趙 震

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、工藝條件的約束和設(shè)備運(yùn)行的需要，自動化技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。自動化工程中廣泛存在著比值控制，鍋爐燃燒控制中常用的交叉限幅就是由比值控制發(fā)展而來的。通過分析以下控制策略，可以看出各種控制方案之間的發(fā)展脈絡(luò)。

1 燃燒控制的主要策略

1.1 比值控制回路

一般的比例控制系統(tǒng)是將風(fēng)量和煤量按照輸入的空燃比投入鍋爐燃燒。鍋爐燃燒需要將空氣(二次風(fēng))和煤粉按比例投入爐膛，比例控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 比例控制系統(tǒng)Fig.1 Ratio control system

圖1中，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還可在主控輸入后面增加煙氣含氧量的信號測點(diǎn)，串入與氧量相關(guān)的修正函數(shù)以改變空燃比設(shè)定。在許多工藝過程、化工反應(yīng)過程中也經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況，需要按比例投入兩種反應(yīng)物料，如合成氨的N2和H2。比例控制系統(tǒng)可以保證兩個PID回路的設(shè)定值SP成比例，在系統(tǒng)穩(wěn)定后PV也相應(yīng)成比例，但調(diào)節(jié)過程中也有可能出現(xiàn)PV不成比例。如果瞬時(shí)煤量大于風(fēng)量，就可能造成燃燒不充分，從而浪費(fèi)燃料，污染環(huán)境。

1.2 單交叉控制回路

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于兩個回路的特性不一致，一個快、一個慢，所以在調(diào)節(jié)的過渡過程中可能存在兩種物料沒有嚴(yán)格按比例投入的情況。當(dāng)燃料超過風(fēng)量時(shí)，就會引起燃燒不充分，這時(shí)就需引入交叉限幅的方法。單交叉控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單交叉控制系統(tǒng)Fig.2 Single-cross control system

圖2中，r為輸入的空燃比，主控是燃料量指令(百分比)，經(jīng)計(jì)算得到理論煤量;由實(shí)測風(fēng)量除以空燃比r得到實(shí)際需要的煤量，理論煤量和實(shí)際需要煤量兩者取小，得到煤量設(shè)定值SP，以保證燃料量始終小于風(fēng)量。

同樣地，由實(shí)測燃料量乘以r得到實(shí)際需要的風(fēng)量，設(shè)定風(fēng)量和實(shí)際需要風(fēng)量兩者取大，得到風(fēng)量設(shè)定值SP，以保證風(fēng)量始終大于燃料量。需要注意的是，這里總是燃料取小、風(fēng)量取大，反之則限制風(fēng)量。

在此類系統(tǒng)中，即使實(shí)際測量過程中存在波動，風(fēng)量也始終大于燃料量。這類系統(tǒng)被稱為單交叉限幅控制系統(tǒng)，即總是單方向限制一種物料量不超過另一種物料量，以確保充分反應(yīng)、充分燃燒。例如燃燒過程中的煤粉、煤氣等不超過空氣的量。鋼鐵廠節(jié)能減排應(yīng)用的燃用煤氣鍋爐特別強(qiáng)調(diào)充分燃燒，轉(zhuǎn)換能源。因此，鋼鐵廠廣泛使用這類控制系統(tǒng)。

為加強(qiáng)風(fēng)煤互相限制的效果，在風(fēng)量的基礎(chǔ)上乘以一個大于1的系數(shù)K2，在燃料量上乘以一個小于1的系數(shù)K1，反之則防止過度限幅。在正常情況下，系統(tǒng)不起限幅作用，只有在風(fēng)量或煤量超過5%的幅度的情況下才起作用。通過調(diào)整K1、K2，可以達(dá)到適合的限幅效果，如 K1=0.95、K2=1.05;也可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定 K1=0.98、K2=1.05。

需要注意的是，SV、PV都要除以最大工程值后得到百分比信號(無工程單位)，實(shí)際上采用百分比信號后空燃比應(yīng)為1。空燃比實(shí)際是由鍋爐燃料設(shè)計(jì)確定的，例如燃料設(shè)計(jì)確定某熱值下1 Nm3焦?fàn)t煤氣燃燒需要4 Nm3空氣，那么空燃比就等于4［Nm3空氣/Nm3COG］，兩個Nm3代表的介質(zhì)不同不能相約。在燃?xì)忮仩t里應(yīng)特別注意這種情況。

1.3 雙交叉控制回路

在某些情況下，如冶金工業(yè)中常用的加熱爐［1］，既要保證充分燃燒，又要防止風(fēng)量大于燃料量過多引起加熱溫度下降，這就需要用到雙交叉限幅［2］。加熱爐控制要求不光是充分燃燒，還要符合一定的升溫曲線。因此，主控設(shè)定值不是負(fù)荷而是溫度。這也是電站鍋爐和加熱爐控制方案的不同之處［3－4］。

雙交叉控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 雙交叉控制系統(tǒng)Fig.3 Double-cross control system

圖3中，K1、K2的含義與上述單交叉方案相同，K3、K4分別代表與K1、K2反方向的限幅，這就構(gòu)成了雙交叉限幅的控制方案。K3、K4的選取值也分別與K1、K2相反，即 K1必須大于1，K2必須小于1，而 K3則必須小于1，K4則必須大于1。K1～K4與各自的高選、低選模塊搭配，才可能產(chǎn)生雙向限幅、交叉限幅的效果。

這種雙交叉控制系統(tǒng)有若干引申形式，如疊加上述氧量的系統(tǒng)。同時(shí)也可以統(tǒng)一設(shè)一個常數(shù)K，使K1=1－K、K2=1+K、K3=1+K、K4=1－K。當(dāng) K=0.05時(shí)，就相當(dāng)于雙交叉控制方案。K值可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的效果［5］。一般而言，0 ＜K ＜0.1，K 太大意味著限幅的幅度過大。

1.4 偏差增益的交叉控制

上述交叉限幅都是通過乘以固定的K值來實(shí)現(xiàn)的，如果K設(shè)計(jì)成根據(jù)負(fù)荷(溫度)或者負(fù)荷的變化率(溫度變化率)相關(guān)的函數(shù)，則可以構(gòu)成變幅度限幅的復(fù)雜系統(tǒng)。如變化率大時(shí)，K變大，限幅嚴(yán)格;變化率小時(shí)，K變小，限幅放寬。這種變幅度限幅系統(tǒng)能保證負(fù)荷(或溫度)更加嚴(yán)格符合負(fù)荷(或溫度)設(shè)定曲線，但也由于非線性限幅的環(huán)節(jié)，犧牲了系統(tǒng)的變動(調(diào)節(jié))速度［6－7］。

此外，還有一種限幅程度和偏差相關(guān)的交叉系統(tǒng)，其示意圖如圖4所示。

圖4 偏差增益單交叉控制系統(tǒng)Fig.4 Deviation gain single-cross control system

圖4中，主控設(shè)定值乘以空燃比后分兩路，得到風(fēng)量SV(%)和煤量SV(%)。假設(shè)煤量SV＞風(fēng)量SV，相減得到偏差Δ，Δ＞0，分別經(jīng)過加減運(yùn)算后的煤量PVΔ經(jīng)過高選模塊(＞)去放大風(fēng)量;風(fēng)量PV+Δ經(jīng)過低選模塊(＜)去減小(限制)煤量。這樣的趨勢正好使得原來“煤量SV＞風(fēng)量SV”變?yōu)椤懊毫縎V＜風(fēng)量SV”，實(shí)現(xiàn)了交叉限幅的作用。這種方法實(shí)際上是單交叉限幅。

如果Δ＜0，以上增減正負(fù)均相反。增加反方向的高低選模塊，則可以構(gòu)成反向限幅的作用。

偏差增益雙交叉控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 偏差增益雙交叉控制系統(tǒng)Fig.5 Deviation gain double-cross control system

2 氧量修正回路

在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可適當(dāng)放寬排煙含氧量要求。這樣就可以設(shè)計(jì)一個與負(fù)荷相關(guān)的氧量設(shè)定曲線。氧量修正的方法有很多種，其中，氧量校正函數(shù)示意圖如圖6所示。

圖6 氧量校正函數(shù)示意圖Fig.6 Oxygen correction function

氧量校正函數(shù)把氧量儀輸出值與上述氧量曲線設(shè)定值做偏差運(yùn)算(PI調(diào)節(jié)器)，得出輸出值需要轉(zhuǎn)換為1 附近的數(shù)值，如0.7 ～1.3，并乘以空燃比［8－9］。如前所述，空燃比是1附近的數(shù)值。這個乘法相當(dāng)于間接改變空燃比。氧量修正算法正是通過改變空燃比，最終達(dá)到修正氧量的效果。

3 應(yīng)用情況

在鋼鐵廠節(jié)能減排的實(shí)踐中，回收的煤氣用于發(fā)電，燃用煤氣的鍋爐得到了廣泛應(yīng)用。在風(fēng)煤系統(tǒng)中依次應(yīng)用比例、單交叉、雙交叉等控制策略，由于限幅的非線性作用，負(fù)荷變動的速度會有所下降，但變量超調(diào)的程度受到約束。實(shí)踐過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況選用以上控制策略。

4 結(jié)束語

從簡單的比值控制到單交叉限幅，再到雙交叉限幅，繼而加入偏差的交叉限幅，本文介紹的控制策略逐步復(fù)雜，功能也得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種場合的不同需要。通過在鋼鐵廠煤氣鍋爐的實(shí)踐，充分證明了以上控制策略的可行性。

［1］李澤光，郝莉.DCS在高線加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006(2):42－45.

［2］胡祖寶.偏差比例雙交叉限幅控制在生產(chǎn)中應(yīng)用［J］.控制工程，2004，11(5):392 －393，473.

［3］張玉鐸，王滿稼.熱工自動控制系統(tǒng)［M］.北京:水利電力出版社，1985:148－149.

［4］李遵基.熱工自動控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，1997:98－99.

［5］王錦標(biāo)，方崇智.過程計(jì)算機(jī)控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1992:223－230.

［6］李來春，鄧彩霞，楊明極.變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究［J］.熱能動力工程，2003，18(104):183 －186.

［7］王常力，廖道文.集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1993:32－34.

［8］何克忠，李偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1998:132－135.

［9］Curtis D J.Process control instrument technology［M］.Indianapolis:John Wiley＆ Sons INC，1987:37－41.