基于模糊控制算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究

1、基于模糊控制算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究摘 要模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為數學基礎的新型計算機控制方法。由于它不依賴于被控對象的精確數學模型，而是模擬人的思維方式來實施控制，因而對于鍋爐燃燒的控制就具有了傳統(tǒng)PID控制所無法比擬的自適應能力。本文以2臺50t/h燃煤鍋爐的燃燒控制為課題，以改進原有PID控制為目的，以當前發(fā)展比較迅速的模糊控制理論為手段，提出了采用8051單片機控制變頻器改變給煤機、引風機和送風機轉速的設計方案，實現(xiàn)了燃燒過程的計算機控制。系統(tǒng)對鍋爐燃燒進行監(jiān)控，通過傳感器采樣信號，計算是否達到最佳含氧量、最佳風煤比，來控制給煤量、引風量和送風量，

2、使燃燒達到最佳熱效率和提高鍋爐運行的經濟效益。用MATLAB對應用模糊自整定PID控制器的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)模型進行仿真研究。針對鍋爐這種具有非線性、參數不穩(wěn)定、難以建立精確數學模型的控制對象，采用傳統(tǒng)的PID控制，效果不佳。結合模糊控制理論和PID控制，本文提出用模糊自整定控制器實現(xiàn)對鍋爐的控制。并利用MATLAB仿真工具對模糊自整定PID控制器的性能作了初步研究。仿真結果表明，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，具有超調量小、過渡時間短、穩(wěn)定性好、適應性強等特點，能夠達到預期的控制效果。 關鍵詞：鍋爐；模糊自整定控制；單片機；系統(tǒng)仿真Research On The Boiler Burning Cont

3、rol System Based On Fuzzy Control AlgorithmAbstractFuzzy control is a fuzzy set theory，fuzzy linguistic variables and fuzzy logic mathematical basis of the new computer-controlled method. Because it does not rely on accurate mathematical model of the controlled object，but simulate human thinking to

4、implement a control，thus for boiler combustion control is having the adaptability of traditional PID control cant match.In this paper， two 50t/h coal-fired boilers burning control system was studied as its thesis， the primary PID controller was improved as its purpose， and fuzzy control theory devel

5、oped rapidly at Present was applied as its means. The design scheme is that controlling transducers change rotate speed of supplying coal electromotor，fan，and blower using 8051 micro-controller. It realized computer control of burning process. This system finished supervisory control of boiler burni

6、ng， sampled signals through sensor and calculated the signals whether reached the best content of oxygen and the best wind-coal ratio. Using it controls the quantity of coal， entering wind and sending wing for reaching the best thermal efficiency of burning and improving economy benefit of boiler ru

7、nning. Simulation of boiler burning control system was also performed to study the controllers self-adaptive fuzzy control by MATLAB.Aiming at the nonlinear object of boiler with instability parameter and difficult building math model，using traditional PID controller cant reach the best effect. Comb

8、ining fuzzy control theory and PID control， an adaptive controller to control boiler is proposed in this paper. And the capability of the self-adaptive fuzzy controller was studied using MATLAB simulation. Simulation result shows Fuzzy-PID is better than PID controller. Fuzzy-PID has many characteri

9、stics，such as small exceeded value，short transition，better stability and strong adaptability etc，and can reach anticipative control effect.Keywords：boiler；self-adaptive fuzzy controller；SCM；simulation目 錄摘 要IAbstractII第 1 章 緒 論11.1引言11.2國內外研究現(xiàn)狀21.3研究對象及設計內容2第2章 鏈條燃煤鍋爐的控制42.1 鏈條燃煤鍋爐系統(tǒng)的簡介42.1.1 燃煤鏈條鍋爐的

10、結構42.1.2 鍋爐工作過程52.1.3 鍋爐的主要控制系統(tǒng)62.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)的動態(tài)特性62.2.1 燃料傳送過程62.2.2 燃料燃燒過程72.2.3 蒸汽形成過程72.3 鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求72.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖92.4.1 給煤調節(jié)系統(tǒng)的設計92.4.2 送風調節(jié)系統(tǒng)的設計112.4.3 引風調節(jié)系統(tǒng)的設計132.4.4 爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng)132.5 計算機控制系統(tǒng)142.5.1 計算機控制系統(tǒng)一般概念142.5.2 計算機控制系統(tǒng)設計原理14第3章 控制算法163.1 引言163.2 PID控制163.3 模糊控制183.3.1 模糊控制器183.3.2 模糊控制系統(tǒng)原

11、理框圖193.4 模糊PID復合控制203.4.1 PID參數模糊自整定控制原理203.4.2 PID參數Fuzzy整定模型203.4.3 模糊自整定PID控制器233.5 簡化的模糊PID控制243.5.1 二維模糊控制243.5.2 三維模糊控制253.6 鏈條鍋爐燃燒控制方案26第4章 系統(tǒng)硬件設計294.1 硬件結構294.2 系統(tǒng)功能304.3 硬件配置31第5章 軟件設計355.1 軟件設計原則355.2 軟件實現(xiàn)功能355.3 主程序流程圖365.4 鍋爐點火子程序375.5 A/D采樣子程序流程圖385.6控制算法子程序流程圖39第6章 系統(tǒng)仿真406.1 仿真工具介紹406.

12、2 供暖鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真40第7章 結論437.1 設計完成的主要工作437.2 尚待完善的工作43參考文獻44謝 辭4647第 1 章 緒 論1.1 引言隨著城市建設的迅速發(fā)展，北方地區(qū)冬季供熱面積的不斷擴大，如何科學有效的控制和管理供熱系統(tǒng)，提高供熱的經濟效益和社會效益，成為當前急需解決的重要課題。在供熱系統(tǒng)中，鍋爐房供熱所占比例很大。據不完全統(tǒng)計，采暖地區(qū)采暖能耗已達1.27億噸標準煤，占全國總能耗的10.7%，造成如此大的能耗主要是由于大部分鍋爐自動化程度不高，運行效率低，浪費能源嚴重。為此，國內專家對鍋爐本體燃燒的自動控制作了很多研究，本篇論文以鍋爐系統(tǒng)的改造為背景，利用近幾年來

13、工業(yè)控制領域中比較先進的模糊控制技術，來改善原有鍋爐系統(tǒng)的控制方式，使鍋爐燃燒系統(tǒng)得到最佳控制1。鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個復雜的多輸入多輸出對象，而且各變量之間存在著關聯(lián)（見圖1.1）。爐膛負壓主要受引風和送風的影響，而其它各量對它的影響很小；V-O%通道是保證鍋爐燃燒經濟性的做法，即通過送風氧量通道使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近，通過對含氧量的調節(jié)達到對送風系統(tǒng)的調節(jié)。燃燒調節(jié)主要分為三個回路：燃燒量(給煤量)調節(jié)，送風量(最佳燃燒)調節(jié)，引風量(保證爐膛負壓)調節(jié)1。鑒于給水調節(jié)不是本篇研究的問題，在此不作過多介紹2。燃燒量M壓力P送風量V煙氣氧量O2%引風量S爐膛溫度PS圖1.1燃燒系統(tǒng)輸入輸出關系

14、1.2 國內外研究現(xiàn)狀 據資料顯示，在同樣條件下，我國單位面積采暖能耗量是發(fā)達國家的34倍；1t蒸汽一般只能供40006000m2的采暖面積，僅相當于北歐國家不到一半的采暖面積，差距很大。形成這種現(xiàn)象的因素是多方面的，其中鍋爐燃燒控制方法的落后是造成差距的原因之一。雖然，國內許多專家學者發(fā)表了許多關于鍋爐控制的先進方法(大多都引入了模糊控制技術)，但在實際應用中模糊控制技術并沒有得到推廣，大多數鍋爐仍舊沿用傳統(tǒng)的PID控制方法3。目前，國內的鍋爐燃燒控制仍然大多采用常規(guī)PID控制器，或者為了改善控制效果，加一些前饋控制。控制方法遠遠落后于國外的控制技術，尤其是北歐國家和德國。據國外報道：在10

15、t/h煤粉鍋爐上應用自校正技術和在SIG20型鏈條爐上使用Fuzzy控制已取得了節(jié)約燃料的良好效果。E.H.Mamdani首先應用Fuzzy控制方法來控制用于試驗的鍋爐和汽輪機，在燃油鍋爐上應用最優(yōu)控制，自適應控制等現(xiàn)代控制技術的例子也有多次報道。人工智能技術已在過程領域中得到廣泛應用。專家系統(tǒng)PID自整定調節(jié)器EXACT就是其中的一例。在工業(yè)鍋爐上應用EXACT取得了很好的效果。美國德克薩斯州的某化工廠工業(yè)鍋爐及所有蒸汽回路都采用了EXACT，蒸汽消費量減少了15%。綜上，在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中采用先進的控制理論和計算機控制，對節(jié)約能源，保護環(huán)境有重大意義，具有廣闊的前景。1.3 研究對象及設

16、計內容鍋爐燃燒過程是個具有大慣性、純滯后、變參數的多輸入多輸出復雜過程。傳統(tǒng)的鍋爐燃燒控制多采用PID控制器，但PID是無法為具有大慣性、純滯后和變參數的過程提供高質量的控制。解決這些問題的方法是采用比PID更為有效的控制技術。采用模糊控制技術完成對燃燒系統(tǒng)的控制，就能達到較好的控制效果，能夠彌補PID控制的不足，有較強的適應性。這為鏈條爐的燃燒控制開辟了新的途徑。模糊控制同傳統(tǒng)控制的不同在于，它不依賴于被控對象的數學模型，而是在總結經驗操作的基礎上實現(xiàn)自動控制的一種手段，它根據人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。其組成核心是具有智能性的模糊控制器，這是它與一般PID在原理

17、和方法上完全不同之處。模糊控制與控制理論有機地結合起來，可構造成FuzzyPID復合型控制系統(tǒng)，既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。因此模糊控制并不是代替，而只是拓展了傳統(tǒng)的控制。模糊自整定PID參數控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現(xiàn)PID參數KP、KI和KD的在線自整定，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、適應性，控制也更精確7。首先詳細了解鏈條鍋爐的結構與運行特點，著重對鍋爐燃燒控制過程進行研究。改變傳統(tǒng)PID控制方法，采用PID控制器與模糊控制相結合的

18、手段對燃燒過程進行控制；對鍋爐控制系統(tǒng)中的其它自動控制系統(tǒng)簡略予以描述，并給出燃燒控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)的接口；對鍋爐燃燒的FuzzyPID控制算法進行SIMULINK仿真研究，仿真結果表明，此控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)控制，并且方案是行之有效的3。給煤系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、引風系統(tǒng)是鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，以MCS51系列單片機作為主控設備，通過傳感器采集爐膛溫度、壓力、含氧量和爐膛負壓來調節(jié)鍋爐的給煤量、送風量和引風量從而達到最佳熱效率。同時采用MCS51單片機控制變頻器交流調速來控制給煤電動機、爐排電動機、鼓風機和引風機的轉速，使它們協(xié)調運作，達到快速反應、準確協(xié)調的控制效果。MCS51系列單片機可

19、擴展外部接口，與其它自動控制系統(tǒng)(汽包水位、過熱蒸汽氣溫調節(jié)系統(tǒng))相連結，實現(xiàn)鍋爐整體的監(jiān)控，有效提高了系統(tǒng)的快速響應性，達到穩(wěn)態(tài)控制的要求。第2章 鏈條燃煤鍋爐的控制2.1 鏈條燃煤鍋爐系統(tǒng)的簡介2.1.1 燃煤鏈條鍋爐的結構燃煤鏈條鍋爐的各部分結構如圖2.1。圖2.1 燃煤鏈條鍋爐結構簡圖鍋爐結構主要由以下幾部分組成：1. 汽鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。2. 爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設備。3. 過熱器：是將鍋爐所產生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。4. 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。5. 空氣預熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加

20、熱燃料燃燒所需要的空氣的換熱器。通常，大、中型鍋爐中均設有空氣預熱器。為保證正常工作，鍋爐還必須有一些輔助設備，包括以下幾個部分： 1. 引風設備：包括引風機、煙囪、煙道口幾部分2. 送風設備：由送風機和風道所組成3. 給水設備：由給水泵和給水管組成4. 水處理設備：其作用為清除水中雜質和降低給水硬度5. 燃料供給設備：由運煤設備、原煤倉和儲煤斗等設備組成6. 除灰除塵設備：除灰設備是收集鍋爐灰渣并運往儲灰場地的設備2.1.2 鍋爐工作過程鍋爐的工作過程概括起來包括三個同時進行著的過程：燃料的燃燒過程，煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程。燃煤鍋爐的燃燒過程：燃料煤加到煤斗中并抖落在爐排上，通過減

21、速機、鏈條帶動爐排轉動，將燃料煤帶入爐內。煤邊燃燒邊向后移動，引風機將燃燒所需的空氣送入風箱，向上通過爐排到達燃燒層。風量和燃料量成比例(風煤比)，以便進行充分燃燒，形成高溫煙氣。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端返過除渣板后排入灰斗。此過程稱為燃燒過程。煙氣向水的傳熱過程：由于燃料的燃燒放熱，爐膛內溫度很高。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱和對流換熱，將熱量傳遞給管內的水。煙氣受引風機、煙囪的引力向爐膛上方流動。經過煙氣出煙窗(爐膛出口)并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器(蒸汽過熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使汽鍋中產生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱)。煙氣流經過熱器后又經過脹接在上、下爐

22、筒間的對流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對流換熱方式將熱量傳遞給管束內的水。沿途降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道，與省煤器和空氣預熱器內的水進行熱交換后，以較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實際上就是給水預熱器，它和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。水的汽化過程:就是蒸汽的產生過程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。經過處理的水由泵加壓，先流經省煤器而得到預熱，然后進入汽鍋。鍋爐工作時，汽鍋中的工作介質是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對流管束，因受熱較弱，汽水的容重較大;而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對流管束，因受熱強烈，相應水的容重較小，因而容重

23、大的往下流入下鍋筒，而容重小的則向上流入上鍋筒，形成了水的自然循環(huán)。蒸汽產生的過程是借助上爐筒內裝設的汽水分離設備，以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后進入蒸汽過熱器，而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部分的水中。2.1.3 鍋爐的主要控制系統(tǒng)供熱鍋爐設備的控制任務是根據熱負荷的需要，供應一定溫度的蒸汽，同時使鍋爐在經濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設備有以下主要的控制系統(tǒng)。1鍋爐汽包水位控制2鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：燃燒控制中三個被控變量是蒸汽壓力(或負壓)、煙氣分(經濟燃燒指標)和爐膛負壓。可選用的操縱變量也是三個:燃燒量、送風量和引風量。組成的燃

24、燒系統(tǒng)控制方案要滿足燃燒所產生的熱量;要使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全運行;要使引風量與送風量相適應，保證爐膛負壓在一定的范圍內。3過熱蒸汽系統(tǒng)的控制在本文中著重對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行研究，設計出燃燒系統(tǒng)的控制方式。而對其控制系統(tǒng)的控制不作詳細描述。2.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)的動態(tài)特性2.2.1 燃料傳送過程燃料煤傳送過程的輸入參數是給煤機的轉速，輸出參數是給煤量的多少。給煤機在動態(tài)特性上是一個一階滯后環(huán)節(jié)。同時，給煤機傳送具有純滯后時間T。所以，煤粉傳送過程的傳遞函數為下式(2.1)：G1(s)=K1T1s+1e-s (2.1)其中，K1為放大系數，T1時間常數，單位s

25、，為煤傳送滯后時間，單位s。2.2.2 燃料燃燒過程燃料燃燒過程的輸入參數是給煤量，輸出參數是燃料燃燒所產生的熱量，可以用一階滯后環(huán)節(jié)來近似描述其動態(tài)特性，如式(2.2)：G2(s)=K2T2s+1 (2.2)K2為燃燒過程的放大系數，T2燃燒過程的時間常數。2.2.3 蒸汽形成過程蒸汽形成過程包括汽水蓄熱和蒸汽析出兩個過程，它的輸入參數為導管傳遞給省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中汽水混合物的熱量，輸出參數按理應當是鍋爐水所含有的熱量，在一定的壓力下，蒸發(fā)強度與受熱強度成正比，因此可以用受熱過程中析出的蒸汽量Ds來衡量鍋爐水含熱量的變化。所以，輸出參數可以為析出管道出口的蒸汽量Ds在研究蒸汽形成過程的

26、動態(tài)特性時，可以分省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中蒸發(fā)段兩部分。對于循環(huán)系統(tǒng)蒸汽段，其傳遞函數可表示為下式(2.3)： G31 s=K31*1-e-T31sT31 s (2.3)省煤器省煤段的傳遞函數可表示為下式(2.4)：G32 s=K32*1-e-T32sT32 s (2.4)T31循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的時間常數，單位s；K31循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的放大系數；T31省煤器省煤段的停留時間，單位s；K31省煤器省煤段的放大系數。綜合公式，可以求出蒸汽形成過程的傳遞函數為下式(2.5)：G3s=G1s+G2s (2.5)2.3 鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求鍋爐供暖系統(tǒng)包括兩個主要控制任務，一個是燃燒系統(tǒng)控制，另一個

27、是給水系統(tǒng)控制; 另外還有過熱蒸汽系統(tǒng)的控制和鍋爐水處理過程的控制等。其中燃燒系統(tǒng)的控制是主要的。燃燒控制的基本任務既要供熱量適應負荷的需要，還要保證燃燒的經濟性和鍋爐運行的安全性。因此，燃燒控制要通過調節(jié)給煤量來保持分配到的負荷;調節(jié)送風量使之隨時與給煤保持恰當的比例，以保證完全的燃燒和最小的熱損失;調節(jié)引風使之隨時與送風相適應，以保持爐膛負壓在一定的范圍內。多臺鍋爐并列運行的母管制方式，還要實現(xiàn)按預定比例向各臺鍋爐分配負荷，使各臺鍋爐負荷均衡，共同維持供熱母管的正常運行。給水控制的任務主要是控制供水流量和回水流量，從而間接地影響供水溫度和回水溫度，從一定程度上解決一直困擾供熱系統(tǒng)的豎向失調

28、問題。燃燒自動控制的任務是:使燃燒燃料產生的熱量適應需求量，使燃料量與送風量隨時保持適當的配比，以保證煙氣中含氧的最佳值，即最佳過?？諝庀禂担_到經濟燃燒;使引風量隨時與送風量保持平衡，維持爐膛負壓不變。根據鍋爐燃燒過程的特點，燃燒自動控制是這樣來實現(xiàn)的，即:通過調節(jié)給煤、送風和引風來保證蒸汽壓力、煙氣含量和爐膛負壓為一定值。燃燒過程的控制基本要求有三個:1、保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負荷要求自動增減燃料量;2、燃燒良好，供氣適宜。既要防止空氣不足使煙囪冒黑煙，也不要因空氣過量而增加熱量損失;3、保證鍋爐安全運行。保持爐膛一定的負壓，以免負壓太小，甚至為正，造成爐膛內熱煙氣往外冒出，影響設備和

29、工作人員的安全:如果負壓過大，會使熱量損失增加。母管壓力調節(jié)器- 一號鍋爐1號 +溫度調節(jié)器負荷調節(jié)器 - -給煤量設定負荷 母 管測量O2%增量前饋最佳O2%+_-1號+送風門擋板氧量調節(jié)器 + + + 送風 -送風前饋設定爐膛負壓引風閥引風調節(jié)器 引風爐膛負壓反饋2號 . . . 2號母管壓力反饋及負荷量計算圖2.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)控制圖 2.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖根據母管制并行運行，鍋爐燃燒過程調節(jié)所要完成的任務，將整個系統(tǒng)分成四個相互聯(lián)系的子系統(tǒng)，即壓力調節(jié)系統(tǒng)(調節(jié)與并列運行的所有鍋爐均有關的母管壓力)、每臺鍋爐給煤調節(jié)系統(tǒng)、送風調節(jié)系統(tǒng)和引風調節(jié)系統(tǒng)。通過對這四個系統(tǒng)的分析，可以得

30、到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的結構(如圖2.2所示)。為了使給煤機、送風機、引風機協(xié)調工作，以克服耦合的影響，必須采用多變量輸入多變量輸出的協(xié)調控制方式控制鍋爐的燃燒過程。2.4.1 給煤調節(jié)系統(tǒng)的設計在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，給煤調節(jié)器是整個燃燒控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是節(jié)約能源，提高經濟效益的主要實現(xiàn)途徑。燃料在鍋爐中燃燒形成煙氣，煙氣中的含氧量由氧化鋯分析儀來檢測，并轉換為標準的電壓信號，伏值05V，送給單片機的模擬輸入通道，單片機接受到信號后進行判斷后，將信號送出，對變頻器進行相應的控制，以此來控制電動機的轉速，從而控制送入鍋爐的給煤量，使燃燒達到最佳熱效率。在給煤調節(jié)系統(tǒng)中，分為兩部分:一個是負荷主調

31、節(jié)器，另一個是爐膛溫度副調節(jié)器。主副調節(jié)器都采用模糊自整定控制器。由于系統(tǒng)在動態(tài)調節(jié)過程中，要求控制器具有較好的魯棒性和快速性，對精度要求不是十分高，因此采用常用的二維模糊控制器。在實時控制過程中，為了減少運算量，將模糊控制規(guī)律制成模糊控制表。模糊控制器的輸入變量是鍋爐的負荷及鍋爐負荷變化，輸出是鏈條爐的給煤量。根據現(xiàn)場的控制要求和模糊推理求出模糊控制規(guī)則表(見表2.1)。表2.1主調節(jié)器模糊控制表-6-5-4-3-2-1012345600000000001122111122222233332111222222333332344444444455534555555555565345555555

32、555664566666666666為了使鍋爐的爐膛溫度控制在穩(wěn)定的范圍之中，提高鍋爐的運行工況，縮小各鍋爐之間的不均衡性，還要引入副調節(jié)器，對給煤量進行修正，以使爐膛溫度控制在一定的范圍之內。對于爐膛溫度修正副調節(jié)回路，取爐膛溫度的偏差及偏差變化為模糊控制器的輸入變量，修正給煤量為控制器的輸出變量，求出模糊控制規(guī)律(見表2.2)。這些工作都是離線進行的，求出模糊控制表后，將其存入計算機中。實時控制時，模糊控制器只需要進行以下的工作:在每個控制周期中采樣給定負荷值，爐膛溫度值，并計算出相應的負荷偏差、溫度偏差及偏差的變化量，再將各變量分別進行模糊量化，取得以相應論域元素表征的查找模糊控制表所需

33、的模糊量的論域值，然后根據論域元素的值查找模糊控制表可以得出輸出論域值元素。將該論域元素值乘以相應的調節(jié)器的比例因子，得出給煤量的輸出信號。表2.2爐膛溫度修正量調節(jié)模糊控制表-6-5-4-3-2-10123456-6-6-6-6-6-6-6-6-6-6-5-4-3-2-5-6-6-6-5-5-5-5-4-3-3-2-2-1-4-6-6-6-5-4-4-4-3-2-1000-3-5-5-5-4-3-3-3-2-1-1000-2-4-4-4-3-2-2-2-100000-1-3-3-3-2-1-1-1-1011110-2-2-2-10000012221-1-1-1-101111233320000

34、01222344430001123334555400012344456665122334555566662345666666666主副調節(jié)器的給煤量信號按以下公式(2.6)合成:Bw=KbB+KcTckbB (2.6)Bw為總給煤量的輸出，B為主調節(jié)器的給煤量，Kb為主調節(jié)器給煤量比例因子，為修正給煤量，Kb為修正項比例因子，TC為控制時間常數，KC為修正項系數。2.4.2 送風調節(jié)系統(tǒng)的設計送風調節(jié)系統(tǒng)的主要任務是調節(jié)送風量使之隨時與給煤保持適當的比例(風煤比)，以保證完全的燃燒和最小的熱損失。由于到目前為止，還沒有找到一種有效的方法能夠準確地測量給煤量信號，工程實際中一般以煙氣含氧量作為給

35、煤量的一種間接反饋信號，以最佳含氧量信號作為標識來控制系統(tǒng)的經濟燃燒。含氧量信號具有時間延遲短，對判斷是否充分燃燒反映快等優(yōu)點。因此，可將送風調節(jié)系統(tǒng)直接看成是氧量調節(jié)的過程。氧量調節(jié)器有三個輸入變量:最佳含氧量、含氧量測量值以及給煤增量前饋。在本文設計的模糊PID控制器中，主要的設計目的是使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近，以保證煤完全燃燒和達到最小的熱損失。因此，對模糊PID控制器來講，主要的控制任務就是保持含氧量的最佳值。為此，模糊控制輸入變量的選取包括煙氣含氧量的給定值與實際值偏差e及偏差變化e，再加上給煤量前饋，就構成了三維模糊控制器。如果模糊控制器的3個輸入變量都取7個模糊子集，那么控制規(guī)則

36、將達到73=343條。為了簡化控制規(guī)則，對于給煤量增量只取3個模糊子集，即N(負)、O(零)、P(正)，并采用對二維模糊表擴展的方法(見表2.3)來簡化三維模糊控制表。表2.3 非線性量化表量化值EECUC-7UC-0.1-6E-12EC-1-0.1UC-0.06-5-12<E-8-1<EC-0.6-0.06<UC-0.04-4-8<E-4-0.6<EC-0.3-0.04<UC-0.025-3-4<E-2-0.3<EC-0.16-0.025<UC-0.015-2-2<E-1-0.16<EC-0.08-0.015<UC-0.

37、01-1-1<E-0.5-0.08<EC-0.04-0.01<UC-0.0050-0.5<E0.5-0.04<EC0.04-0.005<UC0.00510.5<E10.04<EC0.080.005<UC0.0121<E20.08<EC0.160.01<UC0.01532<E40.16<EC0.30.015<UC0.02544<E80.3<EC0.60.025<UC0.0458<E120.6<EC10.04<UC0.06612<E1<EC0.06<UC0

38、.170.1<UC2.4.3 引風調節(jié)系統(tǒng)的設計引風調節(jié)器通過調節(jié)引風門擋板開度的變化控制爐膛負壓在一定的范圍之內。系統(tǒng)的被控制對象特性與送風控制系統(tǒng)相似，控制器也需要對環(huán)境有一定的適應能力，因而可采用和送風系統(tǒng)相同的控制策略。但是為了取得系統(tǒng)的快速響應性能，使得系統(tǒng)在給煤量分檔切換時爐膛負壓能夠盡快穩(wěn)定，本文采用非線性模糊量化方法對模糊控制系統(tǒng)進行設計。在鍋爐引風模糊控制器中，兩個輸入變量爐膛負壓偏差e及偏差變化e，其基本論域整定為：-12，12Pa，-1，1Pa/min，輸出變量引風門擋板開度變化u，基本論域整定為-0.1，0.1。偏差(E)及偏差變化(EC)論域都量化為13檔，送風

39、門擋板開度變化(UC)論域量化為15檔。非線性量化見表2.3。由于引風系統(tǒng)控制對象與送風系統(tǒng)相似，因此，在非線性量化表參數整定之后，可以按照表23得出的控制表對送風系統(tǒng)進行控制，這樣就減少了計算機的存儲空間，提高了計算機對其它事件的反應能力。2.4.4 爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng)爐膛負壓是鍋爐系統(tǒng)中重要的參數之一，負壓是送風量和引風量是否平衡的指標。爐膛負壓過高或過低都會影響鍋爐的安全生產和經濟燃燒。如果爐膛負壓過小，燃料不能充分燃燒;若負壓過大，則漏風嚴重，從而導致總風量增加、煙氣熱損失增大、煤耗增加。爐膛負壓對象時間常數小，幾乎沒有純滯后，也不是高階對象，比較容易控制。本系統(tǒng)利用調節(jié)引風擋板的開度，

40、引入送風量作為前饋信號，控制它的引風量來實現(xiàn)。系統(tǒng)方框圖將圖2.3所示。當負荷增大時，需要利用調速電機增大煤量。同時，與給煤量成正比例的送風量也要相應增大。此時爐膛負壓即下降，需要增加引風量以保證爐膛負壓穩(wěn)定。由于爐膛負壓變化有一段滯后，雖然調節(jié)了引風擋板的開度，但在一段時間里爐膛負壓仍在下降。因此將送風調節(jié)器的輸出作為前饋信號，送到爐膛負壓調節(jié)回路的引風調節(jié)器，使送風量變化時引風量也立即變化，以解決滯后問題。K 送風量+爐膛引風擋板壓力PID 負壓 負壓設定 壓力變送器圖2.3 爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng)方框圖 2.5 計算機控制系統(tǒng)2.5.1 計算機控制系統(tǒng)一般概念自動控制技術在工業(yè)生產、供暖系統(tǒng)、

41、空調系統(tǒng)等許多行業(yè)中得到了廣泛的應用，在控制系統(tǒng)中引入計算機，就構成了計算機控制系統(tǒng)，就可以充分利用計算機強大的算術運算、邏輯運算及記憶功能，運用計算機指令系統(tǒng)，編出符合控制規(guī)律的程序。計算機執(zhí)行這樣的程序，就能實現(xiàn)被控參數的調節(jié)。計算機控制系統(tǒng)中輸入輸出信號都是數字信號，因此在這種控制系統(tǒng)中，輸入端必須加上A/D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號，在輸出端必須加上D/A轉換器，在將數字信號轉換為模擬信號。計算機控制可分為數據采集和數據處理，直接數字控制系統(tǒng)(DDC)，監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)和集散控制系統(tǒng)(DCS)。2.5.2 計算機控制系統(tǒng)設計原理將原來的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)改造為以MCS51系列單片

42、機8051控制。原來的控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)控制，但PLC價格較高，不如單片機價格低;單片機的抗干擾性能雖不如PLC，但通過在輸入、輸出端采用光電隔離等措施后，實際應用既能提高鍋爐熱效率，達到節(jié)能效果，又能使運行安全可靠，實現(xiàn)控制自動化。為實現(xiàn)無擾動手動/自動切換，還對手操跟蹤信號進行采樣。主機輸出的數字信號經D/A轉換，變?yōu)橄鄳哪M量去推動現(xiàn)場操作執(zhí)行機構動作，控制給煤機轉速、爐排轉速、鼓風機風門開度、引風機風門開度，實現(xiàn)系統(tǒng)控制方案的各項要求。另外，8051單片機還可以通過擴展外部接口電路，與其它鍋爐控制系統(tǒng)(汽包水位控制系統(tǒng)、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng))進行連接，為以后的工作打好

43、鋪墊。鍵盤RAMROM打印機顯示器執(zhí)行機構D/AA/D測量元件信號變送器8051爐膛溫度給煤機煙氣含氧量送風機8255A送風量引風機爐膛負壓開關量I/O時鐘報警輸出手動操作圖2.4 鍋爐微機控制系統(tǒng)框圖第3章 控制算法3.1 引言工業(yè)鍋爐是一個典型的多輸入、多輸出、多變量互相耦合的復雜非線性被控對象。對于鍋爐燃燒過程，通常由于其時變性和不確定性，很難建立既有足夠精度又便于系統(tǒng)控制的數學模型。鑒于鍋爐燃燒過程的復雜性和控制難點，要實現(xiàn)既提高鍋爐的熱效率，又滿足用戶負荷要求，并保證運行安全，所以其控制算法與控制決策的參考因素需要多元化，控制算法應根據多個工藝參量的現(xiàn)行值和歷史數據，進行綜合分析、推

44、理和計算。這是傳統(tǒng)控制理論不易實現(xiàn)的，常規(guī)的PID控制器，很難整定PID參數，因此比較難達到預期效果。總結分析發(fā)現(xiàn)，在復雜控制系統(tǒng)中，采用FuzzyPID復合型控制器，可以達到理想的控制效果，它對各種被控對象，不同的控制指標均能實現(xiàn)PID最佳效果。模糊控制器是近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的數學模型，而根據人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長避短，既具有模糊控制的靈活性、適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。3.2 PID控制在目前使用的多數供熱鍋爐控制方案中，系統(tǒng)中采用的大都是PID控制器，下面對過程

45、控制中常見的PID控制作出介紹。比例+積分被控對象r(t)+e(t) +c(t)微分+圖3.1 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖在模擬控制中，常規(guī)PID控制原理如圖3.1所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差： Et=rt-ct (3.1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。其控制規(guī)律為：ut=Kpet+1TI0tetdt+TDde(t)dt (3.2)也可以寫成傳遞函數 G(s)=U(S)E(S)=Kp1+1TIS+TDS (3.3)其中，Kp為比

46、例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數。簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:1、比例環(huán)節(jié):即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。2、積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。3、微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。PID控制作為生產過程控制中應用最為廣泛的控制方法，至今在過程控制中的應用以有幾十年的歷史。PID控制在過程控制中的生命力如此之強，是由于它本身的優(yōu)點:PID控制的原理簡單，使用起來比較方便;在過程控制中的適應性強，在多種生產部門都得到應用，在生產過程控制發(fā)展歷

47、程中，盡管控制器的實現(xiàn)幾經換代，但基本的控制功能仍然是PID控制;PID控制的控制品質對被控對象的變化不很敏感，具有一定的魯棒性。但是，盡管具有上述的優(yōu)點，PID控制仍然有其局限性，特別是在一些控制要求較高，參數不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)中，PID控制的效果并不能令人十分滿意。3.3 模糊控制迷糊控制的基本原理：控制是以模糊集合論、模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎，是采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結構的數字控制系統(tǒng)。其基本概念是由美國加利福尼亞大學著名教授扎德(LA.Zadeh)首先提出的，經過20多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應用研究方面均取得重大成功。其組

48、成核心是具有智能性的模糊控制器，這也是它與一般的PID在原理和方法上完全不同之處。3.3.1 模糊控制器模糊控制器(FCFuzzy Controller)也稱為模糊邏輯控制器(FLCFuzzy Logic Controller)，由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件句來描述的，因此，模糊控制器是一種語言型控制器，故也稱為模糊語言控制器(FLCFuzzy Language Controller)。模糊控制器的組成框圖如圖3.2所示。它包括有:輸入量模糊化接口、數據庫、規(guī)則庫、推理機和輸出解模糊接口5個部分。1、模糊化接口:模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解，因

49、此它實際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實的確定量輸入轉換成一個模糊矢量。2、數據庫:所存放的是所要輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經過論域等級的離散化以后對應值的集合)，若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數。在規(guī)則推理的模糊關系方程求解過程中，向推理機提供數據。解模糊接口推理機模糊化接口數據庫規(guī)則庫知識庫輸入輸出圖3.2 模糊控制器組成框圖3、規(guī)則庫:模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關系詞連接而成，如ifthen、also、or、and等。關系詞必須經過“翻譯”，才能將模糊規(guī)則數值

50、化。假設有控制規(guī)則if A and B then C，其中，A是論域U上的一個模糊子集，B是論域V上的一個模糊子集。根據人工試驗，可離線組織其控制決策表R，R是笛卡爾乘積集U *V上的一個模糊子集。則某一時刻，該控制的控制量由下式得出:C=A*B*R (3.4)規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時為“推理機”提供控制規(guī)則。知識庫由數據庫和規(guī)則庫兩部分組成。4、推理機:推理是控制器中根據輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類

51、。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識工程學領域的專家系統(tǒng)中。5、解模糊接口:推理結果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經完成。但是，至此所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉換作用的功能部分稱為解模糊接口。綜上所述，模糊控制器實際上就是一個微機系統(tǒng)。它的絕大部分功能都是由計算機程序來完成的，隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組單元的軟件功能。3.3.2 模糊控制系統(tǒng)原理框圖模糊控制系統(tǒng)原理框圖也可以由圖3.3所示，其中的模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊決策、非模糊化處理環(huán)節(jié)

52、組成模糊控制器。模糊控制的核心問題是建立一個好的模糊控制器，也稱為模糊邏輯控制器。由于其采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句(Ifthen)來描述的，因此模糊控制器是一種語言控制器，故也稱為模糊語言控制器。事實上對模糊控制，不需要人們對控制器本身的作用原理方式有很多理解;模糊控制完全是模仿人腦的思維方式，一個模糊控制器就是通過ifthen形式的規(guī)則進行控制的。模糊控制過程是對系統(tǒng)輸入信號進行分析、判斷、輸出控制量的過程，由于它是模擬人的模糊推理和決策過程的一種實用的控制方法，因此非常適合非線性和多輸入多輸出系統(tǒng)。根據模糊控制器的結構可分為:一維模糊控制器、二維模糊控制器、三維模糊控制器、多變量模糊控制器、自調整因子模糊控制器等。但是由于模糊控制的控制精度不夠高，單純利用模糊控