基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的鍋爐汽包水位串級控制

劉倩，石紅瑞

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

鍋爐是發(fā)電和供熱生產(chǎn)過程中的主要動力設(shè)備，汽包水位則是確保安全生產(chǎn)穩(wěn)定性、經(jīng)濟性以及提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要監(jiān)控參數(shù)之一，必須保持在某個期望值附近。它反映了鍋爐蒸汽量和給水量之間的一種動態(tài)平衡關(guān)系，水位高會導(dǎo)致蒸汽帶水進入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，使傳熱效率和蒸汽品質(zhì)下降，影響供汽的質(zhì)量；過低時會破壞部分水冷壁的水循環(huán)，影響省煤器運行效率，甚至帶來干鍋和鍋爐爆炸的危險[1]。因此，汽包水位必須控制在一定范圍內(nèi)，而影響汽包水位的因素很多，主要的是蒸汽流量和給水流量的波動。

數(shù)據(jù)驅(qū)動控制(DDC)是指控制器設(shè)計不包含受控過程數(shù)學(xué)模型信息，僅利用受控系統(tǒng)的在線或離線I/O數(shù)據(jù)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到的知識來設(shè)計控制器，并在一定的假設(shè)下，有收斂性、穩(wěn)定性保障和魯棒性結(jié)論的控制理論與方法[2-3]。DDC典型的控制方法有迭代學(xué)習(xí)控制[4]和無模型自適應(yīng)控制(MFAC)[5]。本文在DDC理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合MFAC和串級PID控制方式，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的MFAC-PID控制方案應(yīng)用于汽包水位控制，并在SMPT-1000半實物鍋爐仿真系統(tǒng)中進行了應(yīng)用研究。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動控制

1.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論

隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，工藝設(shè)備越來越復(fù)雜，對控制品質(zhì)的要求越來越高，對這些工業(yè)過程進行機理建?；蛘弑孀R建模也變得越來越困難。因此，利用這些離線或在線的過程數(shù)據(jù)直接進行控制器設(shè)計，實現(xiàn)對于這些過程的有效控制，甚至實現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測、預(yù)報、診斷和評估等，對完善控制理論具有十分重要的意義。

1.2 無模型自適應(yīng)控制方法

MFAC的理論基礎(chǔ)是利用一個新引入的偽偏導(dǎo)數(shù)[6]PPD(pseudo partial derivative)，在受控系統(tǒng)軌線附近用緊格式、偏格式、全格式一系列的動態(tài)線性時變模型來替代一般非線性系統(tǒng)，然后基于該等價虛擬模型再利用受控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)在線估計系統(tǒng)的偽偏導(dǎo)數(shù)，從而實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的MFAC。本文對非線性系統(tǒng)采用緊格式線性化方法[7]。

1.2.1非線性系統(tǒng)的線性化

一般SISO離散時間非線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系如式(1)所示：

y(k+1)=f(y(k)，y(k-1)，…，
y(k-ny)，u(k)，u(k-1)，…，u(k-nu))

(1)

式中：u(k)，y(k)——系統(tǒng)在k時刻的輸入與輸出；nu，ny——系統(tǒng)的階數(shù)；f(…)——非線性函數(shù)。

式(1)的泛模型可以表示為

Δy(k+1)=φ(k)Δu(k)

(2)

式中：Δy(k+1)=y(k+1)-y(k)；Δu(k)=u(k)-u(k-1)；φ(k)——偽偏導(dǎo)數(shù)。

式(2)稱為式(1)的泛模型，它結(jié)構(gòu)簡單，可將一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個帶有單參數(shù)線性時變系統(tǒng)。

1.2.2無模型自適應(yīng)控制算法

MFAC算法如式(3)所示：

(3)

式中：ρ——步長序列；λ——權(quán)重因子，既限制了Δu(k)的變化，又可以避免式中分母可能為0的情況。

偽偏導(dǎo)數(shù)估計算法如式(4)所示：

(4)

1.2.3辨識與控制

2 MFAC-PID控制方案

針對汽包水位存在的滯后和慣性以及大擾動特性，如果采用僅以水位為被控變量的單回路系統(tǒng)，則控制過程中對內(nèi)外干擾不靈敏，不能及時克服。為此，方案中考慮串級控制方式，內(nèi)回路用PID控制來快速消除給水流量的擾動，外回路采用基于泛模型的MFAC控制，來適應(yīng)給水過程中的不確定的大滯后和實現(xiàn)無靜差控制為主要目標。另外，實際過程中的蒸汽流量的干擾是可測的，作為前饋補償也引入了控制系統(tǒng)當(dāng)中，一定程度上克服了虛假水位的影響。

基于上述思想設(shè)計的控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，H，H0分別代表汽包實際水位和給定值；GW(s)，GD(s)分別為給水流量和蒸汽流量對汽包水位的傳遞函數(shù)。

圖1 汽包水位MFAC-PID串級控制系統(tǒng)示意

3 控制系統(tǒng)仿真研究

為驗證所設(shè)計控制方案的有效性，首先在Matlab/Simulink平臺上開發(fā)了MFAC模塊，其內(nèi)部設(shè)計如圖2所示。圖2中，控制律算法和偽偏導(dǎo)數(shù)估計算法是通過M文件編寫S-Fuction來實現(xiàn)的，將其封裝為帶λ和ρ兩個參數(shù)的MFAC模塊，以便調(diào)用。MFAC-PID串級控制系統(tǒng)仿真如圖3所示。

圖2 無模型自適應(yīng)控制模塊示意

圖3 MFAC-PID串級控制系統(tǒng)仿真示意

圖4 汽包水位控制仿真結(jié)果比較示意

圖4為MFAC-PID和PID仿真比較結(jié)果。從圖4可見： 在設(shè)定值階躍響應(yīng)階段，PID串級控制算法的調(diào)整時間為350 s，其超調(diào)量約為50%；MFAC-PID串級控制算法的調(diào)整時間為250 s，其超調(diào)量為30%。在蒸汽擾動階段，PID串級控制算法的調(diào)整時間大于400 s，其超調(diào)量高達170%；MFAC-PID串級控制算法的調(diào)整時間約為250 s。在給水?dāng)_動階段，PID串級控制算法的震蕩回復(fù)時間約為250 s，其超調(diào)量約為20%；MFAC-PID算法的調(diào)整時間為200 s，其超調(diào)量為10%。

從以上數(shù)據(jù)可看出，MFAC-PID算法能更好地克服虛假水位現(xiàn)象出現(xiàn)時對系統(tǒng)的影響，在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量等方面的控制性能要優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

4 控制方案在SMPT-1000上的應(yīng)用

SMPT-1000設(shè)備是一個完整的、基于實驗室環(huán)境的對工業(yè)現(xiàn)場在線化的半實物鍋爐仿真系統(tǒng)[9]。在SMPT-1000上包含汽包水位對象的實驗項目總貌如圖5所示，與汽包水位系統(tǒng)相關(guān)的檢測儀表與執(zhí)行機構(gòu)變量有： 鍋爐給水質(zhì)量流量(FI1101)，過熱蒸汽質(zhì)量流量(FI1105)，汽包水位(LI1102)，鍋爐上水管線控制閥(FV1101)，過熱蒸汽出口管線控制閥(FV1105)，鍋爐上水管線控制閥旁路閥(HV1101)。

PCS7是一種基于現(xiàn)場總線的過程控制系統(tǒng)，它兼具可編程控制器與分散控制系統(tǒng)的優(yōu)點[9]。汽包水位控制系統(tǒng)在SMPT-1000設(shè)備上的實現(xiàn)，以PCS7為控制器，并進行SMPT-1000與PCS7的通信連接，運行系統(tǒng)，測試其控制效果。

在PCS7系統(tǒng)中完成硬件和軟件組態(tài)，而后用SCL語言編程實現(xiàn)MFAC算法，用CFC連接圖表組態(tài)控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)參數(shù)整定后為： 主控制器參數(shù)ρ=0.8，λ=0.3，副控制器參數(shù)為KP=3，前饋增益為2.65，運行系統(tǒng)，并測試設(shè)定值階躍、蒸汽擾動和給水?dāng)_動下的控制效果，實驗結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5 鍋爐系統(tǒng)工藝流程示意

效果對比示意圖中，前半部分為MFAC-PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，后半部分為PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。從圖6～圖8可見： 在設(shè)定值階躍的情況下，MFAC-PID串級控制系統(tǒng)對于液位LI1102變化10%的正階躍響應(yīng)超調(diào)約為17%，調(diào)節(jié)時間約為60 s；而PID控制下的正階躍響應(yīng)超調(diào)有47%，調(diào)節(jié)時間約為130 s。在蒸汽擾動下，MFAC-PID控制使得汽包水位對于蒸汽閥門FV1105開度10%變化的階躍響應(yīng)超調(diào)量為10%，且在35 s左右恢復(fù)穩(wěn)態(tài)；而PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量達33%，調(diào)節(jié)時間相對更長。在給水?dāng)_動下，對于HV1101開度10%變化，MFAC-PID控制的響應(yīng)也好于PID控制，其超調(diào)量為10%，調(diào)節(jié)時間短。由此可見，MFAC-PID串級控制方案的控制效果更為理想，能很好地消除擾動對汽包水位的影響。

a) 汽包液位LI1102控制效果示意

b) 鍋爐給水流量FI1101控制效果示意

c) 過熱蒸汽流量FI1105控制效果示意圖6 設(shè)定值階躍下的控制效果對比

a) 汽包水位LI1102控制效果示意

b) 鍋爐給水流量FI1101控制效果示意

c) 過熱蒸汽流量FI1105控制效果示意圖7 蒸汽擾動下的控制效果對比

a) 汽包水位LI1102控制效果示意

b) 鍋爐給水流量FI1101控制效果示意

c) 過熱蒸汽流量FI1105控制效果示意圖8 給水?dāng)_動下的控制效果對比

5 結(jié)束語

本文基于DDC的基本思想，綜合MFAC和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點，設(shè)計了MFAC-PID串級控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到鍋爐汽包中。從以上的仿真效果和應(yīng)用研究，達到了預(yù)期的效果，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，具有較好的魯棒性，在抑制干擾方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID串級控制；從應(yīng)用角度來看，它無需根據(jù)模型來設(shè)計系統(tǒng)，具有很好的可移植性，參數(shù)整定簡單，具有廣闊的應(yīng)用前景。