第三章 供暖锅炉控制原理
3.1 引言
现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉，常压锅炉使用安全，对原材料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，控制精度要求相对要低。目前国内外对蒸汽锅炉控制的研究已经比较成熟，锅炉控制数学模型基本定型，而供暖锅炉控制相对简单，对其研究不够重视。本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型为参考，提出供暖锅炉的控制模型。
供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、炉膛负压等参数，使锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求。
在供暖期间，系统根据室外温度的变化分时段控制锅炉的出水温度和系统回水温度。在室外温度较低的时段内，出水温度的设定值较低，在室外温度较高的时段内，出水温度的设定值较高，进而调节出水供热量。在某一时段内，则通过调节热水循环流量对出水供热量进行微调。
锅炉出水温度的调节主要靠燃烧控制系统来实现，而系统回水温度的调节主要靠热水循环流量来调节，出水压力和回水压力的大小由循环泵和补水泵的状态来决定。调节温度和压力等参数时，采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制方式应用于系统的开关量输出，PID控制方式应用于系统的模拟量输出。
3.1.1 偏差控制方式
偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时，系统通过调节某些量来减少偏差，直至实际采集值等于用户设定值为止。但这只是一种理想设计，在实际应用中，由于系统误差的存在，实际采集值不可能等于用户设定值。因此，引入“回差”的概念，即给用户设定值一个可以接受的范围，在此范围内都可认为达到系统设定值。例如锅炉的出水温度设定值为T0，温控回差为h，则当出水温度T满足式3-1时即可。
T0?h?T0?T0?h （3-1）
3.1.2 PID控制方式
偏差控制只能输出开关量信号，对于连续调节的设备，则需要过程控制系统中最常
用的控制规律——PID控制方式。
PID控制，即按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的结果。PID调节器既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过度过程，提高系统的稳定性，改善系统的动态特性，是一种比较完善的调节规律，只要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中，以克服时间响应滞后，得到较好的控制指标。
1. PID控制器的基本形式
PID控制分两种基本形式，即模拟PID控制器和数字PID控制器。模拟PID控制器如图3-1所示，理想控制规律为
u(t)?Kp[e(t)?1T1?10e(t)dt?TDde(t)] （3-2） dt其中，Kp为比例增益，与比例带?成倒数关系，即Kp?常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为偏差。
1?，T1为积分时间
比例控制能迅速反应误差，从而减少误差，但比例控制不能消除静态误差，Kp过大，可能会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除静态误差，因而，只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差，但调节动作缓慢；微分控制加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态特性。
在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期足够短时，用求和代替积分，使模拟PID离散化变为差分方程，如式3-3所示。
Tu(k)?Kp[e(k)?TI?e(i)?TDi?0ke(k)?e(k?1)] （3-3）
T增量型的控制方程为：
?u(k)?KP[e(k)?e(k?1)]?K1e(k)?KD[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] （3-4）
其中KP?K1?KP1?称为比例增益；
T称为积分系数； T1KD?KPTD称为微分系数。 T以上是PID控制的理论控制方程，但在实际应用中，要根据控制系统的特点，做适当的改进。
2. PID控制器的改进
计算机控制是一种比较准确的控制方式，只要系统偏差存在且大于传感器的精度范围，计算机就不断进行控制量增量的计算，并输出相应的控制信号给执行机构，改变执行机构的状态，这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡。为避免控制动作过于频繁以消除振荡，在实际工程应用中，通常在PID控制系统中增加一个死区环节，如图3-2所示，相应的算式为
??e(k),e(k)?? （3-5） p(k)????0,e(k)??
其中?为人为设定的一个死区，是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。?太小，使调节过于频繁，达不到稳定控制量的目的；?太大，则系统将产生较大的滞后。在锅炉的燃烧控制系统中，为避免风机和炉排转速频繁地改变，可适当地为出水温度设定一个死区，如?1℃。
在锅炉控制系统中，当启动/停止电机或大幅度改变温度、压力等设定值时，由于
短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这个缺点，可采用积分分离的方法，即偏差e(k)较大时，取消积分作用；当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。
亦即
当e(k)??时，采用PD控制； 当e(k)??时，采用PID控制。
积分分离阀值?应根据具体对象及控制要求确定。例如出水温度的控制，可以选定
?为5℃或10℃等，依据控制精度要求而定。
综上所述，锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式，作出死区设定和积分分类两项改进措施，以达到稳定控制温度和压力等信号的目的。
3． 经验凑试法整定PID参数
PID控制器参数整定主要整定比例系数KP、积分时间TI和微分时间TD等参数。 增大比例系数KP一般会加快系统的响应，在有静差的情况下有利于消除静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。增大积分时间常数TI，相当于减少积分系数，积分作用减弱，有利于减少超调，减少振荡，但系统静差的消除将随之变慢。
增大微分时间常数TD有利于加快系统响应，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
在凑试时，可参考3个参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，在微分的整定步骤。
（1）首先整定比例部分。即将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有消除静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只须比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。
（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经过第一步整定得到的比例系数KP略为减少（如缩小为原值的0.8倍），然后减少积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，
静差得到消除。在此过程中，可根据控制效果反复改变比例系数KP与积分时间TI，以得到满意的控制过程和整定参数。
（3）若使用比例积分调节器（PI控制器）消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成完整的PID控制器。在整定时，可先置微分时间TD为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
3.2 补水控制
锅炉管网系统中通过改变循环泵转速来调节热水流量，并通过改变补水泵转速来调节系统的回水压力，使回水缸内的水位保持在一定范围内。
补水调节采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定回水压力范围，当回水压力实际值不在设定范围内时，增加或减少补水泵运行台数，直到回水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对回水压力进行微调，其原理如图3-3所示。补水泵系统根据回水压力的设定值与采集到的回水压力的实时数据，通过PID算法将回水压力值控制在设定值附近，从而确定补水泵的转速，以改变回水压力。其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法。
3.3 循环流量控制
锅炉管网系统的另一个任务是通过循环泵将出水缸内的热水输送到用户供热管道，并回到回水缸。
循环流量控制同样采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定出水压力范围，当出水压力实际值不在设定范围内时，增加或减少循环泵运行台数，直到出水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对出水压力进行微调，其原理如图3-4所示。循环流量PID控制原理如图3-4所示。循环泵系统根据出水压力的设定值与