工業(yè)鍋爐過程控制系統(tǒng)仿真研究

1、鍋爐控制的研究現(xiàn)狀工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備，我國是當(dāng)今世界鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家。中國鍋爐制造業(yè)是在新中國成立后建立和發(fā)展起來的。特別是改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，全國有千余家持有各級鍋爐制造許可證的企業(yè)，可以生產(chǎn)各種不同等級的鍋爐。因此采用清潔燃料和潔凈燃燒技術(shù)的高效、節(jié)能、低污染工業(yè)鍋爐將是產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，燃煤工業(yè)鍋爐仍將是我國工業(yè)鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品，且以中大容量單臺蒸發(fā)量10t/h居多。但燃煤鍋爐會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，隨著能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化和節(jié)能環(huán)保要求日益嚴(yán)格天然氣開發(fā)應(yīng)用將進(jìn)入高速發(fā)展時期。小型燃煤工業(yè)鍋爐將退出中心城區(qū)。因此采用清潔燃料和潔凈燃

2、燒技術(shù)的高效、節(jié)能、低污染工業(yè)鍋爐將是產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。控制技術(shù)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，這些都對控制提出了越來越高的要求。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動控制水平的重要指標(biāo)。因此，僅用常規(guī)儀表不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高、存儲量大、編程靈活以及有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，已在過程控制中得到十分廣泛的應(yīng)用。過路作為一種典型的的生產(chǎn)過程，其自動控制水平已隨著過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的的發(fā)展。從目前的趨勢看，在大型企業(yè)中，過程控制計(jì)算機(jī)正成為一種把控制的管理融為一體的

3、綜合自動化系統(tǒng)。他是在自動化技術(shù)，系新技術(shù)和各種工業(yè)聲場技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將整個單位全部生產(chǎn)活動所需的信息和各種分散的自動化系統(tǒng)有機(jī)的集合起來，形成一個能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定和市場需求多變性總體最優(yōu)的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)已成為當(dāng)前控制領(lǐng)域的一個重要研究方向。本課題研究的意義及主要內(nèi)容課題研究的意義鍋爐是化工、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)、大型泵類的驅(qū)動透平的動力源，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，作為全廠動力和熱源的鍋爐，向著大容量、

4、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)備的控制系統(tǒng)就顯得愈加重要。鍋爐是現(xiàn)代工業(yè)中的重要動力設(shè)備，做好鍋爐控制具有極其重要的經(jīng)濟(jì)價值。由于設(shè)備本身及操作管理等方面的原因，國內(nèi)鍋爐的性能指標(biāo)與發(fā)達(dá)國家相比有較大差距，主要表現(xiàn)在燃料消耗高或熱效率低。鍋爐系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的復(fù)雜控制對象，其燃燒過程因多變量、大時滯、強(qiáng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜特性，控制起來相當(dāng)困難。因此，學(xué)習(xí)并掌握工業(yè)鍋爐過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際能力和和仿真應(yīng)用能力，為今后從事過程控制領(lǐng)域工作奠定一定基礎(chǔ)。MATLAB語言是目前國際上流行的一種仿真工具語言。它具有強(qiáng)大的矩陣分析和運(yùn)算功能建模仿真

5、可視化功能。SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一它是基于MATLAB語言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境具有模塊化、可重載、圖形化編程、可視化及可封裝等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。SIMULINK提供了豐富的模型庫供系統(tǒng)仿真使用，另外用戶也可根據(jù)自己的需要開發(fā)所需的模型并通過到裝擴(kuò)充現(xiàn)有的模型庫。本文通過分析鍋爐燃燒過程用MATLAB軟件仿真分析、計(jì)算鍋爐燃燒過程。并通過實(shí)例仿真驗(yàn)證仿真模型的正確性。課題研究的主要內(nèi)容1.主要內(nèi)容針對工業(yè)生產(chǎn)中，鍋爐過程控制的相關(guān)問題，確定控制方案，并建立系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行鍋爐過程控制仿真分析，具體如下：(1)了解工業(yè)鍋爐控制

6、系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、工藝流程；(2)鍋爐控制的主要內(nèi)容：鍋爐汽包水位控制、鍋爐蒸汽溫度控制和鍋爐燃料燃燒過程控制； (3)確定汽包水位控制、蒸汽溫度控制和燃料燃燒過程控制系統(tǒng)的對象特性、控制方案及控制性能；(4)建立仿真模型，分析系統(tǒng)基本性能；(5)進(jìn)行系統(tǒng)的魯棒性分析；(6)根據(jù)仿真分析結(jié)果，給出相應(yīng)結(jié)論。2.關(guān)鍵問題(1)如何建立各子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)仿真模型，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并確定系統(tǒng)性能；(2)如何進(jìn)行控制器選擇及參數(shù)整定；(3)如何以被控對象延時常數(shù)的變化分析系統(tǒng)的魯棒性；3.研究的方法及手段火電廠中鍋爐的主要任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè)備（汽輪機(jī)或蒸汽用戶）的需要，供應(yīng)一定規(guī)格（壓力、溫度和純度）

7、的蒸汽。火電廠中鍋爐的控制主要有三個方面分別為鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)，鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)。(1)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng): 主要是為了給水量和鍋爐蒸發(fā)量相平衡，使鍋爐氣泡水位維持在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。通過電容式液位計(jì)將檢測來的液位信號變送成標(biāo)準(zhǔn)信號，再輸送給控制器，調(diào)節(jié)器在通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥來控制進(jìn)水量，從而達(dá)到自動控制鍋爐水位。(2)鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)：主要是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi)，保持過熱器的管壁溫度不超過允許的工作溫度。采用分?jǐn)嗪瘮?shù)輔助串級PID調(diào)解方式來實(shí)現(xiàn)對鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制。(3)鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng):主要是控制鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定、保證燃料燃

8、燒的經(jīng)濟(jì)性、保證爐膛的微負(fù)壓恒定。以主蒸汽壓力、煙氣氧含量為控制目標(biāo)，以煤量和風(fēng)量為控制量，即以動態(tài)風(fēng)煤比的形式進(jìn)行燃燒過程控制第2章 過程控制及仿真概述過程控制系統(tǒng)概述系統(tǒng)特點(diǎn)過程控制在實(shí)際中有著各種各樣的應(yīng)用，具體的過程控制系統(tǒng)也不盡相同，但概括起來，過程控制系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)。1.系統(tǒng)由過程檢測儀表組成過程控制通過各種檢測儀表、控制器等自動化設(shè)備和技術(shù)工具，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行自動監(jiān)測和自動控制。2.被控過程具有多樣性實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣，因此被控過程具有多樣性。3.控制方案具有多樣性由于被控過程具有多樣性，而且被控過程也各有特點(diǎn)，通常有單變量控制

9、系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)；由計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)，也有現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；有提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)，也有實(shí)現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。4.被控過程多屬慢過程，控制目標(biāo)多為過程參數(shù)從前面可以看出，被控過程具有大慣性、大滯后等特點(diǎn)，所以過程控制的控制過程是一個慢過程。實(shí)際中，通常是對表征其生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位、成分、pH等過程參數(shù)進(jìn)行自動檢測和自動控制。5.給定值控制是主要的控制形式實(shí)際生產(chǎn)過程中，過程控制的主要目的是減少和消除擾動對被控參數(shù)的影響，通常按被控量的給定值進(jìn)行控制，所以給定值控制是主要的控制形式。 系統(tǒng)分類過程看系統(tǒng)的分類方法很多，通常按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和給定值特點(diǎn)來分類，下面分別

10、進(jìn)行介紹。按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類，過程控制系統(tǒng)可以分為反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。1.反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進(jìn)行工作的，最后達(dá)到除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。反饋控制系統(tǒng)通常稱閉環(huán)控制系統(tǒng)，是過程控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)。2.前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)是直接根據(jù)擾動量的大小進(jìn)行工作的，擾動是控制的依據(jù)。不構(gòu)成閉合回路，故也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制由于無法檢查控制的效果，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中很少單獨(dú)應(yīng)用。尤其是在復(fù)雜過程中。3.復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)也就是通常所指的前饋-反饋控制系統(tǒng)，它是反饋控制和前饋控制的結(jié)合，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。前饋控制

11、的主要優(yōu)點(diǎn)是能針對主要擾動迅速及時克服對被控量的影響；反饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是克服其他擾動，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時能準(zhǔn)確地使被控量控制在給定值上，因此構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)可以提高控制質(zhì)量。按系統(tǒng)的給定值的特點(diǎn)進(jìn)行分類，過程控制系統(tǒng)可以分成恒定控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1.恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的被控量溫度、壓力、流量、液位、成分等）的給定值保持在某一恒值（或在某一很小范圍內(nèi)不變）。2.隨動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的被控量的給定值隨時間任意的變化，因此控制的作用是克服擾動，使被控量及時跟蹤給定值變化。3.程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的被控量的給定值是按預(yù)定的時間程序而變化的，控制的目的是使被控量按規(guī)定的程序自動變化。仿真在過程

12、控制中的應(yīng)用過程控制是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)是這一學(xué)科的一個重要環(huán)節(jié)，許多重要的概念和方法必須通過實(shí)驗(yàn)才能更好的掌握。進(jìn)行過程控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以加深對過程控制的理解和認(rèn)識，而且為以后在自動化儀表和過程控制系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，而且還可以通過仿真研究各種控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制算法。過程控制系統(tǒng)的實(shí)施是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要掌握控制理論的精髓，還需要對工業(yè)過程的動態(tài)及穩(wěn)定特性的深刻理解；否則，所設(shè)計(jì)的過程控制系統(tǒng)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場可能就表現(xiàn)很糟，有可能即使是一個最簡單的單回路PID控制，也無從著手，而事實(shí)上或許只需根據(jù)過程特性修改一下控制器的PID參數(shù)，控制系統(tǒng)就能完美的運(yùn)行。因

13、此，學(xué)好過程控制，應(yīng)著于提高分析與解決實(shí)際問題的能力，適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)手段是十分必要的。但過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)投入也是一個龐大的系統(tǒng)工程，不僅需要過程裝置，而且還需要測量變送設(shè)備、控制器和執(zhí)行器、必要的管路、電路和各種輔助設(shè)備（如流體輸送設(shè)備），不僅投入巨大，而且需專人管理維護(hù)。更重要的是，實(shí)驗(yàn)裝置由于受場地、資金等限制，只能迷你化，但過程的動態(tài)特性與裝置的大小密切相關(guān)，也就是實(shí)驗(yàn)裝置的控制與工業(yè)現(xiàn)場裝置的控制，仍有很大不同。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以減少實(shí)驗(yàn)投入，降低實(shí)驗(yàn)成本，而且可以獲得比實(shí)驗(yàn)裝置更好的實(shí)驗(yàn)效果。仿真的必要性在過程控制中，仿真技術(shù)通過模擬被控對象在控制策略作用下的行為，檢驗(yàn)控制

14、的有效性，并對被控對象模型和算法作出評價。從20世紀(jì)40年代開始直至今日，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路已經(jīng)成為過程控制的核心系統(tǒng)，以經(jīng)典的PID控制理論為基礎(chǔ)，主要使用頻域分析方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，PID控制仍然得到廣泛的應(yīng)用，即便是在大量采用DCS、FCS控制的現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)過程中，采用PID的回路仍占總回路的80%90%。因?yàn)镻ID控制算法足以維護(hù)一般過程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，容易為操作人員接受。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%20%的控制問題采用PID控制和串級、比值、前饋等經(jīng)典復(fù)雜控制策略無法奏效，所涉及的被控制過程往往具有強(qiáng)耦合性

15、、不確定性、非線性、信息不完全性和大滯后等特性，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是他們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本等有關(guān)指標(biāo)。合理的過程控制方案可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但是由于工業(yè)工程具有的不確定性，耦合性、非線性等特點(diǎn)和安全上的要求，必須進(jìn)行有效和安全的控制。這一切決定了控制方案不能直接實(shí)施于現(xiàn)場，而是需要在實(shí)施前進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，但是這些實(shí)驗(yàn)在實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行時不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@樣既不安全又不經(jīng)濟(jì)，這就給控制方案的應(yīng)用和發(fā)展帶來諸多不便，如果可以在投入實(shí)際運(yùn)行之前能對控制方案、策略和算法進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，則既可以提高安全性又可以取得更好的控制效果。因此，仿真

16、技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程領(lǐng)域，顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其成效得到了過程工業(yè)界的一致認(rèn)同。過程控制系統(tǒng)仿真就是以過程控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型替代實(shí)際控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析、評估及預(yù)測研究的一種技術(shù)與方法。2.2.2仿真的基本過程過程控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個基本步驟：問題描述、模型建立、仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析，其流程如圖2-1所示。圖2-1過程控制系統(tǒng)仿真流程圖1.建立數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述控制系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，靜態(tài)模型描述的是過程控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動

17、態(tài)模型描述的是過程控制系統(tǒng)變量之間的動態(tài)關(guān)系。最常用、最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程。過程控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立將在本書第五章進(jìn)行詳細(xì)講述。2.建立仿真模型。由于計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法的限制，有些數(shù)學(xué)模型是不能直接用于數(shù)值計(jì)算的，如微分方程，因此原始的數(shù)學(xué)模型必須轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真的仿真模型。例如在進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真時，就需要將微分方程這樣的數(shù)學(xué)模型通過拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)的仿真模型。3.編寫仿真程序。過程控制系統(tǒng)的仿真涉及很多相關(guān)聯(lián)的量，這些量之間的聯(lián)系要通過編制程序來實(shí)現(xiàn)，常用的數(shù)值仿真編程語言有C、Fortran等，MATLAB/Simulink也可以用來編寫仿真程序，而且

18、編寫起來非常迅速、界面友好，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。Simulink可以方便的進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，利用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用Simulink提供的功能就可系統(tǒng)的進(jìn)行方針和分析。4.在完成以上工作后，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)了，通過對仿真結(jié)果的分析來對仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，如此反復(fù)，直至達(dá)到滿意的效果為止。2.3 MATLAB/Simulink在過程仿真中的優(yōu)勢為了滿足用戶對工程仿真的要求，一些軟件公司相繼推出一批數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件，如MATLAB、Xmath、mathematica、maple等。其中MathWorks公司推出的MARLAB由于有強(qiáng)大的功

19、能和友好的用戶界面受到越來越多的科技工作者的青睞，尤其是控制領(lǐng)域的專家和學(xué)者。MATLAB具有友好的工作平臺和編程環(huán)境、簡單易學(xué)的編程語言、強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力、出色的圖形和圖像處理功能、能適應(yīng)多領(lǐng)域應(yīng)用的工具箱、適應(yīng)多種語言的程序接口、模塊化的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級的仿真功能等諸多的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。1990年，MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型化圖形輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB，該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認(rèn)可，使得仿真軟件進(jìn)圖了模型化圖形組合階段。1992年正式將該軟件更名為Simulink。Simulink是MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真

20、的一個軟件包，他讓用戶把精力從編程轉(zhuǎn)向模型的構(gòu)造，為用戶省去了許多重復(fù)的代碼編寫工作、Simulink的每個模塊對用戶而言都是透明的，用戶只需知道模塊的輸入、輸出以及模塊的功能，而不必管模塊內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的，于是留給客戶的事情就是如何利用這些模塊來建立模型以完成自己的仿真任務(wù)。至于Simulink的各個模塊在運(yùn)行時是如何執(zhí)行，時間是如何采樣，事件是如何驅(qū)動等細(xì)節(jié)性問題，用戶可以不去關(guān)心，正是由于Simulink具有這些特點(diǎn)，所以他被廣泛的應(yīng)用在過程控制系統(tǒng)仿真中。近幾年來，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域，Simulink已經(jīng)成為動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的軟件之一，也成為了目前最常用的過程控制系

21、統(tǒng)仿真平臺。在過程控制系統(tǒng)仿真中，具有先天的優(yōu)勢。（1）Simulink可以很方便的創(chuàng)建和維護(hù)一個完整的模塊，評估不同的算法和結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。由于Simulink采用模塊組合方式來建模，因而可以使得用戶能夠快速準(zhǔn)確的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，特別是對復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)，更加方便。而且，對同一個過程特性，Simulink可以方便的進(jìn)行不同控制方案的仿真與評估，通過多種仿真的分析比較，有利于用戶對工程控制理論的理解和掌握。例如，改變純滯后系統(tǒng)控制器的被控變量，可進(jìn)行常規(guī)PID控制、Smith預(yù)估控制兩種完全不同的控制方案的仿真。（2）Simulink模型可以用來模擬線性和非線性、連

22、續(xù)和離散，或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以用來模擬幾乎所有可能遇到的動態(tài)系統(tǒng)。另外，Simulink還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個過程。（3）Simulink沒有單獨(dú)的語言，但是它提供了S函數(shù)貴客。S函數(shù)可以是一個M函數(shù)文件、Fortran程序、C或C+語言程序等，通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被Simulink模型或模塊調(diào)用。S函數(shù)使Simulink更加充實(shí)、完備，具有更強(qiáng)的處理能力。如同MATLAB一樣，Simulink也不是封閉的，他允許用戶可以方便地定制自己的模塊和模塊庫。同時Simulink也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時找到對應(yīng)模塊的說明，便

23、于應(yīng)用?？傊琒imulink就是一種開放性的，用來模擬線性或非線性的、連續(xù)或離散的，或者兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)有力的系統(tǒng)級仿真工具，非常適合用來進(jìn)行過程控制系統(tǒng)仿真。目前，隨著軟件的升級換代。在軟硬件的接口方面有了長足的進(jìn)步，使用Simulink可以很方便地進(jìn)行實(shí)時的信號控制和處理、信息通信以及DSP的處理。世界上許多知名的大公司已經(jīng)使用Simulink作為他們產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的強(qiáng)有力工具。第3章 鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)鍋爐是石油、化工、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽不僅可以作為精餾、蒸發(fā)、干燥、化學(xué)反應(yīng)等過程的熱源，還可以為壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī) 等提供動力源。鍋爐

24、種類很多，按所用燃料分類，有燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐，還 有利用殘?jiān)堄?、釋放氣等為燃料的鍋爐。按所提供蒸汽壓力不同，又可分為常壓鍋爐、 低壓鍋爐、常高鍋爐、超高壓鍋爐等。不同類型的鍋爐的燃料種類和工藝條件各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的工作原理是基本相同的。 圖3-1 鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖3-1給出了常見的蒸汽鍋爐的主要工藝流程圖。其中，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。在鍋爐運(yùn)行過程中，燃料和空氣按一定比例送入爐膛燃燒，產(chǎn)生的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽，然后再經(jīng)過過熱蒸汽，形成滿足一定質(zhì)量指標(biāo)的過熱蒸汽輸出，供給

25、用戶。同時燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，經(jīng)過過熱器將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽后，再經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪排入大氣。 鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，其主要的控制變量有燃料量、鍋爐給水、減溫水流 量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要的被控量有汽包水位、過熱蒸汽溫度、過熱蒸汽壓力、爐膛 負(fù)壓等。這些控制變量與被控變量之間相互關(guān)聯(lián)。例如燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓和煙氣含氧量；給水量變化不僅會影響 汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度都有影響。因此鍋爐設(shè)備是一個多輸入/多輸出 且相互關(guān)

26、聯(lián)的控制對象。 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，提供一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。其主要控制任務(wù)如下。1. 鍋爐供應(yīng)的蒸汽量應(yīng)適應(yīng)負(fù)荷變化的需要。 2.鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)。 3. 過熱蒸汽溫度保持在一定范圍內(nèi)。 4. 汽包中的水位保持在一定范圍內(nèi)。5. 保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行。 6.爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。 為了實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)任務(wù)，將鍋爐設(shè)備控制劃分為如下幾個主要控制系統(tǒng)： 1.鍋爐汽包水位的控制。被控變量是汽包水位，

27、控制變量是給水流量。它主要是保持汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。這是保證鍋爐、汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)志之一。2. 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制。被控變量有三個，即蒸汽壓力(或負(fù)荷)、煙氣含氧量(經(jīng)濟(jì)燃燒指標(biāo))和爐膛負(fù)壓?？刂谱兞恳灿腥齻€，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。這三個被控變量和三個控制變量相互關(guān)聯(lián)。組成的燃燒控制系統(tǒng)方案，需要滿足燃料燃燒時所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行；使引風(fēng)量和送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)。 3. 過熱蒸

28、汽系統(tǒng)的控制。被控變量是過熱蒸汽，控制變量是減溫器的噴水量?？刂频哪康氖鞘惯^熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。下面分別討論這三個控制系統(tǒng)的典型控制方案鍋爐汽包水位控制汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。因?yàn)樗贿^高，會影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸氣將帶水過多，使過熱器管壁結(jié)垢并損壞，同時使過熱蒸汽的溫度急劇下降。如果該帶液蒸汽被用戶用來帶汽輪機(jī)，將會損壞汽輪機(jī)葉片。水位過低，由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷很大時，水的汽化速度加快，若不及時加以控制，將使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此必須對鍋爐汽包水

29、位進(jìn)行嚴(yán)格控制。3.1.1. 汽包水位動態(tài)特性1.蒸汽流量對汽包水位的影響在其他條件不變的情況下，蒸汽用量突然增加，瞬時間必然會導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，氣泡體積增大，使汽包水位升高(水量實(shí)際上在減少)。這種由于壓力下降而非水量增加導(dǎo)致汽包水位上升的現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象。圖3-1給出了在蒸汽流量擾動作用下，汽包水位的階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)蒸汽流量D突然增加D時，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量大于給水量，水位應(yīng)下降，如圖中曲線H1。實(shí)際上，由于蒸汽流量的增加，瞬時間必然導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，由于氣泡容積增加而使水位變化的曲

30、線如圖中H2。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線H應(yīng)為H1和H2的疊加，即H= H1+ H2。從圖中可看出，當(dāng)蒸汽用量增加時，在開始階段水位不會下降反而先上升，然后再下降，這各現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。蒸汽擾動時，水位變化的動態(tài)特性用傳遞函數(shù)表示為T2為響應(yīng)曲線H2 的時間常數(shù)。虛假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。一般蒸發(fā)量為100230t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化10%時，假水位可達(dá)3040mm。對于這種假水位現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)控制方案時，必須加以注意。圖3-1蒸汽流量階躍干擾下汽包水位響應(yīng)曲線2. 給水流量對汽包水位的影響圖3-1給出了給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。如果把汽包和給水看作

31、單容無自衡對象，水位階躍響應(yīng)曲線如圖中的H1所示。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，進(jìn)入汽包后會從飽和水中吸收一部分熱量，所以當(dāng)給水流量增加后，汽包中氣泡總體積減小，導(dǎo)致水位下降。汽包中氣泡總體積減小導(dǎo)致水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖中的H2所示。當(dāng)給水流量增加時，汽包水位的實(shí)際響應(yīng)曲線如圖中H所示，即當(dāng)給水流量作階躍變化后，汽包水位一開始并不立即增加，而是要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)描述時，它近似為一個慣性環(huán)節(jié)和和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為式中，0為給水流量變化單位流量時水位的變化速度；t為純滯后時間。給水溫度越低，滯后時間t越大，一般t在15100s 之間。如果采用省煤器，由于省煤器

32、本身的延遲，會使t增加到100200s之間。圖3-2流量階躍擾動作用下的汽包水位響應(yīng)曲線 汽包水位的控制方案考慮到鍋爐汽包存在虛假水位現(xiàn)象，一種可行的控制方案是以汽包水位為主被控參數(shù)，給水流量為副被控參數(shù)、蒸汽流量為前饋信號的三沖量前饋-反饋串級控制系統(tǒng)。采用這種控制方案的理由分析如下：1.單沖量水位控制方案 以汽包水位為被控參數(shù)、給水流量為控制參數(shù)構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)成為單沖量控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)方便，缺點(diǎn)是克服給水自發(fā)性干擾和負(fù)荷干擾的能力差。尤其是當(dāng)大中型鍋爐存在負(fù)荷干擾時，嚴(yán)重的虛假水位將導(dǎo)致導(dǎo)致給水調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生誤動作，使汽包水位產(chǎn)生激烈波動，從而影響設(shè)備壽命和安全。所以，單

33、沖量的控制方案不宜采用。2.雙沖量水位控制方案 在汽包水位的控制中，最主要的干擾是蒸汽負(fù)荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量的變化來校正虛假水位的誤動作，就能使調(diào)節(jié)閥動作準(zhǔn)確及時，減少水位的波動，改善控制質(zhì)量。也就是說，若將蒸汽流量作為前饋信號，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。顯而易見，該控制方案與單沖量水位控制相比，控制質(zhì)量已有明顯改善，但它對于給水系統(tǒng)的干擾扔不能有效克服，需要再引入給水流量信號構(gòu)成三沖量串級控制系統(tǒng)。3.三沖量串級控制方案 該控制系統(tǒng)由主、副兩個調(diào)節(jié)器和三個沖量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。其中，主調(diào)節(jié)器為水位調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器為給水流量調(diào)節(jié)器，蒸汽流量為前饋信號。準(zhǔn)確地說，該系統(tǒng)應(yīng)

34、成為三沖量前饋-反饋串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)負(fù)荷（即蒸汽流量）變化時，它早于水位偏差進(jìn)行前饋控制，能及時的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的給水流量，以跟蹤蒸汽流量的變化，維持進(jìn)出汽包的物料平衡，從而有效地克服虛假水位的影響，抑制水位的動態(tài)偏差；當(dāng)蒸汽流量不變時，由給水流量為副被控量構(gòu)成的副回路，可及時消除給水流量的自身干擾（主要由給水壓力的波動引起）。汽包水位是主被控量，主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。動態(tài)過程中，它根據(jù)水位偏差調(diào)節(jié)給水流量的設(shè)定值；穩(wěn)態(tài)時，它可使汽包水位等于設(shè)定值。由此可見，三沖量前饋-反饋串級控制系統(tǒng)在克服虛假水位的影響、維持水位穩(wěn)定、提高給水控制質(zhì)量等多方面都優(yōu)于前述兩種控制系統(tǒng)，是現(xiàn)

35、場廣泛采用的汽包水位控制方案。鍋爐蒸汽溫度控制 控制要求與過程特性由工藝可知，過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過度的熱膨脹，嚴(yán)重影響運(yùn)行的安全；過熱蒸汽溫度過低，則使汽輪機(jī)的效率降低，同時也使通過汽輪機(jī)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。因此，過熱蒸汽溫度是影響安全和經(jīng)濟(jì)的重要參數(shù)。一般要求把持在±5的范圍內(nèi)。例如，30萬KW的機(jī)組鍋爐過熱蒸汽溫度為（565±5）。過熱蒸汽的溫度控制系統(tǒng)一般包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器等。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制任務(wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并且使過熱器的管壁溫度不超過允許的工作范圍。影響過熱蒸汽溫度的外

36、界因素很多，例如蒸汽流量、減溫水量、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度和流速等的變化都會影響過熱蒸汽的溫度。 控制方案的確定由于蒸汽流量的變化是負(fù)荷干擾，因而不能作為控制變量；若采用煙氣側(cè)干擾作為控制變量；則會使鍋爐的結(jié)果復(fù)雜，給設(shè)計(jì)制造帶來困難，也不宜作為控制變量；為了保護(hù)過熱器，保證機(jī)組安全運(yùn)行，在鍋爐設(shè)計(jì)時，已經(jīng)設(shè)置了噴水減溫裝置，若采用減溫水流量作為控制變量則既簡單又易行。但存在的問題是：1.減溫水流量與溫度過控蒸汽溫度之間存在較大的時延和慣性；2.在工藝上，鍋爐給水與減溫水常常合用一根總管，這樣會導(dǎo)致減溫水自身波動頻繁。針對上述存在的問題，如果設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)則無法滿足生產(chǎn)工藝要求。為此，需要設(shè)計(jì)

37、較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。一種可行的控制方案是設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)是將減溫器后的汽溫信號T2作為副被控參數(shù)構(gòu)成副回路，當(dāng)減溫水自身出現(xiàn)波動時，T2比主汽溫T1能提前感受到它的影響，并使副調(diào)節(jié)器及時動作，使減溫水的干擾能夠及時得以克服。當(dāng)主汽溫因受其他干擾（如煙道氣）而偏離給定值時，住汽溫信號T1經(jīng)測量，變送反饋至主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器發(fā)出控制指令改變副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器隨之動作，控制調(diào)節(jié)閥，從而使主汽溫控制在允許的范圍之內(nèi)，使控制質(zhì)量得到保證。為進(jìn)一步提高控制質(zhì)量，還可以考慮將負(fù)荷干擾做為前饋信號，構(gòu)成前饋-反饋串級控制系統(tǒng)。鍋爐燃燒過程控制燃燒蒸汽鍋爐的燃燒過程主要由三

38、個子系統(tǒng)構(gòu)成：蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。如圖3-3過程控制系統(tǒng)示意圖，圖3-4為方框圖。圖3-3燃燒過程控制系統(tǒng)示意圖圖3-4燃燒過程控制框圖3.3.1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(shí)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(jìn)行的首要條件。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(yīng)的燃料量以及適當(dāng)比例的助燃

39、空氣實(shí)現(xiàn)的。因此，各個控制環(huán)節(jié)的關(guān)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(yīng)量根據(jù)空氣量與燃料量的比值確定?？刂屏咳鐖D3-4所示。圖3-5為燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。圖3-6為燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)框圖。圖3-4控制量示意圖圖3-5蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)框圖圖3-6燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)框圖3.3.2爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)所謂爐膛負(fù)壓：即指爐膛頂部的煙氣壓力。爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運(yùn)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(fù)壓隨即發(fā)生

40、相應(yīng)變化。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時，最先將在爐膛負(fù)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(fù)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(yùn)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(fēng)方式，使?fàn)t內(nèi)煙氣壓力低于外界大氣壓力，即爐內(nèi)煙氣負(fù)壓，爐膛內(nèi)煙氣壓力最高的部位是爐堂頂部。當(dāng)爐負(fù)壓過大時，漏風(fēng)量增大，吸風(fēng)機(jī)電耗，不完全燃燒損失、排煙熱損失均增大。甚至使燃燒不穩(wěn)定甚至滅火爐負(fù)壓小甚至變?yōu)檎龎?，火焰及飛灰將爐膛不嚴(yán)處冒出，惡化工作燃燒造成危及人身及設(shè)備安全。故應(yīng)保持爐膛負(fù)壓在正常范圍內(nèi)。 保證爐膛負(fù)壓的措施是引風(fēng)量

41、和送風(fēng)量的平衡。如果負(fù)壓波動不大，調(diào)節(jié)引風(fēng)量即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓控制；當(dāng)蒸汽壓力波動較大時，燃料用量和送風(fēng)量波動也會很大，此時，經(jīng)常采用的控制方法為動態(tài)前饋-反饋控制。前饋控制的基本概念是測取進(jìn)入控制過程的干擾信號，在爐膛負(fù)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(fēng)量的波動會較大，所以通過測取引風(fēng)量，就可以的到干擾信號，利用反應(yīng)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(yùn)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(yùn)用反饋控制消除其余的擾動對負(fù)壓的影響。前饋控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：1.屬于開環(huán)控制 只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，

42、則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。但若系統(tǒng)中有一個環(huán)節(jié)不穩(wěn)定，或局部不穩(wěn)定，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。另外，系統(tǒng)的控制精度取決于構(gòu)成控制系統(tǒng)的每一部分的精度，所以對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較高。2.很強(qiáng)的補(bǔ)償局限性 前饋控制實(shí)際是利用同一干擾源經(jīng)過干擾通道和前饋通道對系統(tǒng)的作用的疊加來消除干擾的影響。因此，固定的前饋控制只對相應(yīng)的干擾源起作用，而對其他干擾沒有影響。而且，在工程實(shí)際中，影響生產(chǎn)過程的原因多種多樣，系統(tǒng)隨時間、工作狀態(tài)、環(huán)境等情況的變化，也會發(fā)生變化甚至表現(xiàn)出非線性，這些都導(dǎo)致不可能精確確定某一干擾對系統(tǒng)影響的程度或數(shù)學(xué)描述關(guān)系式。因此，前饋控制即使對單一干擾也難以完全補(bǔ)償。3.前饋控制反應(yīng)迅速 在前饋控制系統(tǒng)

43、中，信息流只向前運(yùn)行，沒有反饋問題，因此相應(yīng)提高了系統(tǒng)反應(yīng)的速度。當(dāng)擾動發(fā)生后，前饋控制器及時動作，對抑制被控制量由于擾動引起的動靜態(tài)偏差比較有效。這非常有利于大遲滯系統(tǒng)的控制。4.只能用于可測的干擾 對不可測干擾，由于無法構(gòu)造前饋控制器而不能使用。 該方案中以負(fù)壓為控制目標(biāo)，用引風(fēng)量做成控制閉環(huán)，利用前饋控制消除送風(fēng)量變動對負(fù)壓的影響。圖3-7爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖圖3-8爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖第4章 鍋爐燃燒過程系統(tǒng)穩(wěn)定性分析1.建立燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型燃料流量被控對象： 燃料流量至蒸汽壓力關(guān)系約為：蒸汽壓力至燃料流量關(guān)系約為：蒸汽壓力檢測變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：燃料

44、流量檢測變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：燃料流量與控制流量比值：空氣流量被控對象：2.建立爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：送風(fēng)量對負(fù)壓的干擾：進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析燃料控制系統(tǒng)作出伯德圖，如果相角裕度Pm>0°或幅值裕度Gm>1，表示系統(tǒng)穩(wěn)定。燃料流量被控對象為：經(jīng)軟件仿真結(jié)果如圖4-1所示，由圖可知，無調(diào)節(jié)器時，燃料控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定，幅值穩(wěn)定裕量為11.4dB,相位穩(wěn)定裕量為97.1°，對應(yīng)增益為3.7283。圖4-1燃料被控對象Bode圖空氣流量控制系統(tǒng)空氣流量被控對象為：經(jīng)軟件仿真結(jié)果如圖4-2所示，由圖可知，無調(diào)節(jié)器時，空氣流量控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定，幅值穩(wěn)定裕量為9

45、.81dB,相位穩(wěn)定裕量為80°，對應(yīng)增益為3.0956。圖4-2空氣流量被控對象Bode圖負(fù)壓控制系統(tǒng)引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：經(jīng)軟件仿真結(jié)果如圖4-3所示，由圖可知，無調(diào)節(jié)器時，負(fù)壓控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定，幅值穩(wěn)定裕量為1.32dB,相位穩(wěn)定裕量為14.3°，對應(yīng)增益為1.16。圖4-3引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系Bode圖第5章 鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)仿真燃料控制系統(tǒng)參數(shù)整定為使系統(tǒng)無靜差，燃燒流量調(diào)節(jié)器采用PI形式，即：其中，參數(shù)Kp和Ki采用穩(wěn)定邊界法整定。先讓Ki=0，調(diào)整Kp使系統(tǒng)等幅振蕩，即系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖如圖5-1所示，其振蕩響應(yīng)如圖5-2所示。圖5-1系統(tǒng)臨界

46、振蕩仿真框圖圖5-2系統(tǒng)臨界振蕩響應(yīng)在Kp=1.73，Ki=0.18的基礎(chǔ)上，對PI參數(shù)進(jìn)一步整定，燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖如下圖5-3所示。調(diào)節(jié)Kp=1.1，Ki=0.1，系統(tǒng)響應(yīng)如圖5-4所示，可見系統(tǒng)有約10%的超調(diào)量。圖5-3燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖圖5-4燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)蒸汽壓力控制參數(shù)整定在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎(chǔ)上，采用試誤法整定壓力控制系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖5-5所示。當(dāng)Ki=0，Kp=1時(此時相當(dāng)于無調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡單)，仿真結(jié)果如圖5-6所示，上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為節(jié)約輸入。圖5-5蒸汽壓力控

47、制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖5-6蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真結(jié)果由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。此時系統(tǒng)調(diào)節(jié)器最簡單，工程上系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定程度都較好。5.1.3空氣流量控制系統(tǒng)空氣流量控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似，當(dāng)Ki=0.05和Kp=0.08時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖5-7所示，下圖為階躍響應(yīng)，可見系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。圖5-7整定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)負(fù)壓控制系統(tǒng)參數(shù)整定負(fù)壓控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似。當(dāng)Ki=0.05和Kp=0.03時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖5-8所示，上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入?？梢娤到y(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%

48、。圖5-8整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)5.1.5負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)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(fù)壓控制系統(tǒng)達(dá)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(xì)的論述與應(yīng)用過了，在此就前饋控制做一下討論。Gf(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；G(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：由上式可知，消除可測干擾M的影響，可令M的系數(shù)為0，即可得到 因此，可以得到負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償函數(shù)為：從仿真效果可以看出，前饋控制發(fā)揮了很好的作用。采用動態(tài)前饋整定，其前饋補(bǔ)償函

49、數(shù)為：5.2 控制系統(tǒng)Simulink仿真仿真模型一個典型的Simulink仿真模型由一下三種類型的模塊組成。1.信號源模塊 信號源為系統(tǒng)的輸入，他包括常數(shù)信號源、函數(shù)信號發(fā)生器（如正弦波和階躍函數(shù)等）和用戶自己再M(fèi)ATLAB中創(chuàng)建的自定義信號。2.被模擬的系統(tǒng)模塊系統(tǒng)模塊作為仿真的中心模塊，他是Simulink仿真建模所要解決的主要問題。3.輸出顯示模塊系統(tǒng)的輸出由顯示模塊接收。輸出顯示的形式包括圖形顯示、示波器顯示和輸出到文件或MATLAB工作空間中三種，輸出模塊主要在Sinks庫中。構(gòu)成Simulink仿真模型的三種模塊的關(guān)聯(lián)圖如圖5-12所示。圖5-9 Simulink仿真模型的結(jié)構(gòu)關(guān)

50、聯(lián)圖Simulink仿真模型的基本特點(diǎn)可歸納如下：Simulink里提供了許多如SCOPE(示波器)的接收模塊，這使得用Simulink進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果。Simulink的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。Simulink提供了對子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對話框。根據(jù)以上特點(diǎn)，做出鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真框圖如下圖5-13：圖5-10燃燒控制系統(tǒng)仿真框圖仿真特性分析搭建完整的系統(tǒng)Simulink仿真框圖，在仿真框圖中，仿真結(jié)果如圖5-14所示：負(fù)壓變化波形負(fù)壓設(shè)定值波形實(shí)際蒸汽變動波形蒸汽壓力設(shè)定值波形空氣流量波形圖5-11燃

51、燒爐控制系統(tǒng)仿真結(jié)果根據(jù)以上的仿真結(jié)果可以看出，在沒有任何干擾的情況下，系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并且穩(wěn)定程度也很好。第6章 鍋爐燃燒系統(tǒng)魯棒性和抗干擾性分析魯棒性概述魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個專門術(shù)語，20世紀(jì)70年代初開始在控制理理論的研究中流行起來，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)攝動的不敏感性。在實(shí)際問題中，系統(tǒng)特性或參數(shù)的攝動常常是不可避免的。產(chǎn)生攝動的原因主要有兩個方面，一個是由于量測的不精確使特性或參數(shù)的實(shí)際值會偏離它的設(shè)計(jì)值（標(biāo)稱值），另一個是系統(tǒng)運(yùn)行過程中受環(huán)境因素的影響而引起特性或參數(shù)的緩慢漂移。因此，魯棒性已成為控制理論中的一個重要的研究課題，也是一切類型的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所必須考慮的一

52、個基本問題。對魯棒性的研究主要限于線性定?？刂葡到y(tǒng)，所涉及的領(lǐng)域包括穩(wěn)定性、無靜差性、適應(yīng)控制等。魯棒性問題與控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性（頻率域內(nèi)表征控制系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量的一種性能指標(biāo)）和不變性原理（自動控制理論中研究扼制和消除擾動對控制系統(tǒng)影響的理論）有著密切的聯(lián)系，內(nèi)膜原理（把外部作用信號的動力學(xué)模型植入控制器來構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)原理）的建立則對魯棒性問題的研究起了重要的推動作用。當(dāng)系統(tǒng)中存在模型攝動或隨機(jī)干擾等不確定性因素時能保持其滿意功能品質(zhì)的控制理論和方法稱為魯棒控制。早期的魯棒控制主要研究單劻路系統(tǒng)頻率特性的某些特征，或基于小攝動分析上的靈敏度問題?，F(xiàn)代魯棒控制則著重研究控制

53、系統(tǒng)中非微有界攝動下的分析與設(shè)計(jì)的理論和方法?？刂葡到y(tǒng)的一個魯棒性是指控制系統(tǒng)在某種類型的擾動作用下，包括自身模型的擾動下，系統(tǒng)某個性能指標(biāo)保持不變的能力。對于實(shí)際工程系統(tǒng)，人們最關(guān)心的問題是一個控制系統(tǒng)當(dāng)其模型參數(shù)發(fā)生大幅度變化或其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時能否仍保持漸近穩(wěn)定，這叫穩(wěn)定魯棒性。進(jìn)而還要求在模型擾動下系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)仍然保持在某個許可范圍內(nèi)，這稱為品質(zhì)魯棒性。魯棒性理論目前正致力于研究多變量系統(tǒng)具有穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性的各種條件。它的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，將是控制系統(tǒng)最終能否成功應(yīng)用于實(shí)踐的關(guān)鍵。魯棒性分析考慮到圖5-13中燃料控制中延時常數(shù)變化±10%時系統(tǒng)的魯棒性，其他參數(shù)變化分

54、析方法與此類似。系統(tǒng)仿真框圖及仿真結(jié)果如圖所示。其中6-1位系統(tǒng)仿真框圖，圖6-2為延時選擇模塊，圖6-3為延時選擇模塊的展開圖。改變圖6-1中“Constant2”的值（再次可選擇11個值，對應(yīng)11個不同延時常數(shù)）經(jīng)運(yùn)行后在工作空間繪圖即可得到如圖6-4所示的仿真結(jié)果。圖6-1仿真框圖圖6-2延時選擇模塊圖6-3延時模塊展開負(fù)壓波形實(shí)際蒸汽壓力波形空氣流量波形圖6-4仿真結(jié)果根據(jù)圖6-4仿真結(jié)果，可見隨著延時常數(shù)變化，系統(tǒng)輸出沒有明顯變化，沒有改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，說明系統(tǒng)在延時常數(shù)變化時仍能正常工作，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)。抗干擾性概述1.抗干擾的定義是：結(jié)合電路的特點(diǎn)使干擾減少到最小。2.

55、所謂抗干擾：是指設(shè)備能夠防止經(jīng)過天線輸入端，設(shè)備的外殼以及沿電源線作用于設(shè)備的電磁干擾。形成干擾的基本因素在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個： (1)干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。如：雷電、繼電器、可控硅、電子、高頻時鐘等可能成為干擾源。(2) 傳播途徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播途徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。(3) 敏感器件。指容易被干擾的對象。抗干擾的方法一般分為以下三種：(1)硬件措施。效率高，但會增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備的負(fù)擔(dān)。(2)軟件措施。以軟件的開銷為代價，會影響到系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時性。(3)軟硬結(jié)合。最佳方式。隨著發(fā)電廠等工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到發(fā)電企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型控制設(shè)備，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各電機(jī)設(shè)備上，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中