鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的仿真

1、 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 i 頁鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的仿真摘要工業(yè)鍋爐是重要的動(dòng)力設(shè)備，在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。近年來，隨著人們能源與環(huán)保意識的增強(qiáng)，鍋爐生產(chǎn)過程的在線監(jiān)測與優(yōu)化控制，已成為能源、環(huán)保和控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向之一。目前，我國工業(yè)鍋爐的設(shè)備相對落后，大多數(shù)鍋爐的控制、操作水平的自動(dòng)化水平較低。根據(jù)我國鍋爐自動(dòng)控制的現(xiàn)狀，本論文著重研究了工業(yè)鍋爐的燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)分析了工業(yè)鍋爐燃燒過程機(jī)理及控制目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，針對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的控制任務(wù)，對工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)的燃料、送風(fēng)、引風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，總結(jié)操作人員成功的經(jīng)驗(yàn)，提出兩種控制策略：其一是基本模糊控制器，引

2、入工業(yè)鍋爐燃料控制系統(tǒng)中；另一種是模糊自尋優(yōu)控制器，用于送風(fēng)控制系統(tǒng)中。最后，根據(jù)所提出的控制方案，采用 matlab 仿真軟件，進(jìn)行了有效的仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，模糊控制的引入有效地克服了系統(tǒng)的擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。關(guān)鍵詞：工業(yè)鍋爐;燃燒系統(tǒng); matlab 仿真 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ii 頁boiler burning the control system simulationabstractthe industrial boiler is important in power equipment, in chinas national economic developme

3、nt plays an important role. in recent years, as people energy and strengthening of environmental protection consciousness, the production process of boiler on-line monitoring and optimization control, has become energy, environmental of protection and control field research hot spot one of direction

4、s. at present, chinas industrial boiler equipment is relatively backward, most of the boiler control, operation level of automation level is low. according to chinas present situation of boiler control, this paper focuses on the industrial boiler combustion automatic control system. this paper analy

5、zes the industrial boiler combustion process mechanism and control goals. on this basis, according to industrial boiler control system of industrial control tasks of boiler combustion system of fuel and air supply, lead the wind to carry on the design. among them, summarizes the successful experienc

6、e operators, put forward two control strategies: one is the basic fuzzy controller, the introduction of industrial boiler fuel control system; another kind is fuzzy optimum controller, since for supply air control system. finally, according to the proposed control schemes, using of matlab simulation

7、 software, effectively simulation experiment. the results show that the introduction of fuzzy control effectively will overcome the system disturbance and improve the dynamic behavior of the system. keywords: industrial boiler；combustion system；matlab simulation 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 iii 頁 目錄摘要.iabstract

8、.ii目錄.iii1 緒論.11.1 選題背景及目的.11.2 國內(nèi)外鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.11.3 國內(nèi)外鍋爐燃燒控制理論研究現(xiàn)狀.21.4 模糊控制的發(fā)展及研究現(xiàn)狀.21.5 本設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容.32 鍋爐燃燒過程的原理及控制目標(biāo).42.1 鍋爐的構(gòu)造和工作過程.42.2 鍋爐燃燒過程原理.52.2.1 內(nèi)擾特性.62.2.2 外擾特性.82.2.3 送風(fēng)和引風(fēng)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性.82.3 燃燒控制的目標(biāo).103 鍋爐燃燒過程模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).12 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 iv 頁3.1 燃料控制系統(tǒng).123.1.1 系統(tǒng)控制方案.123.1.2 基本模糊控制器的設(shè)計(jì).133

9、.2 送風(fēng)控制系統(tǒng).173.2.1 系統(tǒng)控制方案.173.2.2 自尋優(yōu)算法.183.3 引風(fēng)控制系統(tǒng).203.3.1 系統(tǒng)控制方案.203.3.2 前饋補(bǔ)償器.203.4 小結(jié).214 鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊控制仿真.224.1 系統(tǒng)仿真的目的.224.2 matlab 軟件簡介.224.2.1 模糊控制工具箱介紹.224.2.2 simulink 工具箱介紹.234.3 燃料控制系統(tǒng)仿真.234.3.1 fuzzy-pi 串級控制系統(tǒng)的仿真.234.3.2 燃料控制系統(tǒng)的性能分析.25 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 v 頁4.4 送風(fēng)控制系統(tǒng)仿真.254.4.1 送風(fēng)控制系統(tǒng)的仿真框圖及結(jié)果

10、.254.4.2 送風(fēng)控制系統(tǒng)性能分析.264.5 引風(fēng)控制系統(tǒng)仿真.264.5.1 引風(fēng)控制系統(tǒng)的仿真框圖及結(jié)果.264.5.2 引風(fēng)控制系統(tǒng)的性能分析.284.6 小結(jié).28結(jié)論.29致謝.30參考文獻(xiàn).31 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁1 緒論1.1 選題背景及目的鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的動(dòng)力源，又可作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備的不斷創(chuàng)新，作為工廠動(dòng)力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數(shù)、高效率發(fā)展。為了確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐設(shè)備的控

11、制系統(tǒng)就顯得愈加重要。 工業(yè)鍋爐的自動(dòng)控制有著重要的意義,其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對鍋爐燃燒過程進(jìn)行有效控制，使燃燒在合理的空燃比條件下進(jìn)行，可以提高燃燒效率。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高1都會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其次，鍋爐控制過程的自動(dòng)化處理能使操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上根據(jù)控制效果及時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，工業(yè)鍋爐的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。1.2 國內(nèi)外鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，能源日益緊張，環(huán)境保護(hù)的要求也越來越高，國外燃煤的工業(yè)鍋爐很

12、少，尤其是 200 噸/時(shí)以下的工業(yè)鍋爐更少，它們主要是燃燒油或天然氣，大量的工業(yè)用汽或采暖都由 200 噸/時(shí)以上的電站鍋爐或熱電聯(lián)產(chǎn)的中壓以上鍋爐來提供。近年來 1 噸/時(shí)以下的燃油、燃?xì)獾男⌒湾仩t發(fā)展迅速，這些鍋爐的自動(dòng)化水平極高，甚至達(dá)到了無需用人管理的地步。自 1975 年，世界上第一個(gè)分布式控制系統(tǒng)美國honeywell 公司的 tdc-2000 問世以來，發(fā)達(dá)國家已研制出許多先進(jìn)的工業(yè)鍋爐的微機(jī)控制系統(tǒng)，從而逐步取代常規(guī)儀表而進(jìn)入工業(yè)鍋爐控制行業(yè)。 在我國工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)方面的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，1、手工控制階段；2、專用儀表控制階段；3、電動(dòng)單元組合控制階段；4、計(jì)算機(jī)控制

13、階段(分布式控制系統(tǒng) dcs)。我國從 80 年代開始，引進(jìn)了數(shù)十套工業(yè)鍋爐微機(jī)分布控制系統(tǒng)，近年來國內(nèi)有幾十家大專院校、科研院所和企業(yè)合作開發(fā)工業(yè)鍋爐的微機(jī)控制系統(tǒng)，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與完善，成本也大幅度降低，可靠性不斷提高，鍋爐運(yùn)行采用微型計(jì)算機(jī)控制是工業(yè)鍋爐運(yùn)行的必然趨勢?？梢灶A(yù)言，工業(yè)鍋 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁爐的微機(jī)分布式控制系統(tǒng)必將成為新一代的產(chǎn)品投放市場，以供鍋爐直接使用，鍋爐的微機(jī)分布式控制系統(tǒng)正在我國形成一種產(chǎn)業(yè)，也將成為鍋爐控制系統(tǒng)的一次飛躍。1.3 國內(nèi)外鍋爐燃燒控制理論研究現(xiàn)狀 目前,國內(nèi)外已研制出許多工業(yè)鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)，如：

14、單片機(jī)控制系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)。隨著大規(guī)模集成電路及微處理器技術(shù)的發(fā)展，這些控制系統(tǒng)所使用的微處理器也不斷更新，單片機(jī)取代了單板機(jī)。盡管微處理器在不斷更新，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)十分成熟，但大多數(shù)的工業(yè)過程仍采用 pid 算法，這是因?yàn)?pid 算法技術(shù)成熟，調(diào)節(jié)規(guī)律靈活，參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)控制理論需要較高精度的對象模型，而工業(yè)過程的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)是：1、對象的動(dòng)態(tài)特性是不振蕩的；2、對象動(dòng)態(tài)特性有遲延；3、被控對象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的；4、被控對象往往具有非線性特性，而且大多數(shù)工業(yè)過程是多變量的，難于建立起精確的數(shù)學(xué)模型，因而在工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中很難收到預(yù)期的效果。為了克服理論與實(shí)際之間的不

15、協(xié)調(diào)，70 年代以來，人們設(shè)想從工業(yè)過程的特點(diǎn)出發(fā)，尋找對模型精度要求不高而同樣能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量控制性能的方法，于是加強(qiáng)了在建模理論、辨識技術(shù)、最優(yōu)控制、最優(yōu)化等方面的研究，開始打破傳統(tǒng)方法的束縛，推出了從工業(yè)系統(tǒng)特點(diǎn)出發(fā)研究,其對模型要求不高，在線計(jì)算方便，對過程和環(huán)境的不確定性有一定適應(yīng)能力的實(shí)用型控制策略和方法。例如：模糊控制等就是在這種背景下發(fā)展起來的新型的控制算法。它以比單純的 pid 控制更好的控制效果而廣泛應(yīng)用。1.4 模糊控制的發(fā)展及研究現(xiàn)狀1965年，模糊集理論由美國控制論專家l.a.zadeh創(chuàng)立，為描述、研究和處理模糊性現(xiàn)象提供了有力的數(shù)學(xué)工具。最早實(shí)現(xiàn)模糊控制應(yīng)用的是英國倫

16、敦大學(xué)教授eh.mamdani，他于1974年將模糊控制語句組的模糊控制器，應(yīng)用于鍋爐和氣輪機(jī)的運(yùn)行控制，開創(chuàng)了模糊控制應(yīng)用的先河，也充分展示了模糊控制技術(shù)的應(yīng)用前景。我國對模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊信息論、模糊模式識別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。模糊控制可在多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，大體可分為三個(gè)方面。(1)模糊控制的產(chǎn)品化研究 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁以家用電器產(chǎn)品的應(yīng)用為對象，采用模糊控制技術(shù)，生產(chǎn)出了各種家用電器，如模糊洗衣機(jī)、模糊空調(diào)、模糊電飯煲、模糊自動(dòng)聚焦攝像機(jī)和照相機(jī)等。隨著這些特定對象

17、的控制系統(tǒng)開發(fā)的迅速增長。簡單、實(shí)用且具有模糊推理功能的模糊集成專用芯片和模糊控制裝置、通用模糊控制系統(tǒng)的研究也日新月異。(2)模糊控制的非生產(chǎn)過程應(yīng)用研究在非生產(chǎn)過程中模糊控制已經(jīng)成功的應(yīng)用于電梯自動(dòng)運(yùn)行、十字路口交通管理系統(tǒng)、水處理、汽車速度控制等方面。(3)模糊控制在工業(yè)過程中的應(yīng)用研究工業(yè)過程以其特有的復(fù)雜性，成為模糊控制應(yīng)用的最為重要的領(lǐng)域。將模糊控制應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)過程，往往能得到常規(guī)控制難以比擬的控制效果。模糊控制已成功的應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯控制、核反應(yīng)控制、電廠汽機(jī)系統(tǒng)控制、液壓伺服電機(jī)等系統(tǒng)。充分顯示了模糊控制在大規(guī)模、多目標(biāo)、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)用的強(qiáng)大優(yōu)勢。1.5 本設(shè)計(jì)主要

18、研究內(nèi)容 將模糊控制應(yīng)用于工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括燃料、送風(fēng)、引風(fēng)三個(gè)子系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容為：(1)分析鍋爐燃燒過程的原理及控制目標(biāo)；(2)設(shè)計(jì)燃料、送風(fēng)、引風(fēng)控制系統(tǒng)的控制方案及模糊控制器；(3)運(yùn)用仿真軟件matlab進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并分析仿真結(jié)果。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁2 鍋爐燃燒過程的原理及控制目標(biāo)2.1 鍋爐的構(gòu)造和工作過程圖 21 為工業(yè)鍋爐的結(jié)構(gòu)簡圖，它主要由以下幾部分組成。 圖 2.1 工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖 1、燃燒嘴：燃料進(jìn)入爐膛后燃燒的地方。2、爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備。燃料由料斗落在轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈條爐排上，進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。所需的空氣由爐排下面的風(fēng)箱

19、送入，燃盡的灰渣被爐排帶到除灰口，落入灰斗中，得到的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過各個(gè)受熱面，將熱量傳遞給水以后，由煙囪排至大氣。3、汽包：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內(nèi)受外煙氣加熱，因兩管簇內(nèi)發(fā)生自然的循環(huán)流動(dòng)，并逐漸汽化，產(chǎn)生的飽和蒸汽集聚在上鍋筒里面。4、減溫器：降低管內(nèi)流動(dòng)水的溫度。5、過熱器：是將鍋爐所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。6、省煤器：是利用煙氣余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。省煤器由蛇形管組成。7、空氣預(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁氣的換熱器。為保證鍋爐正常工作，還必須有一些輔助設(shè)備

20、，包括以下幾部分：l、引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道口部分，用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。2、送風(fēng)設(shè)備：由送風(fēng)機(jī)和風(fēng)道所組成，用它來供應(yīng)燃料燃燒所需要的空氣。3、給水設(shè)備：由給水泵和給水管路所成，給水泵系用來克服給水管路與省煤器的阻力和鍋筒的壓力，把給水泵送入鍋筒。為了安全，鍋爐房通常要有兩臺以上給水泵，并且采用氣動(dòng)和電動(dòng)兩種拖動(dòng)方式，起著相互備用的作用。4、水處理設(shè)備：其作用為清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕，從而提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。5、燃料供給設(shè)備：其作用是保證鍋爐所需燃料的供應(yīng)。6、除灰塵設(shè)備：除灰塵設(shè)備是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往貯灰場地的設(shè)備。除灰塵設(shè)備是除

21、去煙氣中的灰粒，以減少對周圍環(huán)境污染的設(shè)備。 鍋爐最基本的構(gòu)成是汽包和爐膛兩大部分。鍋爐的工作過程為：燃料在爐膛里進(jìn)行燃燒，將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能；高溫的燃燒產(chǎn)物一一煙氣，通過汽包受熱面將熱量傳遞給氣鍋內(nèi)溫度較低的水，水被加熱，進(jìn)而沸騰汽化，生成蒸汽。所以，鍋爐的工作過程概括起來應(yīng)包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的過程：燃料的燃燒過程、煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程。鍋爐的控制主要分為兩大部分：燃燒控制系統(tǒng)和汽包水位控制系統(tǒng)。鍋爐的燃燒過程是一個(gè)多參數(shù)、多回路、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)，較難控制，因此,本文重點(diǎn)研究了鍋爐的燃燒過程控制。2.2 鍋爐燃燒過程原理鍋爐汽包蒸汽壓力是燃燒過程調(diào)節(jié)對象的主要

22、被調(diào)量，引起蒸汽壓力變化的因素有很多，如燃料量、送風(fēng)量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況的變化原因。它受到的主要擾動(dòng)分為內(nèi)擾(燃料的變化)和外擾(蒸汽流量的改變)。以蒸汽壓力作為被調(diào)量的燃燒過程示意圖如圖 22 所示。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁圖 2.2 以鍋爐汽壓為主參數(shù)的燃燒過程示意圈其中：燃料調(diào)節(jié)閥開度；bm b：燃料量；v：送風(fēng)量； q：爐膛發(fā)熱量；w：給水量； p：汽包出口蒸汽壓力；d：蒸汽流量； ：用汽設(shè)備調(diào)節(jié)閥開度。md 2.2.1 內(nèi)擾特性 鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)，若進(jìn)入爐膛的燃料量發(fā)生變化，則爐膛發(fā)熱量立即改變。而蒸發(fā)量部分可以看作是一個(gè)儲熱量的容器，反映儲熱量多少

23、的主要參數(shù)汽汽包壓力p。當(dāng)爐膛發(fā)熱量 q 和蒸汽流量 d 所帶走的熱量不相等時(shí)，汽包壓力 p 就要發(fā)生變化，其關(guān)系式為： (2.1)dpq-d=cdt其中：q：單位時(shí)間內(nèi)鍋爐爐膛發(fā)熱量；d：蒸汽流量(用熱量表示)；c：鍋爐蒸發(fā)部分的容量系數(shù)，即汽包壓力變化一個(gè)單位時(shí)，鍋爐蒸發(fā)部分儲熱量的改變；：鍋爐汽包壓力時(shí)間的變化率。ptdd(1)蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性與鍋爐的供汽條件有關(guān)，如果用汽量 d 不變，而燃料量改變產(chǎn)生內(nèi)擾時(shí)，蒸汽壓力成積分規(guī)律變化，蒸汽壓力變化的階躍反映曲線如圖23 所示。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁圖 2.3 蒸汽流量不變時(shí)，燃料量階躍擾動(dòng)響應(yīng)圖 2.4 蒸汽調(diào)節(jié)閥

24、開度不變時(shí)，燃料量階躍擾動(dòng)響應(yīng)bm(2)若用汽設(shè)備的調(diào)節(jié)閥開度不變，則隨著汽壓 p 的升高，蒸汽流量也將增bm加這時(shí)蒸汽壓力成指數(shù)規(guī)律變化，它的反應(yīng)曲線如圖 24 所示。當(dāng)蒸汽流量帶走的熱量等于燃料增加的熱量時(shí)，蒸汽壓力又在新的數(shù)值上穩(wěn)定下來，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。燃料量改變時(shí)蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性存在較大滯后。而從時(shí)間上來說，爐膛溫度比蒸汽壓力超前得多，所以本文采用以爐膛溫度為副控參數(shù)，以蒸汽壓力為主控參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。根據(jù)以往研究者的經(jīng)驗(yàn)，我們可以把爐膛溫度模型近似為： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 (2.2)1-t sr111qkw (s)=eb(s)1+t s式中：增益系數(shù)；1k：

25、慣性時(shí)間常數(shù)：1t：純滯后時(shí)間常數(shù)。 1t對式(21)進(jìn)行拉氏變換，得： (2.3)2p(s)1w (s)=q(s)-d(s)cs 因此鍋爐的蒸汽壓力對象可用單容積積分環(huán)節(jié)與純滯后(傳遞滯后)環(huán)節(jié)的串聯(lián)表示。2.2.2 外擾特性外擾有兩種情況，一種是負(fù)荷設(shè)備的蒸汽閥門開度改變，另一種是負(fù)荷設(shè)備用汽量的突然增加(或減少)所產(chǎn)生的。下面就分析兩種情況的擾動(dòng)下，蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性。(1)若負(fù)荷設(shè)備的蒸汽調(diào)節(jié)閥開度突然改變，鍋爐的汽壓也隨即改變，其反應(yīng)dm曲線如圖 25 所示。當(dāng)突然開大，則從汽包中流向負(fù)荷設(shè)備的蒸汽流量 d 立即dm增加，但是，由于燃料量沒有增加，汽包壓力批 p 逐漸下降，從汽包

26、中流出的蒸d汽量也逐漸減少，最后蒸汽流量只能恢復(fù)原值。也就是說，燃料量不改變，在平衡狀態(tài)時(shí)，鍋爐供應(yīng)的蒸汽流量也不會改變。至于閥門開度增大后短時(shí)間增加的蒸dm汽量是依靠鍋爐蒸發(fā)部分儲熱量減少(壓力降低)放出來的。(2)當(dāng)負(fù)荷設(shè)備蒸汽用量突然增加時(shí)，汽包蒸汽壓力的反應(yīng)曲線如圖 26 所示。當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，汽包蒸汽壓力則下降，如果蒸汽流量繼續(xù)保持增大后的數(shù)值，由于燃料量沒有增加，熱量不能平衡，所以蒸汽壓力一直下降，直到改變?nèi)剂狭渴蛊洚a(chǎn)生的熱量與蒸汽流量相平衡時(shí)，才能恢復(fù)保持鍋爐的蒸汽壓力。2.2.3 送風(fēng)和引風(fēng)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性上面主要討論了燃燒控制系統(tǒng)的汽壓被控對象的動(dòng)態(tài)特性。為了保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)

27、、安 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁全 (a)(b)(c)圖 2.5 負(fù)荷設(shè)備蒸汽閥門開度階躍變化，鍋爐汽壓的反應(yīng)曲線燃燒，還要考慮在送風(fēng)和引風(fēng)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。由于目前沒有直接測量燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的手段，只能近似認(rèn)為只要送風(fēng)量、引風(fēng)量隨時(shí)與燃料量保持適當(dāng)?shù)谋壤湍鼙ＷC。當(dāng)送風(fēng)量或引風(fēng)量單獨(dú)改變時(shí)，爐膛壓力變化的慣性很小，因此，這些擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性可近似認(rèn)為控制對象是一個(gè)慣性很小的環(huán)節(jié)，或者認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。爐膛壓力控制通道的傳遞函數(shù)可描述為： = (2.4) 1wsa-t saak-et s +1 送風(fēng)干擾通道傳遞函數(shù)可近似為： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 = (2.5) 2

28、wsb-t sbbket s +12.3 燃燒控制的目標(biāo) 通常將鍋爐燃燒系統(tǒng)視為三輸入三輸出系統(tǒng)，輸入量為燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量；輸出量為主蒸汽壓力、爐膛溫度和爐膛負(fù)壓。同時(shí)，還存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的擾動(dòng)參數(shù)，包(a)(b)圖 2.6 蒸汽流量階躍變化，鍋爐蒸汽壓力的反應(yīng)曲線括蒸汽流量擾動(dòng)和燃料品質(zhì)擾動(dòng)等。這些參數(shù)互相作用如圖 27 所示。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，通常將系統(tǒng)簡化為三個(gè)子系統(tǒng)：燃料控制系統(tǒng)、送風(fēng)控制系統(tǒng)、引風(fēng)控制系統(tǒng)。圖 2.7 燃燒系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系示意圈 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，同時(shí)又要保證鍋爐安全

29、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。每臺鍋爐燃燒過程的具體控制任務(wù)及控制系統(tǒng)的選擇因?qū)嶋H應(yīng)用情況而有所差別，燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)歸納起來有以下幾個(gè)：(1)維持蒸汽母管壓力穩(wěn)定。蒸汽壓力反映了鍋爐在運(yùn)行過程中的能量平衡和物料平衡的狀況，所以，蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了安全的目的之外，主要起定值負(fù)荷調(diào)節(jié)作用。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加，壓力就下降，這時(shí)，就得增加燃料的供應(yīng)量以保持能量的平衡；反之亦然。(2)保證空燃比。當(dāng)燃料量變化時(shí)，必須相應(yīng)的調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使風(fēng)量與燃料相匹配。如果比值不當(dāng)，空氣不足導(dǎo)致燃料的不完全燃燒：空氣過多會使大量的熱量損失在煙氣中，使燃燒效率降低。(3)保證一定的爐膛負(fù)壓。送風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，必須相應(yīng)地改變引風(fēng)量，以保證爐

30、膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)。爐膛壓力的高低，關(guān)系鍋爐的安全運(yùn)行，負(fù)壓過小爐膛向外噴火，不利于安全生產(chǎn)，有害于環(huán)境衛(wèi)生；負(fù)壓過大，爐膛漏風(fēng)量增大，則會造成風(fēng)機(jī)耗電量增加，排煙熱量損失增加。一臺鍋爐燃燒系統(tǒng)的這三項(xiàng)控制任務(wù)是不可分開的，可以用三個(gè)調(diào)節(jié)器控制三個(gè)調(diào)節(jié)變量(燃料量 b、送風(fēng)量 v、引風(fēng)量 v)，以維持三個(gè)被調(diào)量(蒸汽壓力 p、過?？諝庀禂?shù)或最佳含氧量或爐膛火焰中心的溫度 t 和爐膛負(fù)壓。三個(gè)控制系統(tǒng)互相002ots協(xié)調(diào)不可分割。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁3 鍋爐燃燒過程模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 燃料控制系統(tǒng)3.1.1 系統(tǒng)控制方案 燃燒系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)干擾、非線性、時(shí)變的過程，

31、所建立的數(shù)學(xué)模型是不精確的，而且蒸汽壓力對象滯后較大，燃料量的變化到主蒸汽壓力的變化回路存在時(shí)滯，該時(shí)滯的大小隨負(fù)荷狀況的變化而變化，這些因素給控制帶來不少困難，常規(guī) pid 算法對這種大滯后、時(shí)變系統(tǒng)是很難奏效的。工業(yè)鍋爐大多沿用測量蒸汽壓力來調(diào)節(jié)送風(fēng)量和給燃料量。由于這種方法純滯后太大，給控制系統(tǒng)達(dá)到良好特性帶來許多困難。從時(shí)間上來說，爐膛溫度比蒸汽壓力對燃料量變化的響應(yīng)超前得多，因此，可以把爐膛溫度與蒸汽壓力串級，組成熱負(fù)荷控制系統(tǒng)。模糊控制器由于具有較強(qiáng)的魯棒性，因而在控制數(shù)學(xué)模型不精確的情況下，常常得以采用，但常規(guī)二維控制由于缺少積分作用，穩(wěn)態(tài)性能不太好。為使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能和

32、穩(wěn)態(tài)性能，提出一種帶參數(shù)自調(diào)整的模糊控制器，作為主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器，用常規(guī) pi 控制器作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器，形成一個(gè)模糊-pi 串級控制系統(tǒng)。如圖31 所示：圖 3.1 燃料控制系統(tǒng)方框圖蒸汽壓力對象的主要干擾是蒸汽流量的變化(外擾)和鍋爐燃料的變化(包括燃料量，燃料所含水分、可燃物質(zhì)等的變化，統(tǒng)稱為內(nèi)擾)。在燃料擾動(dòng)時(shí)，送風(fēng)和引風(fēng)同時(shí)協(xié) 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁調(diào)動(dòng)作，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于爐膛溫度信號能及時(shí)反映燃料的擾動(dòng)，所以引入溫度調(diào)節(jié)器，以克服內(nèi)擾的影響，并很快消除擾動(dòng)，基本不會因燃料的擾動(dòng)造成主蒸汽壓力的波動(dòng)。3.1.2 基本模糊控制器的設(shè)計(jì) （1）模糊控制器的結(jié)構(gòu)

33、 一般來說，模糊控制器的維數(shù)越高，控制精度越高，但維數(shù)過高，會使控制規(guī)則變得復(fù)雜而導(dǎo)致算法實(shí)現(xiàn)困難。本文選用最常用的二維模糊控制器，即輸入變量為偏差 e 和偏差變化量 c，系統(tǒng)框圖如圖 3.2 所示：圖 3.2 基本模糊控制系統(tǒng)圖中：主汽壓偏差eyr：主汽壓測量值； y ：主汽壓給定值；r：偏差變化率；ii-1ii-1e -ec=t -t：本次偏差； ei ：上次偏差；1ei：本次時(shí)間； it ：上次時(shí)間。1it（2）確定模糊輸入和輸出變量的值 一般包括兩個(gè)部分的內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集及定義各模糊變量的模糊子集。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁1、選擇描述輸入輸出變量的詞集

34、模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入、輸出變量狀態(tài)的一些詞匯的集合，稱為這些變量的詞集。選擇詞匯較多，可以使制定控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜；選擇詞匯較少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞，本文選擇描述偏差、偏差變化率和控制量的詞集為：nb，nm，ns，o，ps，pm，pb 其中，nb，nm，ns，o，ps，pm，pb 分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。輸入、輸出變量可以用模糊集合來表示，因此模糊概念的問題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。2、定義各模糊變量的模糊子集定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀

35、。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，就構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。對于模糊化過程而言，隸屬函數(shù)的形狀起著重要作用，它代表著人在思維過程中將現(xiàn)實(shí)的精確量轉(zhuǎn)化為語言變量的直覺過程。從統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，正態(tài)分布隸屬函數(shù)體現(xiàn)人的直覺推理方式，因?yàn)槿藗儗陀^事物的判斷往往沿用正態(tài)分布的思維特點(diǎn)，應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制中的模糊控制器往往采用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)。本文的模糊控制采用的隸屬函數(shù)如圖 33、圖 34 和圖 35 所示使用matlab的模糊邏輯工具箱很容易實(shí)現(xiàn)。（3）建立模糊控制器的控制規(guī)則 模糊控制器的規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)而逐漸形成的，

36、存儲在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識集合。手動(dòng)控制過程一般是通過對被控對象的一些觀測，操作者再根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對象的控制作用，從而使得系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。用于主蒸汽壓力模糊控制器的推理由一套線性規(guī)則構(gòu)成，表示為：if e is and c is then u is iejci+ju 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁其中，代表“主汽壓偏差”的模糊集，代表“主汽壓偏差變化量”的模iejc糊集，代表“輸出量”的模糊集。uij圖 3.3 輸入量 e 的隸屬函數(shù)圖 3.4 輸入量 c 的隸屬函數(shù) 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁圖 3.5 輸

37、出量 u 的隸屬函數(shù) 以上規(guī)則的構(gòu)造基于實(shí)際過程中如下階躍響應(yīng)特征：若主汽壓快速遠(yuǎn)離設(shè)定點(diǎn)，則施加大的控制量以控制輸出量返回設(shè)定點(diǎn)；當(dāng)主汽壓離設(shè)定點(diǎn)較近且正在快速靠近設(shè)定點(diǎn)，則需要較小的控制輸出信號。輸入量 e 和 c 對于決定輸出量具有等同的重要性。輸入輸出變量間的關(guān)系采用線性關(guān)系，因?yàn)榫€性關(guān)系代表著操作人員操作過程的一般思維方式。以上的規(guī)則用語言形式表示為：如果“主汽壓偏差”為“負(fù)大”，且“偏差變化量”為“負(fù)大”，則“輸出量”為“正大”；如果“主汽壓偏差”為“負(fù)大”，且“偏差變化量”為“負(fù)中”，則“輸出量”為“正大”等等，共 49 條語句，全部規(guī)則見表 31。表 3.1 主汽壓模糊控制器的

38、模糊控制規(guī)則表 c eunbnmnsopspmpbnbpbpbpbpbpmoonmpbpbpbpbpmoonspmpmpmpmonsnsopmpmpsonsnmnmpspspsonmnmnmnmpmoonmnbnbnbnb 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁pboonmnbnbnbnb由上表知，首先考慮偏差為負(fù)的情況，當(dāng)偏差為負(fù)大時(shí)，如果偏差變化量也為負(fù)，這時(shí)偏差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負(fù)大偏差，并抑制偏差變大，所以控制量的變化取正大。當(dāng)偏差為負(fù)而偏差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減少偏差的趨勢，所以為盡快消除偏差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當(dāng)偏差為負(fù)大且偏差變化量為正小時(shí)，控制量的變

39、化取為正中；當(dāng)偏差變化為正大或正中時(shí)，控制量不宜增加，否則將選成超調(diào)正偏差，因此，避時(shí)控制量變化取為 0。當(dāng)偏差為負(fù)中對，控制量的變化應(yīng)該使偏差盡快消除?；谶@種原則，控制量的變化選取同偏差為負(fù)大時(shí)相同。當(dāng)偏差負(fù)小時(shí)，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，如果偏差變化為負(fù)，選取控制量變化為正中，以抑制偏差往負(fù)方向變化；如果偏差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身有消除負(fù)小偏差的趨勢，選取控制量變化為正小即可。 上述選取控制量變化的原則是：當(dāng)偏差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除偏差為主，而當(dāng)偏差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。偏差為正時(shí)與為負(fù)時(shí)相似，相應(yīng)的符號都要變化。對建立的模糊控制規(guī)劃表 3.1 要經(jīng)

40、過模糊推理才能決策出變量的一個(gè)模糊子集，再將其反模糊化為精確量，以便更好地發(fā)揮出模糊推理結(jié)果的決策效果。上述基本模糊控制器在應(yīng)用中存在以下問題：1確定模糊變量隸屬度和控制規(guī)則時(shí)，帶有人為的主觀因素，因而可能導(dǎo)致控制查詢表出現(xiàn)不盡合理的地方。2控制器的量化因子和以及比例因子與控制品質(zhì)有關(guān)，為了保證足夠ekckuk的控制精度，應(yīng)選用較大的和較小。但和太大易產(chǎn)生自持振蕩，太小ekukekckuk會使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，也就是說，選擇參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能之間是矛盾的。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁3.2 送風(fēng)控制系統(tǒng)3.2.1 系統(tǒng)控制方案送風(fēng)控制系統(tǒng)的目的是保證合適的空/燃比，實(shí)現(xiàn)

41、燃料的完全燃燒。如果在燃燒過程中，空氣量不足，煤渣就會燃燒不完全。嚴(yán)重時(shí)會熄滅燃料的燃燒；當(dāng)空氣量過多時(shí)，會有未燃燒的過?？諝猓沾罅康臒崃繌臒煹琅懦?。只有使燃料完全燃燒，又使過?？諝饬繙p少到最低限度的情況下，才是燃燒的最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的做法是通過送風(fēng)-氧量校正通道來維持最佳空燃比。實(shí)踐證明這種方法由于受多種條件的限制，效果不夠理想。首先，殘氧量檢測儀價(jià)格昂貴，使用壽命短；其次，氧量信號的滯后時(shí)間較長。本文采用另一種方法，即利用熱效率與空/燃比之間的峰值特性，以爐膛溫度為被控制量，采用模糊自尋優(yōu)控制，自動(dòng)搜索最佳空/燃比。控制送風(fēng)量的依據(jù)：在燃料量不變時(shí)，以最高爐溫為指標(biāo)，調(diào)節(jié)送風(fēng)量， max

42、tt即改變空/燃比，當(dāng)爐溫時(shí)，表明此時(shí)的送風(fēng)量能使該燃料量充分燃燒，此 maxt =tt時(shí)的空/燃比為最佳空/燃比。當(dāng)燃料量變化時(shí)，送風(fēng)量相應(yīng)的變化，啟動(dòng)模糊自尋優(yōu)控制器，自動(dòng)搜索最佳空燃比?？驁D如圖 36 所示。圖 3.6 送風(fēng)控制系統(tǒng)框圖在燃料量一定時(shí)，爐膛溫度 t 與送風(fēng)量 v 的靜態(tài)關(guān)系如圖 37 所示。由圖可知，在燃料量一定時(shí)，對應(yīng)一最佳送風(fēng)量，即當(dāng)時(shí)，爐溫。燃料量不同ov =vmax0t =t=t時(shí)，tv 曲線也不同，因此，可以采用在線自動(dòng)搜索的方法，使得爐膛溫度達(dá)到最0v大值，即動(dòng)態(tài)地調(diào)整空燃比，使鍋爐運(yùn)行于最高效率。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁圖 3.7 爐膛溫度

43、與送風(fēng)量的靜態(tài)關(guān)系3.2.2 自尋優(yōu)算法自尋優(yōu)控制算法以最高爐溫為指標(biāo)，尋找最佳空燃比。在每個(gè)采樣周期測量爐溫增量，根據(jù)和上一周期尋優(yōu)步長決定本次尋優(yōu)步長自尋優(yōu)k-1k k-1vkv的啟動(dòng)條件為： (3.1)kk-1t -t當(dāng)負(fù)荷有微小波動(dòng)時(shí)保證不頻繁改變送風(fēng)量。當(dāng)滿足如下條件時(shí)：0 (3.2)kk-1t -t0 (3.3)k-1kt-t 0 且0，則0 且 ，減少風(fēng)量；kk-1vk-1v0v若0，則 ，減少風(fēng)量：kk-1vk-1v0v若0 且0，則 ，增加風(fēng)量。kk-1vk-1v0v即：，增加風(fēng)量；，減少風(fēng)量。kk-1v0 kk-1v0 綜合上述控制規(guī)則總結(jié)為表 3.2。3.3 引風(fēng)控制系統(tǒng)

44、3.3.1 系統(tǒng)控制方案 由引風(fēng)一負(fù)壓通道的傳遞函數(shù)可知，對象為一滯后環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間較小，因此控制起來比較方便。該通道的主要干擾是送風(fēng)量的擾動(dòng)，可用前饋補(bǔ)償器來抑制干擾，該控制系統(tǒng)的框圖如圖 3.8 所示。圖中，爐膛負(fù)壓為被控量，負(fù)壓調(diào)節(jié)器采用 pi 控制器。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁圖 3.8 引風(fēng)控制系統(tǒng)框圖3.3.2 前饋補(bǔ)償器 假設(shè)變頻器的傳遞函數(shù)為，引風(fēng)機(jī)的傳遞函數(shù)為，爐膛壓力控制通道的傳tvkgk遞函數(shù)為，送風(fēng)干擾對象的傳遞函數(shù)為 1a-t saakws = -et s +1。當(dāng) =及=時(shí)，根據(jù)完全補(bǔ)償條件，可求得前饋補(bǔ) b-t sb2bkws =et s +1a

45、batbt償器的傳遞函數(shù)為 (3.4) ba-t s-t sbaftvgbakked s +gs kked s = 0t s +1t s +1 則 (3.5) bfftvgakgs = kkk k3.4 小結(jié)通過分析，整個(gè)燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出、各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制系統(tǒng)。在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量各自保持不變，及時(shí)地補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)；在負(fù)荷變化的外擾作用時(shí)，需改變?nèi)剂狭浚瑫r(shí)相應(yīng)地改變送風(fēng)量和弓|風(fēng)量，既適應(yīng)負(fù)荷要求，又要使三個(gè)被調(diào)量：蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓和空/燃比保持在一定的范圍內(nèi)。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁4 鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊控制仿真4.1 系統(tǒng)仿真的

46、目的 為了研究、分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需要對系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，有兩種試驗(yàn)的方案，一種是在真實(shí)的系統(tǒng)上進(jìn)行，另一種是按真實(shí)的系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)模型，在模型上進(jìn)行。這種在模型上進(jìn)行這一過程就稱為系統(tǒng)仿真。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)無法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，而在現(xiàn)場調(diào)試費(fèi)時(shí)且影響生產(chǎn)。所以選用后一種，也就是仿真。計(jì)算機(jī)仿真以其方便、經(jīng)濟(jì)越來越受到人們的重視，隨著功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活的仿真軟件的不斷出現(xiàn)，仿真變得越來越方便快捷。仿真的目的是進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則是否合適。在此選 matlab 軟件對該控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁4.2 matlab 軟件簡介matlab 軟件于

47、1984 年由美國的 math works 公司推出。該軟件使用簡單、 方便， 對稍具 c 語言知識的用戶都能夠很容易地編制 matlab 應(yīng)用程序。該軟件提拱了豐富的數(shù)值分析、 矩陣運(yùn)算、 圖形繪制、 數(shù)據(jù)處理、 圖像處理等功能。 此外,matlab 還推出了大量不同的工具箱、 如控制系統(tǒng)工具箱、 系統(tǒng)辨識工具箱、 模糊控制工具箱、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱等。matlab 是一個(gè)開放的環(huán)境， 目前它已經(jīng)成為國際控制界廣泛流行的語言之一。 4.2.1 模糊控制工具箱介紹模糊邏輯工具箱 （fuzzy logic toolbox） 提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系

48、統(tǒng) （fis） 常用的工具函數(shù)， 它包括了產(chǎn)生新的 fis、 給 fis 加入變量、 隸屬函數(shù)、 規(guī)則、 設(shè)置解模糊方法及存儲 fis等功能。 用戶可以用命令調(diào)用這些函數(shù)的方式生成和編輯模糊推理系統(tǒng)。工具箱還提供了 gui（圖形用戶界面） 編輯函數(shù)， 利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統(tǒng)。其中 fuzzy（）為模糊邏輯工具箱中用于產(chǎn)生一個(gè)基本 fis 圖形編輯的函數(shù)。寫入函數(shù)fuzzy， 屏幕上會出現(xiàn)帶有輸入、 輸出、 模糊規(guī)則的模塊系統(tǒng)圖。用戶雙擊輸入、 輸出模塊， 可以進(jìn)行隸屬函數(shù)的編輯； 雙擊模糊規(guī)則模塊， 可以寫入多條輸入輸出控制規(guī)則。顯然這種方法更形象、 簡便。構(gòu)造一個(gè)模糊推理系統(tǒng)的步

49、驟如下：(1)建立模糊推理系統(tǒng)對應(yīng)數(shù)據(jù)文件，其后綴為fis，用于對該摸系統(tǒng)進(jìn)行存儲、修改和管理；(2)確定輸入、輸出語言變量及其語言值；(3)確定個(gè)語言值的隸屬度函數(shù)，包括隸屬度函數(shù)的類型與參數(shù)；(4)確定模糊規(guī)則；(5)確定各種模糊運(yùn)算方法；包括模糊推理方法、模糊化方法、反模糊化方法等。4.2.2 simulink 工具箱介紹simulink 是一個(gè)可視化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境，一方面，它是 matlab 的擴(kuò)展，保留了所有 matlab 的函數(shù)和特性；另一方面，它又有可視化仿真和編程的特點(diǎn)。自從 simulink 問世以來，很大一部分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真問題都是在 simulink 環(huán)境下完成的

50、。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁simulink 具有相對獨(dú)立的功能和使用方法。simulink 提供了圖形用戶界面(gui)用于建立模型，模型由模塊組成的框圖來表示，通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊和拖動(dòng)等操作，用戶就可以容易地建立模型。在 gui 中，用戶可以像用鉛筆和白紙繪圖一樣繪出模型。以前的仿真軟件包多數(shù)要求用戶用計(jì)算機(jī)語言或程序明確描述微分和差分方程，simulink 為用戶解決了這個(gè)問題。simulink 提供一個(gè)多種多樣的模塊庫，其中有連續(xù)系統(tǒng)模塊、離散系統(tǒng)模塊、接收模塊、源模塊、線性和非線性系統(tǒng)模塊和連接器等。用戶還可以自己定制和創(chuàng)建自己的模塊。在 simulink 的形象化的接收

51、模塊，如示波器中，用戶可以直觀地看到系統(tǒng)仿真的結(jié)果。matlab 的這些優(yōu)點(diǎn)使它特別適合于控制系統(tǒng)的仿真。4.3 燃料控制系統(tǒng)仿真4.3.1 fuzzy-pi 串級控制系統(tǒng)的仿真為了驗(yàn)證模糊控制的優(yōu)越性，本文進(jìn)行了燃料控制系統(tǒng)的 fuzzypi 串級控制的仿真。在進(jìn)行仿真的過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)分析以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)擬合得到的，即： 爐膛溫度模型：=； 蒸汽壓力模型為：= tws-15s1e300s+10 p1ws-15s3.5e10s蒸汽流量干擾通道模型為：= dws2113600s +235s+1 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁圖 4.1 燃料控制系統(tǒng)仿真圖仿真框圖如圖 41

52、 所示，偏差 e、偏差變化率 c 和輸出量 u 的基本論域分別為：-3.0，+3.0、-0.5，+0.5和-25.0，+25.0。由模糊控制知識可知，模糊控制器的參數(shù)分別為=2, =12， =3.57， 量化因子和輸出比例因子由等級劃分初步確定，ekckuk在系統(tǒng)仿真中根據(jù)具體情況再進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果如圖 4.2 所示。圖 4.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的汽包壓力響應(yīng)(fuzzypi 串級控制)4.3.2 燃料控制系統(tǒng)的性能分析通過仿真曲線的分析，可以得出以下控制系統(tǒng)的性能。1.采用 fuzzy-pi 串級控制，對干擾動(dòng)有較快的響應(yīng)具有較小的超調(diào)量，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較短。使系統(tǒng)增強(qiáng)了抗干擾能力,比單純的 pid 控制有更好的控制效果。2. 量化因子，和比例因子對模糊控制器的特性有很大影響，選得較ekckukek大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量也較大，上升速度加快，過渡過程較長；選得較大時(shí)，超調(diào)量ck減少，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢；的大小影響著模糊控制器的輸出，選擇過小會ukuk使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程變長，過大又會導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩。4.4 送風(fēng)控制系統(tǒng)仿真4.4.1 送風(fēng)控制系統(tǒng)的仿真框圖及結(jié)果 送風(fēng)系統(tǒng)的控制量為送風(fēng)量，被調(diào)量為爐膛溫度，同時(shí)受到燃料的干擾，燃料作為 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁前饋輸入，仿真模型如圖 4.3 所示。圖 4.3 送風(fēng)控制系統(tǒng)仿真圖其中，溫度增