é‹çˆä½œç‚ºä¸€ç¨®æŠŠç…¤ã€çŸ³æ²¹æˆ–天然氣等化石燃料所儲藏的化學能轉換成水或水蒸氣的熱能的重要設備，長期以來在工業生產和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業的迅猛發展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業50～60年代發展最快，70年代達到高峰。我國的鍋爐工業是在新中國成立后才建立和發展起來的，1953年在上海首創了上海鍋爐廠，從其在生產和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發電;工業鍋爐，主要用于直接供給工農業生產或驅動機械能源;生產鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現也就相應的出現了， 它長期以來就是控制領域的一個典型問題。伴隨著控制理論和控制技術的發展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動化控制，經歷了三四十年代單參數儀表控制， 四五十年代單元組合儀表綜合參數儀表控制，以及六十年代初期的計算機過程控制幾個階段，隨著六十年代第一臺計算機在控制中的應用以及此后計算機和通信技術的迅猛發展， 計算機逐漸進入了鍋爐控制領域并正在成為這一領域的主要角色。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計算功能為實現任意的控制算法提供了可能，這樣，先進的控制理論和控制算法進入鍋爐控制已經有了可能性。

　　對蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正常運行的主要指標之一，是一個重要的被調節參數。由于汽包水位在鍋爐運行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產自動化一般是從給水自動調節開始的。

　　隨著鍋爐參數的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：

　　(1)汽包的個數和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發面積減少，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受熱面的熱負荷，使鍋爐負荷對水位的影響加劇了;

　　(3)提高了鍋爐的工作壓力，使給水調節閥和給水管道系統相應復雜，調節閥的流量特性更不易滿足控制系統的要求。

　　由此可見，隨著鍋爐朝大容量、高參數的發展，給水系統采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。

　　1 汽包水位的動態特性

　　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水位的影響。鍋爐水位調節對象的原理結構如圖1所示。

　　

圖 1 給水調節對象結構圖

　　1- 給水母管;2- 調節閥;3- 省煤器;4- 汽包;5- 管路;6- 過熱器;7- 蒸汽管

　　給水調節對象的動態特性是指各種擾動下的汽包水位隨時間變化的特性。當擾動為階躍擾動時，對象的動態特性稱為階躍響應曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負荷、汽包壓力的變化等原因。

　　水位在給水擾動下的傳遞函數可表示為：

　　其擾動傳遞函數方框圖如圖2所示，可近似認為是一個積分環節和一個慣性環節的并聯或串聯的兩種形式。其擾動傳遞函數方框圖如圖2所示，可近似認為是一個積分環節和一個慣性環節的并聯或串聯的兩種形式。

　　

圖 2 給水擾動傳遞函數方框圖

圖 3 串級三沖量給水控制系統原理方框圖

　　

　　2 串極三沖量給水控制系統分析

　　采用單回路控制系統是不能滿足生產對控制品質的要求，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。三沖量給水系統又分為單級三沖量和串級三沖量給水系統。所謂單級三沖量給水系統，是指系統中用了一個調節器，而調節器的輸入有三個，因此得名。這種系統與雙沖量給水系統相比，多了一個流量反饋信號。給水量發生變化時，流量信號自然要比水位信號快得多，從而大大的改善了控制質量。但是，在系統參數整定時，內外回路相互關聯相互影響，不容易確定參數，從而得不到希望的調節效果，且負荷變化時水位靜態值是根據“靜態對比”來進行整定的。所以，又出現了串級三沖量給水系統，此系統更進一步完善了結構，提高了控制質量。

　　采用串級控制系統將具有更好的控制品質，調試整定也比較方便，故在大型汽包爐上可采用串級三沖量給水控制系統。

　　串級三沖量給水控制系統的原理圖如圖3所示。

　　這個系統有三個回路，Ⅰ為副回路，包括給水量W、副調節器 、執行器放大系數 、閥門系、給水流量變送器斜率 和給水流量分壓系數 ;Ⅱ為主回路，包括水位被控對象 、水位變送器斜率 、主調節器 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、副回路和被控對象。

　　這個系統中使用了兩個調節器，構成串級控制系統。為保證被調量無靜差，主調節器采用PI控制規律，副調節器采用PI或P控制規律，副調節器接受三個輸入信號，信號之間有靜態配合問題，但系統的靜態特性由主調節器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。

　　副回路的作用主要為快速消除內擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補償外擾，主要用于克服虛假水位現象。

　　3 前饋通路的設計

　　在串級三沖量給水控制系統中，副回路是一個調節器，一般用試探法整定副回路 ã€‚主回路參數整定是把副回路等效成一個比例環節，然后用經驗公式進行整定;前饋通路的選擇是基于“虛假水位”而定的。它主要是為了補償“虛假水位”現象。

       å‰é¥‹é€šè·¯çš„簡化圖見圖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

　　前饋通路中完全補償條件為：

　　若前饋通路的設計只考慮靜態補償，且與的靜態比值為一常數 ，則有：

　　其中 是虛假水位現象決定的常數，虛假水位現象嚴重時，K 值大，反之K 值小。負號表示前饋調節方向與虛假水位方向相反。

　　在負荷開始變化時，為使蒸汽流量信號更好地補償虛假水位現象，改善負荷擾動時調節過程的質量，一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號，即令 。

　　這時有若 ，則

　　4 串級三沖量給水控制系統的仿真

　　利用MATLAB仿真工具和VB開發界面，建立DEH仿真平臺，在不干擾生產的情況下，對DEH系統動態過程進行分析研究，從而避免了對系統參數調整的盲目性，使DEH系統各部分的動態過程完整地呈現出來。這對DEH系統優化運行中參數的整定、修改起到了預測和指導作用。實踐證明，利用MATLAB對自動控制系統進行仿真，具有安全、可靠、節省人力、物力和財力等優點，它為加快大型火電機組熱工自動控制系統的調試速度，提高火電廠熱工自動控制系統的投入率，又提供了一個新的方法和手段。

　　給水流量傳遞函數 ：

　　負荷從0～100t/h變化時，開方器輸出0～100mA調節器輸出從0～10mA變化時，閥門開度變化0%～100%，即執行器放大系數      。    閥門系數  ï¼Œçµ¦æ°´é‡åŠè’¸æ±½æµé‡è®Šé€å™¨æ–œçŽ‡ï¼Œ

　　水位變送器：在最大的水位波動范圍內 ï¼Œ 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快速比例環節基礎上的。主回路SINMULINK結構圖及仿真圖見圖5和圖6所示。

　　

　　圖 5 主回路的 SIMULINK 結構圖

　　

　　圖 6 主回路的仿真圖

　　圖6中縱坐標的表示相對水位，也就是期望達到的穩定水位，這里穩定值設為1。

　　從主回路SIMULINK仿真圖可以看出，雖然仿真曲線最終能達到穩定值1，但是并不理想，這是因為我們在整定主回路的時候把等效副回路中的給水流量信號的分壓系數 的值取為了0.5，所以下面用試探法修改參數，并進行仿真。

　　修改參數后主回路的SIMULINK結構圖如圖7所示。

　　

　　圖 7 主回路的 SIMULINK 結構圖

　　修改參數后的主回路仿真圖如圖8所示。

　　

　　圖 8 主回路的仿真圖

　　修改參數后的主回路的仿真曲線是一波半，顯示出很好的控制特性，并能穩定在穩定值1，這是因為在進行參數整定的時候，為了不降低副回路控制過程的快速性，同時要減小副調節器的比例帶，為了配合方便，最好為整數(一般為2，即 =0.5)，而在一般情況下，若要求在負荷不變的情況下，水位無靜差，給水流量信號的分壓系數 一般都取為1。

　　5 仿真結果分析

　　在上述的設計與仿真中，主回路是用于校正水位偏差的，前饋通路用于補償外擾，克服虛假水位現象。在串級三沖量給水控制系統中給水流量擾動是內擾，串級三沖量給水控制系統中主調節器的任務是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統的工作更為合理。當水位發生擾動時，汽包水位變化，系統立刻通過水位變送器將變化量反饋到主調節器， 使主調節器動作，進行調節，從而消除未進入副回路的擾動，穩態時保持汽包水位等于原來設定值，維持系統安全可靠的運行。但這種擾動發生后，系統是通過反饋作用來進行調節的，所以系統調節會存在一定的遲延，不如調節前饋擾動量及時。而蒸汽流量擾動是外擾，在串級三沖量給水控制系統中當蒸汽流量發生擾動時，蒸汽流量信號使給水調節閥一開始就向正方向移動，保持水和蒸汽平衡，即蒸汽流量增加，給水調節閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反方向移動，因而減少了水位和給水流量的波動幅度。主調節器的作用是校正水位偏差，最后穩態時保持汽包水位等于原來設定值，維持系統安全可靠的運行。

　　前饋控制系統被調量除了跟隨給定量變化而應該變化外，被調量還會產生偏差，其原因是由于擾動作用引起的。倘若在擾動出現時，就能立即進行控制，而不是等到偏差發生后再進行控制，這樣就可以有效地消除擾動對系統被調量的影響。

　　前饋控制是將擾動信號經前饋控制器處理后用以消除擾動對被調量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補償”。擾動補償屬于開環控制。前饋控制對系統的穩定性無影響，只要原系統是穩定的，施以前饋控制后，系統仍然穩定。前饋控制只能對于可以測量的擾動作用進行擾動補償。前饋控制器的結構、參數取決于被控制對象與擾動通道的特性。

　　從仿真效果可知，串級三沖量給水控制系統對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應，具有較高的調節質量和調節精度，能夠維持汽包水位的穩定，保障機組的安全穩定運行。