中南大學自動化工程訓練-燃燒爐控制系統(tǒng)

1、中南大學自動化工程訓練報告學生姓名：學 號：專業(yè)班級：指導教師：董密完成時間：2016.9目錄第一章 緒論11.1 課題背景和意義11.2本課題的任務2第二章 燃燒過程系統(tǒng)概述32.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值系統(tǒng)52.2爐膛負壓控制系統(tǒng)6第三章 系統(tǒng)辨識73.1燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制73.2爐膛負壓控制7第四章 系統(tǒng)特性分析84.1燃料控制系統(tǒng)84.2負壓控制系統(tǒng)84.3空氣流量控制系統(tǒng)9第五章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設計及整定105.1燃料控制系統(tǒng)105.1.1 構(gòu)建 simulink 模型105.1.2 利用PID Tunner設計燃料控制系統(tǒng)PID控制器105.1.3利用穩(wěn)

2、定邊界法整定PID參數(shù)135.1.4模塊封裝155.2蒸汽壓力控制系統(tǒng)165.3空氣流量控制系統(tǒng)175.4負壓控制系統(tǒng)前饋補償整定18第六章 控制系統(tǒng)仿真19第七章 心得體會20第一章 緒論1.1 課題背景和意義 燃燒過程在許多工業(yè)過程中都是必要的一環(huán)，如電廠鍋爐的燃燒問題、流化床生產(chǎn)過程的燃燒問題等燃燒過程的控制是燃燒過程的重要環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的性能直接關系到設備和工作人員的安全問題及節(jié)能問題，提高燃燒過程的自動控制水平，對當前技術改造和節(jié)能工作具有重要意義。過程控制系統(tǒng)是工業(yè)中控制系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式，一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為溫度、壓力、流量、液位、成分等變量的系統(tǒng)。鍋爐的

3、燃燒過程就是典型的過程控制的一種例子。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,電力工業(yè)對自動化控制系統(tǒng)要求越來越高。在鍋爐的燃燒過程控制中,全過程的自動化控制系統(tǒng)可保證送風量與給粉量的最優(yōu)配比,使鍋爐燃燒的過程始終維持在最佳工作點,實現(xiàn)經(jīng)濟性燃燒。鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的最終目的是在保持鍋爐自身設備運行參數(shù)的情況下，使鍋爐燃燒處于最佳運行工況，降低熱量損失，提高熱能效率，并通過運行人員在線實時的調(diào)整各項參數(shù)，來降低含碳量和再熱器超溫問題。鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)傳統(tǒng)采用正交試驗獲得優(yōu)化的燃燒工況，主要是通過現(xiàn)場燃燒調(diào)整試驗來進行，實際上試驗工況的時間有限，鍋爐的相關燃用煤種復雜多變，使得其原有的優(yōu)化結(jié)果偏離其運行的

4、最優(yōu)值。如果鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)繼續(xù)以此種方法運行鍋爐，則給鍋爐運行帶來偏差。所以，鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)須建立在鍋爐的實際運行的基礎上，進而建立鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的相似模型，然后通過控制方案的優(yōu)化，保證鍋爐燃燒效率的提高，針對不同負荷實時調(diào)整，最終實現(xiàn)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的經(jīng)濟有效運行。 因此建立適應現(xiàn)代化的電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，使得鍋爐燃燒過程在不同負荷、不同工況、不同擾動的條件下都能保證處于最佳狀態(tài)，并且保證其經(jīng)濟型，使各項損失最小，進而對鍋爐進行各項經(jīng)濟性和熱損失的計算，使鍋爐在不同負荷和內(nèi)外存在擾動的時候仍然可以保證最優(yōu)狀態(tài)具有重要意義。當狀態(tài)最佳時燃燒效率和煤耗率都處在最佳，進而能指導

5、鍋爐運行經(jīng)濟穩(wěn)定。1.2本課題的任務目前燃燒過程控制系統(tǒng)的研究受到許多人的關注。比如采用模糊自整定PID的控制方法，對鍋爐的燃燒系統(tǒng)進行了控制規(guī)律的設計。還有些則針對鍋爐燃燒系統(tǒng)多變量、強耦合、大時滯的復雜性，提出一種多變量時滯對象的控制方法，解決了在負荷變化時對象模型的參數(shù)不確定性。一部分人結(jié)合燃燒控制系統(tǒng)實際工程，提出了優(yōu)化送、引風控制系統(tǒng)的方法，改善了控制系統(tǒng)質(zhì)量。也可以對燃燒控制系統(tǒng)進行了仿真和性能分析，提出了蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用模糊自適應PID串級控制能增強系統(tǒng)的抗干擾能力。在實際工程中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，很難準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入計

6、算機，對其進行進一步的分析與仿真，Simulink的出現(xiàn)極大地簡化了控制系統(tǒng)分析與設計。它有兩個主要功能：仿真和連接，即該軟件可以利用鼠標在模型窗口上搭建出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后對系統(tǒng)進行仿真和分析。所以在復雜系統(tǒng)的建模下，利用Simulink來模擬實際現(xiàn)場的狀況，進行各種的事先調(diào)試能夠加快實際成果的實現(xiàn)，并能在一定的程度上減小經(jīng)濟上的浪費。本課題主要是利用MATLAB工具箱對燃油鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)進行仿真并對控制系統(tǒng)的性能進行分析，確保燃燒系統(tǒng)安全、經(jīng)濟地運行，為燃燒過程控制系統(tǒng)的分析、評估研究提供有效途徑。第二章 燃燒過程系統(tǒng)概述鍋爐是指利用各種燃料、電或者其他能源，將所盛裝的液體加

7、熱到一定的參數(shù)（2.45Mpa- 27MPa ，400-570），并對外輸出熱能的特種設備。鍋爐控制的主要目的是調(diào)節(jié)鍋爐出口的蒸汽壓力、流量和溫度，使其達到所希望的數(shù)值。為此，需要對燃料、空氣和水三者的量進行調(diào)節(jié)。鍋爐是一個復雜的系統(tǒng)，對鍋爐工況造成影響的因素之一是來自外部和內(nèi)部的擾動，如燃料發(fā)熱量的變化或熱力系統(tǒng)工況的變化等。控制器或控制系統(tǒng)根據(jù)鍋爐出口蒸汽參數(shù)實際值偏離其設定值的大小和方向，調(diào)節(jié)燃料量、空氣量和水量，使鍋爐出口參數(shù)與其所希望的值相一致。燃燒過程的主要控制系統(tǒng)燃燒控制主要由蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)組成。鍋爐燃燒的目的是生產(chǎn)蒸汽供其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用。一般生產(chǎn)過程中蒸

8、汽的控制是通過壓力實現(xiàn)的，隨著后續(xù)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)用量不同，反映在燃油蒸汽鍋爐環(huán)節(jié)就是蒸汽壓的波動。蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關系是否平衡的重要指標，是蒸汽的重要參數(shù)。蒸汽壓力過低或過高，對于金屬導管和負荷設備都是不利的。在鍋爐運行過程中，蒸汽壓力降低，說明負荷設備的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量;蒸汽壓力升高，表明負荷設備的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發(fā)量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產(chǎn)的需要，是維持負荷設備正常工作的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟性的需要。保證蒸汽壓力恒定的主要手段是隨著蒸汽壓力波動及時調(diào)節(jié)燃燒產(chǎn)生的熱量，而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)是通過控制所供應的燃料量以及適當比例的助燃空氣實現(xiàn)的。因此，蒸汽壓力是最終被

9、控制量，可以根據(jù)生成情況確定，燃料量是根據(jù)蒸汽壓力確定的，空氣供應量根據(jù)空氣量與燃料量的合理比值確定。鍋爐燃燒的過程包括：鍋爐燃燒系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽過熱系統(tǒng)。(1)燃燒系統(tǒng)燃煤運到煤場后經(jīng)煤斗落在爐排上，將煤帶入爐膛燃燒同時釋放出很大的熱量，燃燒所需的空氣則由送風機送入到煤燃燒層。其中的關鍵是風量和煤量應成比例以保證充分燃燒，及通過引風設備控制爐膛負壓。圖2.0 燃燒過程示意圖1次風機；2送風機；3二次風箱；4給煤機；5磨煤機；6二次風擋板；7燃燒器；8爐膛；9汽包；10過熱器；11再熱器；12省煤器；13空氣預熱器；14引風機；15煙囪；B燃料量；V1一次風量；V2二次風量；G引風量。

10、(2)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及蒸汽過熱系統(tǒng)對于煙氣向水傳熱的過程，一般首先是由給水泵經(jīng)過給水管道進入省煤器，并在同時沿下降管流入水冷壁，在其燃燒后其產(chǎn)生的煙氣會受到引風機的引力向爐膛上方流向爐膛出口，并經(jīng)過防渣管后沖刷蒸汽過熱器，而且在管束間設置了折煙墻，再次的將熱量傳遞給管束內(nèi)的工質(zhì)，并在沿途將降低溫度的煙氣送入尾部煙道和省煤器及預熱器交換后排出鍋爐。水的汽化過程主要包括水循環(huán)和汽水分離過程，在很大意義上講它就是蒸汽的產(chǎn)生過程。鍋爐工作時，汽水混合物因受熱較弱，及自身的工質(zhì)的容重較大；一般會位于高溫區(qū)的水冷壁及對流管束，同時因受熱強烈，容重小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒，容重大的工質(zhì)往下流入下鍋筒進而形成水

11、的自然循環(huán)。水的自然循環(huán)使得鍋爐中保證了水冷壁受熱面得以冷卻而不會燒壞，和鍋爐安全可靠運行。同時鍋爐燃燒的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此當鍋爐受到擾動時，只有協(xié)調(diào)工作，使所有的被調(diào)量具有調(diào)節(jié)精度，所以這種調(diào)節(jié)也是相當?shù)膹碗s，很難實現(xiàn)。如圖所示：圖2.0.1蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及蒸汽過熱系統(tǒng)2.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值系統(tǒng)燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是為后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的壓力。一般生產(chǎn)過程中蒸汽的控制是通過調(diào)節(jié)壓力實現(xiàn)的，隨著后續(xù)環(huán)節(jié)的蒸汽用量不同，會造成燃油蒸汽壓力的波動，蒸汽壓力的波動會給后續(xù)的生產(chǎn)造成不良的影響，因此，維持蒸汽壓力恒定是保證生產(chǎn)正常進行的首要條件。保證蒸汽壓力恒定的主

12、要手段是隨著蒸汽壓力波動及時調(diào)節(jié)燃料產(chǎn)生的熱量，而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)是通過控制所供應的燃料量以及適當比例的助燃空氣實現(xiàn)的。因此，各個控制環(huán)節(jié)的關系如下：蒸汽壓力是最終被控量，根據(jù)生成量確定；燃料量根據(jù)蒸汽壓力確定；空氣供應量根據(jù)空氣量與燃料量的比值確定。 圖2.1控制量示意圖2.2爐膛負壓控制系統(tǒng)爐膛壓力控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠燃燒控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，爐膛壓力的穩(wěn)定與否直接關系到機組運行的安全性與經(jīng)濟性。所謂爐膛負壓：即指爐膛頂部的煙氣壓力。爐膛負壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生相應變化。當鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生

13、故障或異常時，最先將在爐膛負壓上反映出來，而后才是火檢、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數(shù)的變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛負壓對于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。大多數(shù)鍋爐采用平衡通風方式，使爐內(nèi)煙氣壓力低于外界大氣壓力，即爐內(nèi)煙氣負壓，爐膛內(nèi)煙氣壓力最高的部位是爐堂頂部。當爐負壓過大時，漏風量增大，吸風機電耗，不完全燃燒損失、排煙熱損失均增大。故應保持爐膛負壓在正常范圍內(nèi)。 保證爐膛負壓的措施是引風量和送風量的平衡。如果負壓波動不大，調(diào)節(jié)引風量即可以實現(xiàn)負壓控制；當蒸汽壓力波動較大時，燃料用量和送風量波動也會很大，此時，經(jīng)常采用的控制方法

14、為動態(tài)前饋-反饋控制。前饋控制的基本概念是測取進入控制過程的干擾信號，在爐膛負壓控制系統(tǒng)中，由于蒸汽壓力波動較大時，燃料用量和送風量的波動會較大，所以通過測取引風量，就可以的到干擾信號，利用反應較快的動態(tài)前饋控制，就可以很好的減小干擾信號對系統(tǒng)的影響。將前饋與反饋有效的結(jié)合，運用前饋控制在擾動發(fā)生后，及時抑制由主要擾動引起的被控量所產(chǎn)生的偏差，同時運用反饋控制消除其余的擾動對負壓的影響。圖2.2 爐膛負壓控制系統(tǒng)框圖第三章 系統(tǒng)辨識3.1燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制燃料流量被控對象為：GS=114s+1e-4s燃料流量至蒸汽壓力關系為：G(S)=6蒸汽壓力至燃料流量關系為：G(s)=1

15、/6蒸汽壓力檢測變換系統(tǒng)數(shù)學模型為：G(s)=2燃料流量檢測變換系統(tǒng)數(shù)學模型為：G(s)=6 燃料流量與控制流量比值為：G(s)=1/5 空氣流量被控對象為：Gs=411s+1e-3s3.2爐膛負壓控制引風量與負壓關系：Gs=68s+1e-2s送風量與負壓關系：Gs=17s+1第四章 系統(tǒng)特性分析4.1燃料控制系統(tǒng)燃料流量被控對象為：GS=114s+1e-4s將其轉(zhuǎn)換成MATLAB程序：num = 1;den = 14 1;G=tf(num,den,InputDelay,4);Gp=pade(G,3);rlocus(Gp) 由根軌跡可知，當增益為小于56時，系統(tǒng)穩(wěn)定，而該函數(shù)的增益為1，故對應

16、的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。4.2負壓控制系統(tǒng)引風量與負壓關系：Gs=68s+1e-2s。MATLAB程序：num = 6;den = 8 1;G=tf(num,den,InputDelay,2);G_LeAir_NegPres =pade(G,3);rlocus(G_LeAir_NegPres)當增益為6時，對應的閉環(huán)特征方程的根位于負半軸，所以對應的閉環(huán)函數(shù)穩(wěn)定。4.3空氣流量控制系統(tǒng)空氣流量被控對象為：Gs=411s+1e-3s。MATLAB程序：G_Air =tf(4,11 1,inputdelay,3);margin(G_Air);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_Air)Gm =1.6

17、 Pm =44幅值穩(wěn)定裕量為和相位穩(wěn)定裕量均大于零，故系統(tǒng)穩(wěn)定。第五章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設計及整定5.1燃料控制系統(tǒng)5.1.1 構(gòu)建 simulink 模型數(shù)學模型中的傳遞函數(shù)由TransferFcn模塊、TransportDelay模塊實現(xiàn)，PID控制器由Gain模塊、Integrator模塊實現(xiàn)。l Constant模塊：設定Constantvalue為20，表示蒸汽壓力的設定值。l Gain模塊：雙擊模塊，分別設置為1.15，0.1，1.0，0.15。分別代表燃料流量調(diào)節(jié)器Kp，燃料流量調(diào)節(jié)器Ki，空氣流量調(diào)節(jié)器Kp，空氣流量調(diào)節(jié)器Ki。l Sum模塊：雙擊模塊，在彈出的參數(shù)對話框中設定

18、Listofsigns。其中設定為，表示負反饋控制系統(tǒng)。l Uniform Random Number模塊：雙擊模塊，取默認值，表示系統(tǒng)受幅值為1的隨機干擾。l TransferFcn模塊：雙擊模塊，在彈出的參數(shù)對話框中設定Numerator coefficient、Denominator cofficient。l TransferDelay模塊：雙擊模塊在彈出的對話框中設定TransportDelay中的Timedelay為3，表示燃料流量控制的延遲時間為3；設定TransportDelay1中的Timedelay為2，表示空氣流量控制的延遲時間為2。5.1.2 利用PID Tunner設計

19、燃料控制系統(tǒng)PID控制器PID模塊位于MATLAB SIMULINK的coutinuous庫中，利用此模塊，可以方便的按自己的要求整定PID的各種參數(shù)。在Controller下拉菜單中選擇PI結(jié)構(gòu)模式，Time-domain選項選擇連續(xù)域模式。選擇好模式之后，單擊Apply，然后單擊Tune按鈕，PID Tuner會自動在系統(tǒng)默認的工作點處對模型進行線性化處理，設計出控制器的參數(shù)。在界面的下方，有用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應時間的滾動條工具，通過滾動條可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應時間。 PID自動調(diào)節(jié)模塊界面得到滿意的響應曲線之后，單擊Apply按鈕，PID Tuner自動設計的參數(shù)就已經(jīng)寫入到了參數(shù)設置框中，如圖

20、所示。圖45 PID參數(shù)5.1.3利用穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù)首先使KI=0，調(diào)整KP使系統(tǒng)臨界振蕩，由BODE圖知，單位負反饋時，KP= 6.1512附近系統(tǒng)振蕩，則當負反饋系數(shù)為6時，KP=1.0252時，閉環(huán)系統(tǒng)振蕩。利用穩(wěn)定邊界法整定PID三個參數(shù)。先選取較大的Kp，例如100，使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的增幅振蕩，然后采取折半取中的方法尋找臨界增益，例如第一個點是Kp=50，如果仍未增幅振蕩則選取下一點Kp=25，否則選取Kp=75。直到出現(xiàn)等幅振蕩為止。截出相應的響應曲線圖形系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應如圖所示。此時Kcr=1.04按照穩(wěn)定邊界法計算PID參數(shù)。穩(wěn)定邊界法的計算公式如表1

21、所示。調(diào)節(jié)規(guī)律KpKiKdP0.5KpPI0.455Kp0.535Kp/TPID0.6Kp1.2Kp/T0.075Kp*T記錄此時的振蕩周期T=15s和比例系數(shù)Kcr=1.04，則有KP=0.455*Kcr=0.4732，KI=0.535KPT=0.0169。系統(tǒng)的響應如下圖所示。PID Tunner和穩(wěn)定邊界法的對比5.1.4模塊封裝將燃料流量調(diào)節(jié)器、空氣流量調(diào)節(jié)器模塊封裝起來，如圖所示，選擇要封裝的模塊，右擊并選擇Create Subsystem命令。封裝會使模型簡介，增強模型的可讀性，封裝后如下圖所示。5.2蒸汽壓力控制系統(tǒng)在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎上，采用試誤法整定壓力控制系統(tǒng)。系統(tǒng)

22、整定仿真框圖如圖47所示，KP=1KI=0當，時（此時相當于無調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡單）。仿真結(jié)果如圖所示圖5.2蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖5.2.1蒸汽壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應5.3空氣流量控制系統(tǒng)圖5.3.0空氣流量控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖5.3.1空氣流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應5.4負壓控制系統(tǒng)前饋補償整定由系統(tǒng)概述可知，利用動態(tài)前饋與反饋控制能使負壓控制系統(tǒng)達到比較好的效果，反饋控制在燃料控制系統(tǒng)和空氣流量控制系統(tǒng)中已經(jīng)詳細的論述與應用過了，在此就前饋控制做一下討論。圖5.4 前饋控制原理圖在圖412中實現(xiàn)部分為未引入控制措施前的控制框圖，虛線部分為所

23、引入的控制部分。Gf(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；Gd(s)為前饋調(diào)節(jié)器函數(shù)；G2(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的控制通道傳遞函數(shù)；G1(s)為給定環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。系統(tǒng)輸出為：Y=XG1G2G3+M(GdG2+Gf)G3由上式可知，消除可測干擾M的影響，令M的系數(shù)為0，得Gd=-GfG2。因此，可以得到負壓控制系統(tǒng)前饋補償函數(shù)為：Gs=-8s+142s+6圖5.4.1負壓前饋反饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖第六章 控制系統(tǒng)仿真由之前各個步驟的仿真，最后搭建完整的系統(tǒng)Simulink仿真框圖，同時為了模擬真正的工業(yè)控制環(huán)境，引入了幅值為-1至1的噪聲干擾信號： 圖6.0 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真框圖引入干擾信號之后，系統(tǒng)較好的抑制了干擾，曲線很漂亮的達到了穩(wěn)定。示波器的波形由上至下一依次為：蒸汽壓力設定值波形