鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲(chǔ)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(zhǎng)期以來(lái)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(guó)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(guó)的鍋爐工業(yè)是在新中國(guó)成立后才建立和發(fā)展起來(lái)的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠(chǎng)，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(dòng)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(shuō)鍋爐控制問(wèn)題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了， 它長(zhǎng)期以來(lái)就是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型問(wèn)題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動(dòng)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(guò)程控制幾個(gè)階段，隨著六十年代第一臺(tái)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(duì)蒸汽鍋爐來(lái)說(shuō)，汽包水位是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)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(lèi)鍋爐的生產(chǎn)自動(dòng)化一般是從給水自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)始的。

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

　　(1)汽包的個(gè)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(duì)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(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求。

　　由此可見(jiàn)，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(dòng)控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。

　　1 汽包水位的動(dòng)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(duì)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(duì)水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對(duì)象的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 給水調(diào)節(jié)對(duì)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(guò)熱器;7- 蒸汽管

　　給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指各種擾動(dòng)下的汽包水位隨時(shí)間變化的特性。當(dāng)擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性稱(chēng)為階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。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(dòng)下的傳遞函數(shù)可表示為：

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

圖 2 給水?dāng)_動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖

圖 3 串級(jí)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(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)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(jí)三沖量和串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)。所謂單級(jí)三沖量給水系統(tǒng)，是指系統(tǒng)中用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器的輸入有三個(gè)，因此得名。這種系統(tǒng)與雙沖量給水系統(tǒng)相比，多了一個(gè)流量反饋信號(hào)。給水量發(fā)生變化時(shí)，流量信號(hào)自然要比水位信號(hào)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(shí)，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(shí)水位靜態(tài)值是根據(jù)“靜態(tài)對(duì)比”來(lái)進(jìn)行整定的。所以，又出現(xiàn)了串級(jí)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(jí)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(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)。

　　串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

　　這個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)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(mén)系、給水流量變送器斜率 和給水流量分壓系數(shù) ;Ⅱ?yàn)橹骰芈罚ㄋ槐豢貙?duì)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(duì)象。

　　這個(gè)系統(tǒng)中使用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。為保證被調(diào)量無(wú)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(gè)輸入信號(hào)，信號(hào)之間有靜態(tài)配合問(wèn)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(hào)并不要求與給水流量信號(hào)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)

　　在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)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(gè)比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)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(bǔ)償“虛假水位”現(xiàn)象。

       前饋通路的簡(jiǎn)化圖見(jiàn)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(bǔ)償條件為：

　　若前饋通路的設(shè)計(jì)只考慮靜態(tài)補(bǔ)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(yán)重時(shí)，K 值大，反之K 值小。負(fù)號(hào)表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。

　　在負(fù)荷開(kāi)始變化時(shí)，為使蒸汽流量信號(hào)更好地補(bǔ)償虛假水位現(xiàn)象，改善負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程的質(zhì)量，一般使蒸汽流量信號(hào)大大高于給水流量信號(hào)，即令 。

　　這時(shí)有若 ，則

　　4 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真

　　利用MATLAB仿真工具和VB開(kāi)發(fā)界面，建立DEH仿真平臺(tái)，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對(duì)DEH系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析研究，從而避免了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使DEH系統(tǒng)各部分的動(dòng)態(tài)過(guò)程完整地呈現(xiàn)出來(lái)。這對(duì)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(cè)和指導(dǎo)作用。實(shí)踐證明，利用MATLAB對(duì)自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試速度，提高火電廠(chǎng)熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的投入率，又提供了一個(gè)新的方法和手段。

　　給水流量傳遞函數(shù) ：

　　負(fù)荷從0～100t/h變化時(shí)，開(kāi)方器輸出0～100mA調(diào)節(jié)器輸出從0～10mA變化時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度變化0%～100%，即執(zhí)行器放大系數(shù)      。    閥門(mén)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(dòng)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(gè)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(jiàn)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(biāo)的表示相對(duì)水位，也就是期望達(dá)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(xiàn)最終能達(dá)到穩(wěn)定值1，但是并不理想，這是因?yàn)槲覀冊(cè)谡ㄖ骰芈?img src="https://pic.chuandong.com/upload/images/20210617/6375953513990482401266604.jpg" title="25.jpg" alt="25.jpg">的時(shí)候把等效副回路中的給水流量信號(hào)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(jìn)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(xiàn)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?yàn)樵谶M(jìn)行參數(shù)整定的時(shí)候，為了不降低副回路控制過(guò)程的快速性，同時(shí)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(fù)荷不變的情況下，水位無(wú)靜差，給水流量信號(hào)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(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(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動(dòng)是內(nèi)擾，串級(jí)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(jí)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(dòng)時(shí)，汽包水位變化，系統(tǒng)立刻通過(guò)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(dòng)作，進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而消除未進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)保持汽包水位等于原來(lái)設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。但這種擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)是通過(guò)反饋?zhàn)饔脕?lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)會(huì)存在一定的遲延，不如調(diào)節(jié)前饋擾動(dòng)量及時(shí)。而蒸汽流量擾動(dòng)是外擾，在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥一開(kāi)始就向正方向移動(dòng)，保持水和蒸汽平衡，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，抵消了由于“虛假水位”引起的反方向移動(dòng)，因而減少了水位和給水流量的波動(dòng)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(shí)保持汽包水位等于原來(lái)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(huì)產(chǎn)生偏差，其原因是由于擾動(dòng)作用引起的。倘若在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，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(dòng)對(duì)系統(tǒng)被調(diào)量的影響。

　　前饋控制是將擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，它是按擾動(dòng)進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作“擾動(dòng)補(bǔ)償”。擾動(dòng)補(bǔ)償屬于開(kāi)環(huán)控制。前饋控制對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)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(duì)于可以測(cè)量的擾動(dòng)作用進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對(duì)象與擾動(dòng)通道的特性。

　　從仿真效果可知，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)對(duì)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。