摘要：通過對堿回收鍋爐汽包液位控制方案的分析研究，提出專家協調智能控制方案，實現了對傳統三沖量控制方法的改進，能夠按照系統實際運行狀況智能選擇控制策略，實際運行結果證實了該方案的可行性。 關鍵詞：燃燒工段；專家控制；汽包液位 ABSTRACT： Through to the alkali recycling boiler steam drum fluid position control plan analysis research, proposed the expert coordinates the intelligent control plan, which has realized to the traditional three impulse control method improvement, which can defer to the system actual movement condition intelligence selectivity control strategy. The practical running results showed the methods are feasible. KEYWORDS：combustion workshop section; Expert Control; steam package fluid 在制漿造紙業的堿回收工藝中，黑液燃燒系統是最復雜也是最重要的工段。燃燒工段的主要設備為堿回收鍋爐。堿回收鍋爐汽包液位控制的效果直接影響到鍋爐的高效和安全運行。當鍋爐的給水量與蒸發量保持平穩時，鍋爐的液位才不變。如果鍋爐的給水量變化或蒸發量變化，液位就會發生變化，因此必須觀察液位變化來調整給水量，使它跟隨蒸汽負荷的大小而相應變化，以保持液位在規定的范圍內變化。工程中一般采用自動液位控制系統來控制汽包液位，控制的效果取決于控制系統的結構和控制策略。下面介紹陜西某造紙廠燃燒工段控制情況。 1　鍋爐汽包液位控制簡介 汽包液位是鍋爐運行的主要指標，是一個非常重要的被控變量，維持液位在一定的范圍內是保證鍋爐安全運行的首要條件。這是因為：（1）液位過高會影響汽包內汽水分離，飽和水蒸氣帶水過多，會使過熱管結垢導致損壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降。（2）液位過低，則由于汽包的水量較少，而負荷很大時，水的汽化速度加快，因而汽包內的水量變化速度很快，如不及時調節就會使汽包內的水全部汽化，導致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。影響液位變化的因素很多，在實際運行中，鍋爐負荷的變化必然會引起鍋爐汽包蒸汽壓力的變化，使熱平衡狀態受到破壞。 考慮到汽包液位系統的非線性和時滯性，各種參數隨運行條件的改變而變化，因此，采用常規控制方法適應燃燒過程的多邊因素，往往難以達到預期的控制效果。為此，本文基于現場操作經驗，構造了一種常規PID控制與專家控制相結合的智能專家協調控制方案來控制堿回收鍋爐的汽包液位。由于集中了傳統控制和專家控制系統技術的優點，實現了兩種控制策略在靜態、動態控制性能上的互補，使得鍋爐液位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自控，獲得良好的控制效果。 2　鍋爐汽包液位的智能專家協調控制方案 2.1　堿回收鍋爐的上汽包液位過程特性 液位控制的要求就是維持汽包內液位在某個要求的范圍內，主要通過調節給水量來控制液位的穩定。從質量平衡的觀點來看，在調節過程中如能一直保證靜態平衡，給水量＝蒸發量，則液位就能一直維持在設定位。但實際系統是動態的，給水壓力，主蒸汽壓力在調節中一直在不斷的變化，而且流量的溫壓補償通常也是只有經驗的、近似的。因為系統太復雜，無法求得實時精確的給水及蒸汽質量流量，所以我們通過汽包液位來間接的反映水系統的質量平衡。 控制汽包液位達到要求值的一個首要條件是必須得到真實的汽包液位測量值。但是，汽包液位控制中存在著明顯的“虛假水位”現象，要設計滿意的控制器必須對其進行深入分析。 對鍋爐汽包，負荷升高時，蒸汽流量增大，導致汽包內水蒸汽壓力突然降低，水的沸點也相應降低，沸騰加劇，水面下氣泡容積增大，從而導致液位突然升高；另一方面，給水流量突然增加時，溫度較低的給水從原有的飽和汽水混合物中吸取一部分熱量，使水面下氣泡容積減少，液位下降。這種在蒸汽流量或給水流量變化初期，汽包液位沿著相反方向變化的現象人們稱之位“虛假水位”。從控制上來講，“虛假水位”實際上就是非最小相位系統。我們以蒸汽流量的增加對汽包的影響為例進行分析。在給水不變的情況下，負荷提升，導致蒸汽流量增加，如果不考慮其它因素的影響，則汽包液位由于蒸汽流量大于給水流量而直線下降。 2.2　鍋爐汽包液位常用調節方式 鍋爐汽包液位的自動控制的任務是使鍋爐的給水量跟蹤鍋爐的蒸發量并維持汽包液位在工藝允許的范圍內。鍋爐汽包液位調節系統通常采用以下三種調節方式：（1）單沖量給水調節系統；（2）雙沖量給水調節系統；（3）三沖量給水調節系統。 汽包液位控制策略已進行了多年的理論研究，也形成了包括單沖量，雙沖量，三沖量在內的多種成熟的控制方法。但在具體的工業現場，卻仍不能保證液位控制的穩定。擾動往往不同程度的導致汽包液位出現“虛假水位”的現象，在不同的負荷下還會出現不同程度的時滯和非最小相位特性。汽包液位的這種在不同階段動態特性不斷變化的特性使得采用單一結構的控制方法達不到滿意的控制效果。若考慮采用各種自適應或參數自校正的算法會使系統機構復雜，整定困難，在現場工況變化的情況下無法得到理想的使用效果。 由于堿回收鍋爐系統的復雜性和建模的困難，基于數學模型方法的自適應和自整定方法在實際控制的實現仍是困難的，而成功的控制仍然有賴于有運行經驗的工程師。本文基于現場操作經驗，采用專家協調控制方案，構造了一種專家系統與常規PID控制相結合的智能專家協調控制方案來控制堿回收鍋爐的上汽包液位，使得鍋爐液位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自動，獲得良好的控制效果。 3　智能專家協調控制方案 3.1　專家控制器原理 專家控制系統可定義為具有模擬或延伸、擴展專家智能的功能，采用人工智能專家系統技術與控制理論相結合的方法設計的系統。其實質就是使系統的構造和運行都基于控制對象和控制規律的各種專家知識，而且要以智能的方式來利用這些知識，使得受控系統盡可能的優化和實用化。 一般專家控制系統的基本結構如圖1。專家控制系統由知識庫、控制算法庫、實時推理機、信息獲取與處理和動態數據庫組成。 [align=center] 圖1 專家控制系統結構[/align] 3.2　汽包液位調節策略依據 系統的專家控制方案是間接專家控制系統，知識庫主要由經驗數據和規則庫構成，信息獲取由現場儀表送標準信號至PLC（可編程控制器），由軟件對其進行采樣分析。其它均由編程軟件實現。 我們在陜西某造紙廠堿回收燃燒工段中采用鍋爐汽包的三沖量液位控制策略，其中選用總給水閥門作為汽包液位控制閥門的系統設計，該系統的設計思想是：以鍋爐汽包液位測量信號作為主控制信號，構成主調節回路，以蒸汽流量信號作為前饋信號，構成前饋調節回路，總給水流量作為串級信號，構成副調節回路，由主調節回路、前饋調節回路、副調節回路來共同構成鍋爐汽包液位串級三沖量自動控制系統。其控制系統方框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 鍋爐汽包液位串級三沖量控制系統方框圖[/align] 由于系統對信號的靜態配合要求沒有那么嚴格，主調節器能自動校正信號配合不準所引起的誤差，可以實現無差調節。但是在鍋爐負荷變化較大時，難以取得滿意的控制效果，因此，普遍的控制現狀是負荷平穩時采用自動控制，而在負荷起伏較大時就轉為專家協調控制。 專家協調控制是核心就是規則庫的建立，根據被控對象的特征，選擇最適合當前狀態的控制規律，對過程進行有效的控制。 3.3　規則庫的具體實施 規則庫是鍋爐燃燒專家協調智能控制系統的核心，它用于存儲燃燒過程的專家知識。具體包括五個小的控制規則庫，表現為：1、根據給水量、汽包壓力、負荷和汽包液位之間關系建立的汽包液位專家系統規則庫；2、利用給水閥門特性曲線和現場運行經驗得到的規則庫：給水量、給水壓力和閥門開度建立的汽包給水調節專家系統規則庫；3、利用給水電動門、安全門、緊急放水閥特性和現場運行相關操作經驗建立的汽包給水、排汽保護專家系統規則庫；4、根據現場被控對象的特點及相關操作、調節和控制的運行規則和操作人員的操作經驗建立的被控對象調節控制專家系統規則庫；5、根據具體現場被控對象狀況及必要相關操作經驗建立的被控對象異常、事故控制專家系統規則庫。如圖3所示。 [align=center] 圖3 協調控制系統的控制規則庫表示[/align] 由于篇幅原因，我們在這就說明一下汽包液位專家系統規則庫和保護專家系統規則庫的控制規則庫。 3.3.1　汽包液位專家系統規則庫 專家控制器根據系統所采集的液位偏差e（△e），負荷變化或變化率D（△D）及壓力變化（△P）的變化根據規則便選用合適參數值。 對于非穩態模式，汽包液位由于負荷的突變而出現虛假水位現象，表現在特征變量上就是蒸汽壓力和汽包液位的突變變化，因此以蒸汽壓力和液位偏差的變化來進行識別，當其變化值分別大于設定值的 和 時，即可認為液位系統處于非穩態模式。如果負荷增加大，蒸汽壓力減小，汽包內飽和水因處于過飽和狀態而沸騰，導致液位迅速上升。此時因為是虛假水位，不能按照通常的方法去關小閥門抑制液位上升。一旦汽包內壓力平衡，液位會因為負荷增大、給水流量未變化而下降，所以正確的操作應當是適當開大閥門以防止液位的過度下降，因此控制規則為，根據偏差的變化情況進行控制。當負荷減小時，則適當減小控制量。閥值 、 和比例系數 根據控制要求及實際情況進行取值。 除去上述情況，汽包液位均處于穩定狀態，如果當前時刻汽包液位誤差超過理想值 ，我們就將采用開關模式，將給水閥完全打開或關閉，以達到快速消除誤差的目的。 當誤差的趨勢增大時，應加大控制量以便盡快地糾正偏差, 此時用比例模式。比例增益 可以取得比較大。再將 乘以增益放大系數 , 使控制量增大。一旦汽包液位誤差達到極值（最大點和最小點），則其在原來的保持值基礎上增加一個不太大的值（保持2模式） , 以后便保持這一輸出直到液位誤差e反號為止（保持1模式）。 3.3.2 汽包液位保護專家系統規則庫 工藝系統正常時，也就是汽包液位在控制要求值范圍內（設定值的±3cm內），進行正常的控制規則庫調節、控制輸出；在工藝系統異常時，也就是汽包液位在正常和故障之間的控制要求值，切換到異常系統控制規則庫，進行異常調節、控制；在工藝系統故障時，也就是汽包液位在下限為量程的20%以下，或者上限為量程的70%以上，切換故障系統控制規則庫，進行故障的調節、控制。因此，對鍋爐汽包的故障保護規則庫主要包括以下幾點： 汽包壓力高保護，開啟主蒸閥門，主燃料（黑液）跳閘（MFT）動作保護； 汽包液位過低，主燃料（黑液）跳閘（MFT）動作保護； 汽包液位過高，開啟緊急放水門； MFT動作保護，關閉給水電動門。 根據上面所建立的專家協調控制庫，我們對堿回收燃燒鍋爐給水系統三沖量控制方式，分別采用常規PID控制和智能專家協調控制兩種控制器，用MATLAB進行仿真研究。仿真結果如圖4所示，由仿真圖可以看出，專家協調控制的超調量遠小于常規控制所產生的超調量，而且整個過程更為平穩，在受到蒸汽流量波動的干擾時，專家協調控制方案控制的更為及時，合理，有效的克服了虛假水位的影響。 [align=center] 圖4 仿真曲線[/align] 總之，對于整個工況來說，不論擾動來自系統功能組內部還是系統功能組外部，功能組調節系統必須使工藝系統運行在一個安全、穩定、經濟的范圍內。對于鍋爐汽包系統的調節控制采用專家控制器完成可以得到良好的效果，因為專家控制器的決策表來源于現場實際運行情況，控制規則是由大量的專家知識和運行經驗組成，通過這些可以改善過程調節、控制的動態特性（超調量、過渡時間），同時專家控制器不需要了解被控對象的數學模型，專家控制器系統具有較強的抗干擾性、魯棒性、適應性。 4　總結 本文基于現場操作經驗，采用專家協調控制方案，能夠很好的克服三沖量控制缺點，并用此方法控制成武某造紙廠的堿回收的燃燒工段汽包液位，使得鍋爐液位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自控，并在實際應用中取得良好的控制效果。 參考文獻： [1]鄭文杰，張習睿．基于模糊PID參數自調整的鍋爐汽包液位控制設計[J]．水利電力機械，2007,29 ，（1）：16～19 [2]馬文通，余南華．汽包液位的一種快速動態簡化仿真模型[J]．鍋爐技術，2007，38（3）：4～6 [3]孫俊．船舶鍋爐汽包液位及其專家PID控制系統仿真[J]．計算機仿真，2007，24（4）：162～164 [4]俞海斌，褚?。瓹FB鍋爐汽包液位的專家PID控制[J]．機電工程，2000，17（3）：103～106