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算機過程控制幾個階段，隨著六十年代第一臺計算機在控制中的應(yīng)用以及此后計算機和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展， 計算機逐漸進入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計算功能為實現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進的控制理論和控制算法進入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。

　　對蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正常運行的主要指標之一，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)受熱面的熱負荷，使鍋爐負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，它可以大大減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。

　　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。

圖 1 給水調(diào)節(jié)對象結(jié)構(gòu)圖

　　1- 給水母管;2- 調(diào)節(jié)閥;3- 省煤器;4- 汽包;5- 管路;6- 過熱器;7- 蒸汽管

　　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，其它還有爐膛熱負荷、汽包壓力的變化等原因。

　　水位在給水擾動下的傳遞函數(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。

圖 2 給水擾動傳遞函數(shù)方框圖

圖 3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖

　　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，且負荷變化時水位靜態(tài)值是根據(jù)“靜態(tài)對比”來進行整定的。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)有三個回路，Ⅰ為副回路，包括給水量W、副調(diào)節(jié)器 、執(zhí)行器放大系數(shù) 、閥門系、給水流量變送器斜率 和給水流量分壓系數(shù) ;Ⅱ為主回路，包括水位被控對象 、水位變送器斜率 、主調(diào)節(jié)器 和副回路;Ⅲ位前饋通路，包括蒸汽流量變送器斜率和蒸汽流量分壓系數(shù)、副回路和被控對象。

　　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

　　在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個調(diào)節(jié)器，一般用試探法整定副回路 。主回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗公式進行整定;前饋通路的選擇是基于“虛假水位”而定的。它主要是為了補償“虛假水位”現(xiàn)象。

       前饋通路的簡化圖見圖4所示，通路中 的選擇是基于“虛假水位”情況而定的。

圖 4 前饋通路等效圖

　　前饋通路中完全補償條件為：

　　若前饋通路的設(shè)計只考慮靜態(tài)補償，且與的靜態(tài)比值為一常數(shù) ，則有：

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

　　在負荷開始變化時，為使蒸汽流量信號更好地補償虛假水位現(xiàn)象，改善負荷擾動時調(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 。

　　這時有若 ，則

　　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)化運行中參數(shù)的整定、修改起到了預(yù)測和指導(dǎo)作用。實踐證明，利用MATLAB對自動控制系統(tǒng)進行仿真，具有安全、可靠、節(jié)省人力、物力和財力等優(yōu)點，它為加快大型火電機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) ：

　　負荷從0～100t/h變化時，開方器輸出0～100mA調(diào)節(jié)器輸出從0～10mA變化時，閥門開度變化0%～100%，即執(zhí)行器放大系數(shù)      。    閥門系數(shù)  ，給水量及蒸汽流量變送器斜率，

　　水位變送器：在最大的水位波動范圍內(nèi) ， 變送器輸出電壓是0～10V，所以，水位變送器斜率

　　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。

　　圖 5 主回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖

　　圖 6 主回路的仿真圖

　　圖6中縱坐標的表示相對水位，也就是期望達到的穩(wěn)定水位，這里穩(wěn)定值設(shè)為1。

　　從主回路SIMULINK仿真圖可以看出，雖然仿真曲線最終能達到穩(wěn)定值1，但是并不理想，這是因為我們在整定主回路的時候把等效副回路中的給水流量信號的分壓系數(shù) 的值取為了0.5，所以下面用試探法修改參數(shù)，并進行仿真。

　　修改參數(shù)后主回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

　　圖 7 主回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖

　　修改參數(shù)后的主回路仿真圖如圖8所示。

　　圖 8 主回路的仿真圖

　　修改參數(shù)后的主回路的仿真曲線是一波半，顯示出很好的控制特性，并能穩(wěn)定在穩(wěn)定值1，這是因為在進行參數(shù)整定的時候，為了不降低副回路控制過程的快速性，同時要減小副調(diào)節(jié)器的比例帶，為了配合方便，最好為整數(shù)(一般為2，即 =0.5)，而在一般情況下，若要求在負荷不變的情況下，水位無靜差，給水流量信號的分壓系數(shù) 一般都取為1。

　　5 仿真結(jié)果分析

　　在上述的設(shè)計與仿真中，主回路是用于校正水位偏差的，前饋通路用于補償外擾，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，進行調(diào)節(jié)，從而消除未進入副回路的擾動，穩(wěn)態(tài)時保持汽包水位等于原來設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運行。但這種擾動發(fā)生后，系統(tǒng)是通過反饋作用來進行調(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，就能立即進行控制，而不是等到偏差發(fā)生后再進行控制，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，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補償”。擾動補償屬于開環(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行擾動補償。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，保障機組的安全穩(wěn)定運行。