包钢热电厂2_锅炉汽包水位控制系统的应用与研究

包钢热电厂2#锅炉汽包水位控制系统的应用与研究刘丽霞（内蒙古科技大学，包头014010）摘要：保持汽包的正常水位是汽包锅炉和汽轮机安全运行的重要条件之一。

汽包水位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假水位”和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。

传统的控制方式主要采用三冲量PID控制算法，本文提出了用模糊PID参数自整定控制算法实现对汽包水位进行控制的方案,模糊PID参数自整定算法是在PID控制的基础上引入模糊控制的思想，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。

关键词：锅炉汽包水位模糊PID包钢热电厂是包钢主要的能源动力厂之一，主要供应包钢厂区生产和生活用蒸汽，以供热为主，发电为辅。

2#锅炉是上世纪七十年代武汉锅炉厂的产品，型号为WGZ—130/39—1型的中温中压煤粉锅炉。

1锅炉的结构和工艺流程2#锅炉是130T/H中温中压煤粉锅炉，其工艺流程如图1所示：图１锅炉的结构和工艺流程图该锅炉主要涉及参数：额定蒸发量：130t/h；额定蒸汽压力：3.9M Pa；额定蒸汽温度：450℃；给水温度：105℃排烟温度：160℃。

2锅炉汽水系统锅炉汽水系统如图2所示：其工作过程：给水由给水泵打入省煤器以后，在此加热成为汽包工作压力下的饱和水，进入汽包，然后沿下降管进入炉膛四周的水冷壁，在此吸收炉膛中的热量汽化后沿上升管回到汽包，从汽包中分离出的饱和蒸汽进入过热器，进一步吸收烟气中的热量变成过热蒸汽，送往鼓风机中做功。

锅炉是个复杂的系统，影响水位的因素很多，但主要因素是给水流量和蒸汽流量。

在锅炉的水位控制系统中，锅炉汽包水位控制系统的控制目标是：保持给水流量和蒸汽流量平衡，将水位控制在设定值。

其中影响水位的关键因素是蒸汽扰动，因为蒸汽扰动会引起“虚假水位”现象。

锅炉水位控制系统的好坏，主要取决于能不能很好地克服“虚假水位”现象，这正是锅炉汽包水位控制的难点。

本文采用将模糊控制与传统三冲量PID控制相结合，利用模糊PID控制策略对锅炉汽包水位实施控制。

3汽包水位模糊PID控制器的结构设计汽包水位模糊PID控制系统结构如图3所示。

1.给水管；2.调节阀；3.省煤器；4.汽包；5.下降管；6.上行管；7.过热器；8.蒸汽管图２锅炉汽水系统示意图自动化与控制91图３汽包水位模糊ＰＩＤ控制系统结构图该系统采用三冲量带前馈的串级控制模式。

从外部来看，蒸汽流量、给水流量和汽包水位等3个信号量经过变送器转换成电信号作为系统的输入量，输出量控制执行器改变给水阀的开度来调节给水流量，稳定汽包水位。

从系统内部分析，蒸汽流量与给水流量同时作用于副回路。

稳定状态下，二者相平衡，当其中之一由于受到干扰或自发扰动而改变时，给水流量调节器将根据二者的偏差，通过常规的PID 运算，输出作用于执行器超前调节给水流量，使水位保持基本不变。

主回路中的第一级调节器采用模糊PID 参数自调整控制器，在水位偏离给定值时，经控制器运算，得到给水流量的调整值，再经过给水流量调节器，驱动执行器改变给水流量，使水位恢复到给定值。

图中，控制目标为：使汽包水位达到给定水位H 0。

该系统由一个标准PID 控制器和一个模糊PID 控制器组成，标准PID 控制器根据水位偏差e 产生控制信号，模糊PID 控制器用于调节PID 控制器的参数K P 、K I 、K D 。

3模糊PID 控制系统的SIMULINK 仿真模型针对包钢热电厂2#锅炉控制品质要求，保证汽包水位的偏差在±50mm 范围内变化。

选取供汽量为130T/H 的2#锅炉汽包为被控对象，其给水流量与水位的传递函数为：G （s ）=0.05298.5s 2+s组建出模糊PID 控制系统的SIM ULINK 仿真模型如图4所示。

4仿真结果分析取量化因子K e =0.3，K ec =0.1，取K P 、K I 、K D 的比例因子分别为k P =0.8，k I =0.005，k D =25，令PID 参数的初始值k P ’=300、k I ’=0.3、k D ’=280，仿真时间设为40s ，加单位阶跃信号，并在第10s 加5.0（500%）的干扰，最终得到的常规PID 与模糊PID 响应曲线分别如图5、图6所示。

从曲线可看出模糊PID 控制的各项性能指标均优于常规PID 控制，具有响应快，超调小，过渡时间快的特点，显示出了良好的动态性能和稳态精度，且抗干扰能力较强。

5结束语本文将模糊控制与常规PID 控制相结合，构成具有参数自整定功能的智能控制系统，并在M ATLAB/SIM ULINK 的环境下组建了系统仿真模型，选择锅炉汽包水位作为仿真对象，仿真结果表明该模糊PID 控制方法用于锅炉汽包水位控制是可行的，这样离线的仿真实验减少了调试的人力物力，并为投入实际生产提供了理论依据。

参考文献[1]曾光奇.胡均安.王东.刘春玲.模糊控制理论与工程应用.华中科技大学出版社.2006.[2]杨正进.工业锅炉汽包水位单冲量仿人智能控制的研究及应用[D].重庆：重庆大学.2002.[3]郑文杰.张习睿.基于模糊PID 参数自调整的锅炉汽包水位控制设计.水利电力机械.第29卷.第1期.2007.1Application and Research on #2Boiler Drum Water Level Control System of Baotou Steel Thermal Power PlantLIU Lixia（Inner Monglia Scientific and technical university,Baotou014010）（下转第１０４页）图４模糊ＰＩＤ控制系统的ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型StepGain 0.30.1du/dtDerivative Gain1Fuzzy Logic Controller+-PID SubsysterAdd++++++0.05208.5s 2+s Transfer FcnScopeKDK-Kl K-KP K-To Worspacesimout Step1To Worspace1simout1Clock图６模糊ＰＩＤ控制系统响应曲线图５常规ＰＩＤ控制系统响应曲线（上接第９２页）Abstract:The normal water level is one of the important ele-ments for the safe operation of the drum boiler and the steam tur-bine.Drum water level control is to overcome the "false water level"caused by the boiler load change and other interferences that affect the water level,and maintain the water level in the drum within the allowed range.The traditional control mainly adopts a three-impulseP ID control algorithm.In this paper,fuzzy PID parameters self-tuning control algorithm is proposed to achieve control of drum water level.Fuzzy PID parameters self-tuning control algorithm is based on the tra-ditional PID control,with the introduction of fuzzy control thought and it not only has the flexible and adaptable advantages of fuzzy control,but also has high-precision characteristics of PID control.Key words:boiler ，drum water level ，fuzzy PID control式中：ΔL i =F （t ）i ·T=F i T ，为本次插补周期内的进给步长。

第二步，轨迹计算，由以上实时插补第一步，得到：u i+1=u i +Δu i ，将上一步计算出的参变量空间的下一点参数值映射到三维轨迹空间：把新参数u i +1带入NURBS 曲线方程（5）得到下一插补点位置：p i+1=p （u i+1）或x i+1=x（u i+1）y i+1=y（u i+1）z i+1=z（u i+1）（11）经过前面两步计算，在同一周期内，STEP-NC 数控系统得到下一点插补位置，不断重复上述两步骤，即可得到整个NURBS 曲线插补轨迹。

3.3误差分析在NURBS 曲线的插补过程中，由于插补点都准确的位于曲线上，因此加工过程中，不存在累积误差，但是在算法中用直线代替曲线会产生弓高误差，所以在插补算法中，为了保证插补精度，要保证每两个相邻插补点的连线与NURBS 曲线的弓高误差在规定的精度范围之内。

在NURBS 插补过程中，由于每两个相邻的插补点之间距离很小，所以可以将NURBS 曲线中两个插补点之间的曲线弧近似看做圆弧，如图1所示，L i 为两个插补点之间的距离，ε为插补过程中的弓高误差，R i 为插补点处的曲率半径，则弓高误差ε，由图1可得：ε=R i -R i 2-（L i /2）2姨（12）L i =V i T（13）得ε=R i -R i 2-（V i T /2）2姨（14）根据上式可知：插补曲线的曲率半径越大、进给速度越小、插补周期越短，则误差越小，加工精度越高。

当插补曲线的曲率较大时，用直线代替曲线会造成相对较大的误差。

4实例分析以下用一个实例说明NURBS 曲线轨迹，NURBS 曲线次数k =3，权因子列表为ω=[1,6,10,6,1,1,1]，节点序列为u =[0,0,0,0,1/2,3/4,1,1,1,1,1]，控制点为d [7][2]={{20,100},{50,20},{150,200},{200,100},{250,160},{300,110},{380,120}}。

该组数据经处理后生成相应的NURBS 曲线表达式，经仿真系统生成的轨迹曲线如图2所示。

图中实线为NURBS 曲线，点划线为B 样条曲线。

5结论本文研究了基于STEP-NC 的NURBS 插补技术，探讨了NURBS 插补算法，通过采用STEP-NC 新数控编程接口，可以确保零件的NURBS 曲线曲面几何信息和加工信息完整的输入到数控系统中，由数控系统直接进行NURBS 插补，减少了传统数控加工系统中因多次表面逼近所造成的误差。