[发明专利]一种改进的锅炉汽包水位控制方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及锅炉的自动技术领域，特别是结合了预测控制与卡尔曼滤波的锅炉汽包水位自动控制的技术领域。

【背景技术】

锅炉是工厂的重要动力设备，为了保证提供合格的蒸汽，必须使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量。工业锅炉汽包水位自动控制的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。水位高度是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。现代锅炉的特点之一是蒸发量显著提高，汽包容积相对减少，水位变化速度很快，非常容易产生满溢或是烧干的危险。水位过高，会影响汽包内汽水分离的效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故，也会增加过热器管壁上的结垢；水位过低，造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。

目前，锅炉汽包水位的自动控制方法有许多种，比如CN200910175389汽包锅炉水位控制系统的前馈信号控制方法，是利用炉膛压力与汽包压力组成的前馈信号来克服“虚假水位”；CN201310256617一种汽包的水位控制方法，则是通过给水量与蒸发量的差值来实现控制；但是缺乏全局优化与实时更新的效果。CN200910155793燃煤锅炉汽包水位系统混合控制方法，是通过最小二乘的辨识模型，然后利用预测PI控制与P控制的方法对汽包水位进行自动调节；CN201210492396一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法，是通过建立云模型控制器来实现调节过程；两者建立过程模型方法不同，而且不处理测量噪声，从而使得控制效果也有所区别。

一种改进的锅炉汽包水位控制方法是利用预测控制与卡尔曼滤波来稳定地调节水位控制过程的曲线，使得建立的过程模型更加精确，水位波动的幅度更加小，安全性能更高，控制效果更好。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种改进的锅炉汽包水位控制方法，可以明显减小测量噪声与汽包水位波动的方差，有效提高过程系统的控制精度，并且易于实现计算机控制。

为实现上述目的，本发明提出了一种改进的锅炉汽包水位控制方法，所述的控制方法利用预测控制和卡尔曼滤波结合的形式对锅炉汽包的水位进行跟踪控制，具体步骤包括：

(a)机理建模：建立汽包水位与水量阀门之间的机理模型，水流量作为操作变量，汽包水位作为被控变量；

(b)线性处理：对模型进行线性化，得到汽包水位与水流量之间的线性模型；

(c)参数确定：选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a₁,a₂.....a_N，仿真调优确定其他参数；

(d)参考轨迹确定：确定柔化系数a，从水位上升过程的实时值y(k)出发向设定值光滑过度的一条曲线；

(e)优化计算：水位传感变送器获得水位的实时测量值y(k)，结合(a)中建立的机理模型，经过卡尔曼滤波算法，消除测量噪声，得到卡尔曼滤波后的测量值与参考曲线y_r比较，计算偏差e。

(f)在线校正：对预测值校正，移位设置该时刻温度预测初值Y_N0，得到水流量变化增量Δu，调节阀门开度，由控制增量计算控制量u并输出，最后计算输出预测值Y_N1。

作为优选，所述(d)步骤中，柔化系数a的选择对于汽包水位的控制效果具有非常大的影响，a越小，参考轨迹快速性更好，但是鲁棒性能降低，需要根据锅炉汽包的具体工况确定。

作为优选，所述(e)步骤中，控制方法是对结合了预测控制的滚动优化、实时控制与卡尔曼滤波的消除测量噪声这两类控制的优点，控制效果更好。

作为优选，所述(e)步骤中，线性处理是采用基于动态矩阵预测控制算法，它将卡尔曼滤波后的水位测量值与参考曲线y_r比较,得到偏差e来对水位预测值进行校正。

作为优选，所述(f)步骤中，卡尔曼滤波算法是通过对汽包水位测量值y和预测模型的输出值y_m(k)进行更新，从而获得消除测量噪声后的汽包水位值