锅炉汽包水位系统的AFSMC-PID串级控制研究

　　0　引　言

　　锅炉汽包水位是发电机组运行的一个重要监控参数,它间接地反映了锅炉负荷与给水的平衡关系,维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。水位过高,会破坏汽水分离装置的正常工作,严重时会导致蒸汽带水增多,从而增加过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢,甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片;水位过低,则会破坏水循环,引起水冷壁的破裂。另外,给水量也不应该时大时小的剧烈波动,否则,将对省煤器和给水管道的安全运行不利。目前,经过多年的理论研究,在汽包水位控制策略上已形成了单冲量、双冲量和三冲量等多种成熟控制方法。但是近年来随着机组容量的扩大,对给水系统提出了更高的要求:汽包蓄水量和蒸发面积减少,加快了汽包水位的变化速度;锅炉容量的扩大,显著地提高了锅炉受热面的热负荷,使锅炉负荷变化对水位的影响加剧,系统动态特性变化幅度较大。传统的控制方法由于系统的设计和分析依赖于控制对象的精确数学模型,对这种动态特性有较大时变且非线性比较严重的对象,由于难以建立准确的模型,故用传统的控制方法处理这类对象遇到了很多困难,很难达到理想的控制效果。因此,迫切需要一种鲁棒性强、算法相对简单的快速控制方案。

　　滑模控制(Sliding Mode Control, SMC)是变结构控制系统的一种控制策略,它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是,根据被调量的偏差及其导数,有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的,且与系统的参数及扰动无关,因而使系统具有很强的鲁棒性。另外,滑模变结构控制不需要任何在线辨识,当扰动出现时系统响应和调整速度快,控制率整定方法简单,所以很容易实现。滑模变结构控制在电力系统、交流传动、电力电子技术等领域得到了广泛地应用[1~4]。

　　本文采用模糊逼近及自适应控制方法,设计自适应模糊滑模控制器(Adaptive Fuzzy SlidingMode Control, AFSMC),不需要建立被控对象精确的数学模型,可以直接利用描述的模糊语言规则完成对给定输入的跟踪,加速自适应进程,同时减小跟踪误差。结合AFSMC、PID和串级控制的优点,对锅炉汽包水位控制系统采用AF-SMC-PID串级控制策略。内回路采用PID控制快速消除给水流量的扰动,外回路采用AFSMC控制克服蒸汽流量的扰动,有效的消除“虚假水位”现象。仿真结果表明:此方法响应时间快、鲁棒性好、精度高、自适应能力优的特点,控制效果优于传统的PID-PID串级控制系统。

　　1　自适应模糊滑模控制器(AF-SMC)设计