汽包水位的自抗扰控制系统的研究

姚美莲

(东莞市技师学院,广东东莞 523112)

汽包水位的自抗扰控制系统的研究

姚美莲

(东莞市技师学院,广东东莞 523112)

针对汽包锅炉水位的特点,本文提出了汽包水位的自抗扰控制方法,该自抗扰控制系统在单冲量控制系统的基础上采用三冲量串级控制系统控制水位,其中内环控制采用比例控制,外环控制采用自抗扰控制。自抗扰控制器通常由非线性跟踪微分器、非线性扩张状态观测器和非线性状态反馈控制率组成。仿真结果表明,该控制方法具有更好的控制性能,能够精确快速平滑控制,鲁棒性和抗干扰能力远优于常规PID控制。

汽包水位 PID 自抗扰

锅炉的汽包水位参数是衡量锅炉安全运行的重要标志，体现了给水量与蒸汽流量之间的动态平衡关系。蒸汽流量增加时，容易使得过热器积垢，损坏管道，从而汽包水位不能过高。当汽包水位过于满水时，容易造成蒸汽温度下降，对汽轮机叶片造成严重的水冲击以至于腐蚀而破坏。当汽包水位过低时，容易破坏水循环，出现严重的缺水使水冷壁的安全受到破坏或威胁[1]。因此，传统的PID控制很难对各种工况下的汽包水位控制好。由于自抗扰控制器是在汲取了PID控制的精华，融入了现代控制理论，使其具有良好的控制性能。

1 自抗扰控制器

自抗扰控制技术是一种建立在PID控制的基础上，结合了PID和现代控制理论的成果。它最初由韩京清研究员提出，成功应用在风力发电中。自抗扰控制器主要由3部分组成，它们是一个非线性跟踪微分器，一个非线性状态误差反馈控制器和一个非线性扩张状态观测器。跟踪微分器的作用为控制系统的暂态提供过渡过程，使得控制系统响应更快且无超调。非线性状态误差反馈率可以认为是整个自抗扰控制器的神经中枢，为被控对象提供控制输入，采用比例微分控制结合最优综合函数，使得自抗扰控制由PID的连续控制转化为非线性控制。非线性扩张状态观测器为自抗扰控制器提供实时的估计变量，把被控对象及其扰动转化为积分串联型结构。一般来说，只要某个控制器具有非线性状态扩张器或其他观测器，可以估计扰动并补偿，就可以称其控制方法为自抗扰控制。一般高阶对象都可以近似转化为二阶对象。

2 自抗扰控制器在汽包水位上的应用

火电厂的汽包锅炉水位的典型三冲量控制结构如图1所示。图中的H为被控对象汽包水位，D为蒸汽流量，W为给水流量。H0为汽包水位的设定值，Gd蒸汽流量对汽包水位的传递函数，Kd为蒸汽流量测量变送器的传递函数，Kw为给水流量的传感变送器，Kh为汽包水位的传感变送器的传递函数。Kv为控制调节阀的传递函数，Gb为蒸汽流量扰动的前馈传递函数，Gf为给水流量扰动的反馈传递函数。Gc1为内环PID控制器的传递函数，Gc2为外环调节器的传递函数。

图1 锅炉汽包水位的典型的串级自抗扰控制系统

某锅炉在某一运行工况下的水位传递函数的及参数为：

2.1 PID和自抗扰的鲁棒性单位阶跃对比试验

从(图2)可以看出，PID串级控制系统在参数不变的情况下基本满足控制要求，但是当汽包锅炉水位的参数发生变化时，调节时间和超调量明显变大进而发散不能控制；而自抗扰串级控制的调节时间更短、超调量更小、抗干扰能力更强，且对于参数的变化不太敏感，具有较强的鲁棒性。

图2 鲁棒性对比试验

2.2 PID和自抗扰的蒸汽扰动单位阶跃对比试验

在300s加入蒸汽扰动，当蒸汽流量扰动为蒸汽流量D在25%外扰时，PID与自抗扰的对比试验如(图3)所示。从图中可以看出，PID抗蒸汽扰动能力较弱，当加入蒸汽扰动时，水位发生了振荡并经过数次振荡才渐趋平衡状态，而自抗扰抗扰能力更强，几乎不受蒸汽扰动太大影响。

图3 蒸汽扰动对比试验

3 结语

自抗扰控制系统对非线性、强干扰、时变性、时不变性、不确定性、强耦合和大时滞等复杂系统均具有较好的控制性能，是一种非常实际运用的非线性鲁棒控制器。锅炉汽包水位的自抗扰控制效果比常规PID控制等方案控制效果较好，它具有水位的抗干扰性更高、恢复能力更强、鲁棒性更强、算法简单等特点，能够有效控制汽包水位等比较复杂的热工对象，具有一定的实际应用价值。

[1]王东风,韩璞,王国玉.锅炉汽包水位系统的预测函数控制[J].华北电力大学学报,2003,30(3)：44-471.

[2]韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策,1998,13(1)：19-231.