鍋爐汽包水位控制是當前汽包爐的主要調節系統之一。目前，大多數電廠仍然采用三沖量控制方案，但是隨著機組容量的增大，這種控制方案越來越不能滿足要求。為了進一步提高控制品質，充分發揮現代控制設備功能，本文根據汽包水位動態對象特點，設計了鍋爐汽包水位預測控制方案。仿真試驗表明：與常規控制方案相比，該控制方案系統響應速度快，穩態效果好，因而具有很好的實用價值。
　　
　　一、鍋爐汽包水位的動態特性
　　
　　鍋爐汽包水位的被控制量即汽包水位H，調節量是給水量W，前饋擾動為蒸汽流量D，數學模型如圖1所示。其中給水流量與汽包水位之間的關系是無自平衡能力的，蒸汽流量的變化又容易引起汽包誘發虛假水位現象。
　　二、預測控制設計與算法
　　
　　2.1預測控制方案設計
　　
　　所謂預測控制就是根據控制對象的數學模型、控制對象實際的狀態以及預測未來時刻有可能發生的變化計算控制量（圖2（a））。由于采用了將預測控制思想與常規PID算法相結合的方法，故在很大程度上增強了預測控制抗內擾能力。　　
　　2.2鍋爐汽包水位控制的預測控制算法
　　
　　將汽包水位的數學模型作等效變換（圖2（b）），圖形很清楚地顯示出2個慣性環節與1個積分環節（給水與蒸汽流量之差）的并聯。將該圖的3個環節分別寫成下列離散表達式形式：
　　
　　H1（z-1）=h1（z-1）△W（z-1）（1）
　　
　　H2（z-1）=h2△D（z-1）（2）　　
　　因而，模型汽包水位的增量的表達式是：
　　
　　△H=△H1+△H2+△H3（4）
　　
　　設計中，為了防止控制系統的設備動作幅度過急、過大，引入柔化系數a，通過a來柔化處理定值。設（k+p）采樣時刻施加的理想定值為Hr,表達式如下（H0是外加的定值）：
　　
　　Hr=ap（k）+（1-ap）H0
　　
　　=（1-ap）（H0-H（k））+H（k）（5）
　　
　　（0計算控制信號時，假定系數的外部狀態和控制信號在（k+p）采樣時刻內保持不變，也就是說，D不變，控制信號W（理想控制指令）（k+1）=…=W（k+p），用下列公式計算模型汽包水位（k+p）時刻的增量（n是近似模擬汽包水位動態模型時的采樣數目）。　　
　　設柔化后的定值增量與模型的增量誤差為e（k+p）:
　　
　　e（k+p）=（Hr-H（k））-△H（k+p）（10）
　　
　　取*性能指標函數：
　　
　　J=e2（k+p）+r2（W-D（k））（11）
　　
　　（r是加權系數）
　　
　　，即得控制指令W。
　　
　　三、仿真實驗
　　
　　為了驗證控制方案的正確性，以某電廠的汽包流水作業閏作為被控對象，進行仿真試驗，被控對象的相關控制參數如下：
　　
　　T1=30s,K1=0.037,T2=15s,k2=3.6
　　
　　預測控制器的參數：加權系數r=0.11,a=0.5,p=5（超前步數），采樣周期2s（仿真圖中的橫坐標單位是采樣周期，縱坐標是與擾動對應的相對值）。
　　
　　3.1汽包水位定值擾動仿真
　　
　　給水擾動流量和蒸汽擾動流量保持不變，即W=0，D=0，汽包水位定值H0施加單位階躍擾動。預測控制定值擾動和串級三沖量控制水位定值擾動示意分別見圖3（a）和圖3（b）。　　
　　由圖可見，預測控制和常規串級三沖量相比，具備響應曲線上升快，超調量小，閥門動作平衡，調節時間短等優點。　　
　　3.2給水單位擾動的仿真
　　
　　汽包水位定值和蒸汽流量保持不變，即H0=0，D=0，控制參數不變，給水流量作單位階躍擾動的仿真曲線如圖4（a）和圖4（b）。　　
　　由圖可見，預測控制水位zui大波動量是0.06，而串級三沖量調節水位的zui大波動量約0.42。另外，預測控制水位的調節時間也比較快，閥門動作快而平穩。而串級三沖量調節中，由于抗內擾能力差，運行人員的操作及臨時檢修維護對系統的正常運行都有很大的影響，相比較而言，預測控制比串級三沖量調節具有更大的優勢。
　　
　　3.3蒸汽流量擾動仿真試驗
　　
　　汽包水位定值和給水流量保持不變，即H0=0，W=0，蒸汽流量單位階躍增加時的仿真曲線如圖5（a）和圖5（b）。　　
　　從圖可看出，雖然串級三沖量調節可以通過調節參數，在zui大超調量方面，跟預測控制有著差不多的效果，這主要是靠犧牲抗內擾能力得到的，也只能從總體上適應要求。但是，預測控制從開始過度到平衡狀態所用時間則要短得多，閥門動作頻率也比較合理化。
　　
　　3.4控制系統對斜波信號的響應
　　
　　實際控制中不大可能出現階躍信號，出現zui多的，也zui為普遍的是近似斜波擾動。下面，分別用蒸汽流量斜波擾動信號對預測控制器與串級三沖量控制器進行仿真（圖6）。參數：D=t（0　　3.5改變被控對象放大倍數的仿真
　　
　　將被控對象的時間常數放大，對系統的穩定性沒有太大的影響，因而比較的意義不大。現將被控對象的增益增加到2倍，然后用蒸汽流量單位階躍擾動對2種調節方案進行仿真試驗比較（圖7）。從圖可以看出，在控制參數不變的情況下，此時預測控制抗外擾能力相對較弱，這種微小的差別可以通過調節加權系數而得到改善。但是，預測控制的調節速度仍然相對較為迅速。
　　
　　3.6復合式預測控制器
　　
　　當控制對象的放大倍數增大到2倍時，控制系統仍能正常工作，放大倍數增大到4位時，系統的響應曲線呈現發散狀，這主要是針對該具體的對象應用了*化控制思想，這種思想對模型的依賴性比較強；　　
　　另外，控制器的參數調整相對不方便，這也是預測控制器的一個缺點。不過，可以根據對象的幾個不同的典型傳遞函數，設計出復合式預測控制器，然后再根據實際的運行對象及運行對象的狀態自動或人為調整預測控制器的參數，可以很好地克服上述單模型單值預測控制方案的缺點。
　　
　　四、結論
　　
　　電廠的鍋爐汽包水位控制，基本都能投自動，但是，同時具備動態響應快，穩態效果好的控制系統卻比較少見。本文根據現代控制設備特點，提出了更為合理的預測控制方案，從而克服了三沖量調節系統在抗內擾、外擾、以及閉環特性不能兼顧的缺點。仿真試驗表明，該方案擁有很強的容錯性、設備動作頻率低，有利于系統的長久穩定運行。