水位現(xiàn)象決定的常數(shù)，虛假水位現(xiàn)象嚴(yán)重時，K值大，反之K值小。負(fù)號表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。

　　在負(fù)荷開始變化時，為使蒸汽流量信號更好地補(bǔ)償虛假水位現(xiàn)象，改善負(fù)荷擾動時調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量，一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號，即令K>1。

　　這時有

　　4 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真

　　利用MATLAB仿真工具和VB開發(fā)界面，建立DEH仿真平臺，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對DEH系統(tǒng)動態(tài)過程進(jìn)行分析研究，從而避免了對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使DEH系統(tǒng)各部分的動態(tài)過程完整地呈現(xiàn)出來。這對DEH系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中參數(shù)的整定、修改起到了預(yù)測和指導(dǎo)作用。實(shí)踐證明，利用MATLAB對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，具有安全、可靠、節(jié)省人力、物力和財(cái)力等優(yōu)點(diǎn)，它為加快大型火電機(jī)組熱工自動控制系統(tǒng)的調(diào)試速度，提高火電廠熱工自動控制系統(tǒng)的投入率，又提供了一個新的方法和手段。

　　給水流量傳遞函數(shù) ：

　　主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上的。主回路SINMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖5和圖6所示。

　　修改參數(shù)后的主回路仿真圖如圖8所示。

　　5 仿真結(jié)果分析

　　在上述的設(shè)計(jì)與仿真中，主回路是用于校正水位偏差的，前饋通路用于補(bǔ)償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動是內(nèi)擾，串級三沖量給水控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理。當(dāng)水位發(fā)生擾動時，汽包水位變化，系統(tǒng)立刻通過水位變送器將變化量反饋到主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器動作，進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而消除未進(jìn)入副回路的擾動，穩(wěn)態(tài)時保持汽包水位等于原來設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。但這種擾動發(fā)生后，系統(tǒng)是通過反饋?zhàn)饔脕磉M(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)會存在一定的遲延，不如調(diào)節(jié)前饋擾動量及時。而蒸汽流量擾動是外擾，在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動，保持水和蒸汽平衡，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反方向移動，因而減少了水位和給水流量的波動幅度。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水位偏差，最后穩(wěn)態(tài)時保持汽包水位等于原來設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

　　前饋控制系統(tǒng)被調(diào)量除了跟隨給定量變化而應(yīng)該變化外，被調(diào)量還會產(chǎn)生偏差，其原因是由于擾動作用引起的。倘若在擾動出現(xiàn)時，就能立即進(jìn)行控制，而不是等到偏差發(fā)生后再進(jìn)行控制，這樣就可以有效地消除擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響。

　　前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對被調(diào)量的影響，它是按擾動進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補(bǔ)償”。擾動補(bǔ)償屬于開環(huán)控制。前饋控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。前饋控制只能對于可以測量的擾動作用進(jìn)行擾動補(bǔ)償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對象與擾動通道的特性。

　　從仿真效果可知，串級三沖量給水控制系統(tǒng)對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應(yīng)，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。