基于Simulink的锅炉给水非线性控制系统

本文研究设计的非线性PI控制器是采用了在传统线性PI控制器基础上增加双曲余弦函数增益，两者构成新非线性PI控制器。再借助Simulink仿真软件对所设计的非线性控制系统进行稳定性、准确性、快速性方面的性能分析，并对锅炉给水非线性PI控制系统与锅炉给水线性PI控制系统进行了仿真比较，结果表明非线性PI控制器对典型热力过程控制系统的动态性能有显著改善。

电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用。其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制[1]。在锅炉运行中，汽包水位是一个需要实时监控的重要指标，它间接反映了蒸汽流量与给水流量之间的物质平衡关系，锅炉给水控制的目的就是保证锅炉给水量与蒸发量相适应，保持两者的质量平衡。对于汽包锅炉，汽包水位作为被控对象，受给水流量、蒸汽流量、锅炉燃烧率等扰动因素的影响而波动，导致汽包水位不能保持静态平衡。手动控制给水很难维持汽包水位，随着火力发电机组容量的不断扩大，为确保发电厂的安全和稳定，为保证汽包水位始终维持在符合安全规则的范围内波动，使其他机组设备可以安全稳定的运行，就需要采用一套优良的水位自动控制系统来满足生产要求。对于汽包水位控制系统，国内外大多数电厂都采用基于传统PID 控制策略的经典给水控制系统，此方式是根据被控对象的特性建立相应的数学模型，然后采用PID 控制器，构成完整的汽包锅炉给水自动控制系统。目前， 随着计算机在锅炉给水控制系统的发展及广泛应用，在国内许多科研人员针对给水控制本身的特点，提出了如下系列先进的控制理论来控制锅炉汽包水位：线性PID 控制，非线性PID 控制，模糊控制，预测控制，专家控制，神经网络控制等。为了突破常规PI 控制器的线性特性对控制性能的制约，近年来出现了各种非线性PI 控制器[2]， 以提高控制系统的性能。

本文以某火力发电厂300 MW 机组锅炉汽包水位为控制对象(锅炉汽包总水容积为49.8 m3，工作水容积为25 m3，直径长度为1720 mm，正常水位在中心线0 mm，即汽包机械中心线860 mm 位置处[3])，设计了一种新型PI 控制器，以提高给水控制系统的性能。

2. 非线性PI 控制器 PI 控制， 即比例积分控制中作为锅炉给水控制系统的控制器。

锅炉给水控制系统中的PI 控制器控制作用由比例和积分两种基本的控制作用组成。比例控制方式是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例调节器加入积分调节作用后变成比例积分调节器。

图1 的组态框图直观表示PI 控制与P 控制、I 控制之间的构成关系。

Figure 1. PI control configuration block diagram 图1. PI 控制组态框图