鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真畢業(yè)論文

鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真摘要工業(yè)鍋爐作為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)和集中供熱的重要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，能耗巨大，長(zhǎng)期處在高能耗、高污染的生產(chǎn)狀態(tài)。然而，目前我國(guó)大多數(shù)鍋爐控制系統(tǒng)自動(dòng)化不高、安全性低，效率普遍低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。鍋爐作為將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的重要設(shè)備之一，提高鍋爐控制水平已勢(shì)在必行。本文針對(duì)鍋爐系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變、嚴(yán)重非線性、干擾因素復(fù)雜等特點(diǎn)，提出對(duì)汽包水位采用三沖量控制方式，對(duì)爐膛負(fù)壓采用前饋PID控制，對(duì)最優(yōu)風(fēng)煤比采用雙交叉限幅比值控制的控制策略。在MATLAB環(huán)境下對(duì)幾種控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果顯示，三沖量控制、前饋PID和雙交叉限幅比值控制具有良好的控制效果，減小了超調(diào)量，提高了上升時(shí)間，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，與傳統(tǒng)的PID控制器相比，更適合工業(yè)鍋爐這種復(fù)雜的控制對(duì)象。關(guān)鍵詞：鍋爐三沖量控制前饋PID控制 雙交叉限幅比值控制AbstractAscentralheatinginindustrialproductionandtheimportantenergyconversionequipmentinChina,industrialboilerconsumesenormousenergy,andstaysathighenergyconsumptionandpollutionproductionstatus.However,atpresentthemajorityofautomaticboilercontrolsystemisnothigh,thesecurityislowandtheefficiencyisgenerallylowerthanthenationalstandard.Becausetheboilerisoneoftheimportantequipmentwhichconversesprimaryenergyintosecondaryenergy,improvingthelevelofboilercontrolisimperative.Inviewofmanyfactorsoftheboilersystem,suchastime-varyingparameters,severelynonlinearandcomplexinterferencefactorsandsoon,thispaperputsforwardthreecontrolstrategies,includingusingthree-impulsecontrol,utilizingfeedforwardPIDcontroltohearthnegativepressure,andadoptingdoublecrossoverrestrictstheamplituderatiocontroltotheoptimalairfuelratio.SeveralcontrolsystemsaresimulatedintheMATLABenvironment.Thesimulationresultsshowsthatthree-impulsecontrol,feedforwardPIDcontrolanddoublecrossoverrestrictstheamplituderatiocontrolhavegoodcontroleffect,whichreducetheovershoot,improvetherisetimeandreduceadjustmenttime.ComparedwiththetraditionalPIDcontroller,thesecontrolsystemsaremoresuitablefortheindustrialboiler,akindofcomplexcontrolobject.Keywords：TheBoiler,Three-impulseControl,FeedforwardPIDControl,DoubleCrossRestrictstheAmplitudeRatioControlIIITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"Abstract II\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1選題背景及意義 1\o"CurrentDocument"1.2國(guó)內(nèi)外鍋爐的運(yùn)行水平 1\o"CurrentDocument"1.3制約我國(guó)鍋爐發(fā)展的因數(shù) 21.3.1大多數(shù)鍋爐制造廠技術(shù)力量仍然薄弱 21.3.2燃料的因素 21.3.3工業(yè)鍋爐的標(biāo)準(zhǔn)體系 21.3.4市場(chǎng)機(jī)制的影響及科研開發(fā)投入的不足 2\o"CurrentDocument"1.3本文研究的主要內(nèi)容 2\o"CurrentDocument"第2章鍋爐系統(tǒng)的控制任務(wù) 3\o"CurrentDocument"2.1鍋爐系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)介 3\o"CurrentDocument"2.2鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù) 4\o"CurrentDocument"2.3PID控制規(guī)律介紹 4\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 5\o"CurrentDocument"第3章汽包水位三沖量控制 6\o"CurrentDocument"3.1汽包水位系統(tǒng)介紹 6\o"CurrentDocument"3.2汽包水位的動(dòng)態(tài)特性分析 6\o"CurrentDocument"3.3鍋爐汽包水位的控制方案 83.3.1單沖量控制系統(tǒng) 93.3.2雙沖量控制系統(tǒng) 93.3.3三沖量控制系統(tǒng) 10\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 10\o"CurrentDocument"第4章爐膛負(fù)壓控制 11\o"CurrentDocument"4.1控制和監(jiān)視爐膛負(fù)壓的意義 11\o"CurrentDocument"4.2爐膛負(fù)壓控制 11\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 12\o"CurrentDocument"第5章最優(yōu)風(fēng)煤比控制 13\o"CurrentDocument"5.1常規(guī)PID風(fēng)煤比控制系統(tǒng)的缺陷 13\o"CurrentDocument"5.2雙閉環(huán)交叉限幅比例控制 13\o"CurrentDocument"5.3溫度串級(jí)控制 14\o"CurrentDocument"5.4控制過程分析 15\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 16\o"CurrentDocument"第6章MATLAB/Simulink仿真 17\o"CurrentDocument"6.1MATLAB軟件介紹 17\o"CurrentDocument"6.2汽包水位控制MATLAB仿真 17\o"CurrentDocument"6.3爐膛負(fù)壓控制仿真 18\o"CurrentDocument"6.4最優(yōu)風(fēng)煤比控制仿真 19本章小結(jié) 20\o"CurrentDocument"結(jié)論 22\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 23\o"CurrentDocument"致謝 24第1章緒論1.1選題背景及意義鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，運(yùn)行情況的好壞直接關(guān)系到能源的利用率高低。由于我國(guó)總的能源特征是“富煤、少油、有氣〃，擁有豐富的煤炭資源，因此，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，燃煤工業(yè)鍋爐將是我國(guó)工業(yè)鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品。但我國(guó)鍋爐房管理水平不高，鍋爐技術(shù)含量低，鍋爐的自動(dòng)化控制技術(shù)落后，操作工人水平參差不齊，經(jīng)常是憑感覺和經(jīng)驗(yàn)去操作，長(zhǎng)期使鍋爐處在能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。因此，提高鍋爐的生產(chǎn)運(yùn)行效率不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還能減少環(huán)境污染，提高能源利用率。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，影響鍋爐生產(chǎn)效率的重要因素之一是控制系統(tǒng)性能的好壞。把計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用于鍋爐生產(chǎn)過程相關(guān)環(huán)節(jié)，進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠有效地提高鍋爐運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)鍋爐自動(dòng)化控制的意義在于：（1）提高鍋爐運(yùn)行的安全性；（2）提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；（3）改善勞動(dòng)條件；（4）減少運(yùn)行人員，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。研究與開發(fā)功能完備、性能可靠的鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，是適應(yīng)鍋爐生產(chǎn)發(fā)展需要，具有廣闊的發(fā)展前景與研究?jī)r(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外鍋爐的運(yùn)行水平目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出許多工業(yè)鍋爐微規(guī)控制系統(tǒng)，總體說來，工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化控制經(jīng)歷了20世紀(jì)30、40年代單參數(shù)儀表控制，40.50年代單元組合儀表控制、綜合參數(shù)儀表控制，直到60年代興起的計(jì)算機(jī)過程控制［1］。尤其是近十幾年來，隨著先進(jìn)控制理論幫計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各種性能的不斷增強(qiáng)，鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到了普及和應(yīng)用。在國(guó)外，鍋爐的控制基基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，在控制方法上都采用了現(xiàn)代控制理論中最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率很高、運(yùn)行平穩(wěn)，而且減少了對(duì)環(huán)境的污染⑵。我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，鍋爐設(shè)備水平一直比較落后。大多數(shù)中小型鍋爐停留在手工和簡(jiǎn)單儀表操作的水平；到80年代中后期，隨著先進(jìn)的控制技術(shù)引入我國(guó)的鍋爐控制，鍋爐的計(jì)算機(jī)控制得到了很大的發(fā)展⑶；至90年代，鍋爐的自動(dòng)化控制己成為一個(gè)熱門領(lǐng)域，單片機(jī)、可編程序控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)以及引進(jìn)的國(guó)外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，已逐漸用于對(duì)原有鍋爐的技術(shù)改造中，并向與新建爐體配套的方向發(fā)展，許多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及專家控制等自動(dòng)控制的最新成果也在鍋爐自動(dòng)控制中得到了嘗試和應(yīng)用⑷。1.3制約我國(guó)鍋爐發(fā)展的因數(shù)1.3.1大多數(shù)鍋爐制造廠技術(shù)力量仍然薄弱目前，我國(guó)工業(yè)鍋爐制造企業(yè)的技術(shù)力量參差不齊，具有自行設(shè)計(jì)和開發(fā)能力的僅有少部分，大多數(shù)企業(yè)的技術(shù)開發(fā)能力仍很薄弱。雖然我國(guó)在實(shí)行許可證制度以后，部分工業(yè)鍋爐制造企業(yè)通過技術(shù)改造，使企業(yè)的工藝裝備有了一定的提高，然而，更大多數(shù)企業(yè)的工藝裝備仍然比較簡(jiǎn)單，很少配備先進(jìn)的加工裝備，缺乏專用加工設(shè)備，加工能力比較薄弱。缺少能在工業(yè)鍋爐行業(yè)中起領(lǐng)頭的龍頭企業(yè)或骨干企業(yè)⑸。1.3.2燃料的因素我國(guó)的燃料結(jié)構(gòu)和燃料政策決定了在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，燃煤工業(yè)鍋爐仍將是我國(guó)工業(yè)鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品，即使中小型的生產(chǎn)和生活用燃煤鍋爐也會(huì)在最近相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)在部分地區(qū)保留并生產(chǎn)。1.3.3工業(yè)鍋爐的標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)鍋爐發(fā)展的重要的技術(shù)支撐，在工業(yè)鍋爐的發(fā)展過程中起到了決定性的作用。我國(guó)雖然已經(jīng)建立了比較完整的工業(yè)鍋爐標(biāo)準(zhǔn)體系，由于受到全國(guó)鍋爐制造廠總體的工藝裝備和制造工藝因素的影響，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)在制造方面與國(guó)外的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)比還有一定的差距⑸。1.3.4市場(chǎng)機(jī)制的影響及科研開發(fā)投入的不足由于受到市場(chǎng)的影響，部分的鍋爐用戶過分注重鍋爐的價(jià)格。過分的壓價(jià)使得鍋爐制造廠的利潤(rùn)空間被壓縮得很小，造成制造廠的科研開發(fā)的投入難以為繼的局面。而另一些鍋爐制造廠(主要是一些小企業(yè))為了獲得定單，甚至將原來的機(jī)械燃燒改為手工燃燒，并盡量減少鍋爐的運(yùn)行監(jiān)控能力，降低鍋爐的自控要求，使得鍋爐的運(yùn)行性能大打折扣。當(dāng)然，更談不上對(duì)鍋爐自控系統(tǒng)的開發(fā)了。1.3本文研究的主要內(nèi)容論文的研究?jī)?nèi)容主要包括：本課題的研究背景、意義、燃煤鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀以及制約我國(guó)鍋爐發(fā)展的因數(shù)。介紹了對(duì)鍋爐系統(tǒng)特性、產(chǎn)生擾動(dòng)的主要因素及調(diào)節(jié)原理。依據(jù)控制對(duì)象特性將三沖量控制運(yùn)用于汽包水位，前饋PID控制運(yùn)用于爐膛負(fù)壓采用，雙交叉限幅比值控制運(yùn)用于最優(yōu)風(fēng)煤比，并運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真。

第2章鍋爐系統(tǒng)的控制任務(wù)2.1鍋爐系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)介鍋爐最基本的構(gòu)成是汽鍋和爐膛兩大部分［61鍋爐設(shè)備的工作過程概括起來包括三個(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［7］圖2.1鍋爐控制系統(tǒng)硬件組成燃煤鍋爐的燃燒過程燃料煤加到煤斗中并落在爐排上，電機(jī)通過減速機(jī)、鏈條帶動(dòng)爐排轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。燃料煤一邊燃燒一邊向后移動(dòng)，燃燒所需要的空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入爐排中間的風(fēng)箱后，向上通過爐排到達(dá)燃料燃燒層。風(fēng)量和燃料量成比例(風(fēng)煤比)，以便進(jìn)行充分燃燒，形成高溫?zé)煔?。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端通過除渣板后排入灰斗。這一整個(gè)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(nèi)溫度很高。在爐膛四周墻面上都布置著一排水管，稱為水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱和對(duì)流換熱，將熱量傳遞給管內(nèi)的水。繼而煙氣受引風(fēng)機(jī)、煙囪的引力向爐膛上方流動(dòng)。煙氣經(jīng)出煙窗(爐膛出口)并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器。煙氣流經(jīng)過熱器后又經(jīng)過接在上、下爐筒間的對(duì)流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對(duì)流換熱方式將熱量傳遞給管束內(nèi)的水。沿途降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的水進(jìn)行熱交換后，較低溫度的煙氣經(jīng)過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。省煤器實(shí)際上就是

給水預(yù)熱器，它和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)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。（3）水的汽化過程水的汽化過程就是蒸汽的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。經(jīng)過除氧等處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入汽鍋。鍋爐工作時(shí)，汽鍋中的工作介質(zhì)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(duì)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(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)水的容重較小，因而容重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(chǎn)生的過程是借助上爐筒內(nèi)裝設(shè)的汽水分離設(shè)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。蒸汽在上鍋筒項(xiàng)部引出后進(jìn)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。2.2鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，有許多個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)和被調(diào)節(jié)參數(shù)，還存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的擾動(dòng)參數(shù)。這些參數(shù)的相互作用如圖2.2所示圖2.2鍋爐輸入輸出之間的相互關(guān)系示意圖[6]工業(yè)鍋爐的生產(chǎn)任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè)備的要求，生產(chǎn)具有一定壓力和溫度的蒸汽和熱水。為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐主要有下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)：（1）保持汽包水位在規(guī)定范圍；（2）維持蒸汽壓力在預(yù)定值；（3）維持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性；（4）維持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)[8]2.3PID控制規(guī)律介紹PID控制是按照偏差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)進(jìn)行控制的。其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高。PID控制有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)原理簡(jiǎn)單，使用方便，易于實(shí)現(xiàn)；(2)適應(yīng)性強(qiáng)；(3)魯棒性強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.3所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖2.3PID控制系統(tǒng)框圖 「八1一八 de(t)1控制規(guī)律為⑼：u(t)=Ke(t)+Tfte(t)dt+氣^^~i 一式中：K為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；T^為微分時(shí)間常數(shù)。W術(shù)住*’斷的花十治廠()U(s)礦『11丁'與成傳遞函數(shù)的形式為：G(s)=e(s)=KI1+t~+T/iPID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下［1。］：比例環(huán)節(jié)：比例系數(shù)K增大可以加快響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制p精度。但過大會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；取得過小，可減少系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度增大，但會(huì)降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。積分環(huán)節(jié)：積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T-二越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。積分環(huán)節(jié)用于消除系統(tǒng)的余差。加大積分系數(shù)，有利于減小系統(tǒng)余差，但過強(qiáng)的積分作用會(huì)使系統(tǒng)的超調(diào)量加劇，甚至引起振蕩；減小積分系數(shù)雖然有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，但對(duì)消除系統(tǒng)的余差是不利的。微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，微分環(huán)節(jié)的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何地方的變化，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。但Td過大，則會(huì)使響應(yīng)過程提早制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。本章小結(jié)本章介紹了鍋爐系統(tǒng)的工藝流程、鍋爐系統(tǒng)控制任務(wù)，使我們對(duì)鍋爐系統(tǒng)有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了PID控制，對(duì)PID控制器中各個(gè)環(huán)節(jié)的控制作用有全面的認(rèn)識(shí)。

第3章汽包水位三沖量控制3.1汽包水位系統(tǒng)介紹汽包水位系統(tǒng)由給水泵、省煤器、汽包、水冷壁、過熱器等組成uh。水由給水泵送入省煤器加熱升溫，成為飽和水后進(jìn)入汽包，經(jīng)下降管進(jìn)入爐膛水冷壁，吸收熱量汽化后回到汽包。鍋爐汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽，通過過熱器升溫，再由減溫器降溫到所需溫度后送出。圖3.1鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)汽包水位間接地表示了鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系，維持汽包水位是保持汽機(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。水位過高，影響汽包汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過多；汽包水位過低，則可能使鍋爐水循環(huán)工況破壞，造成水冷壁管供水不足而燒壞。汽包水位系統(tǒng)自動(dòng)控制的任務(wù)就是維持汽包水位在一定范圍內(nèi)變化。3.2汽包水位的動(dòng)態(tài)特性分析鍋爐汽包水位包含了汽包中的蓄水體積和水面下汽泡的體積。水下汽泡的體積與鍋爐的負(fù)荷及蒸汽壓力有關(guān)。因此鍋爐汽包水位不僅受到鍋爐輸入量和輸出量之間平衡關(guān)系的影響，同時(shí)由于壓力的關(guān)系它還受到汽水混合物內(nèi)汽泡體積變化的影響。因此，影響鍋爐汽包水位變化的主要因素：（1）給水?dāng)_動(dòng)，（2）蒸汽負(fù)荷的變化；（3）蒸汽壓力的變化；（4）燃料量的變化。汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程式，通過理論推導(dǎo)和化簡(jiǎn)后可寫成［1。］：TT炒"二TT炒"二12dt1dt（一du\(du、T—w+K一T—D+KuIWdtWuwJIDdtDDj(3-1)d，\：分別為分別為蒸汽流量和給水流量的標(biāo)值；T1d，\：分別為分別為蒸汽流量和給水流量的標(biāo)值；T1,式中，T『給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)；T『蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)；K蒸汽流量和給水流量的放大系數(shù)；uD,uw：“：水位的時(shí)間常數(shù)。 °、蒸汽負(fù)荷不變改變給水流量的情況下，TTdlh-dh12dt1dtedhJdu打+T-=IT^^+K^^汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程可以表示為:、(3-2)對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：(3-3)(3-4)TTs2H(s)+TsH(s)=TsU(s)+KU(s)(3-3)(3-4)12 1 WW WW得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)：i)H(s)Ts+KG^J=-一—= 一嚀Uw(s)孔s燈?s+1)給水流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖3.2所示。如果把汽包和給水看作單容量無(wú)自衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線應(yīng)為圖中的叫線。但當(dāng)給水流量增加后，由于給水溫度比汽包內(nèi)原有飽和水的溫度低，它們將從原飽和水中吸收熱量，氣泡體積由于放熱而減小，所以水位隨著汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸緩慢上升。當(dāng)給水溫度與汽包內(nèi)水的溫度相同時(shí)，汽泡體積將不再變化，水位就隨著儲(chǔ)水量的增加而直線上升。因此，實(shí)際水位變化曲線應(yīng)如圖中H線所示，即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始并不立即增加，而是有一個(gè)起始慣性階段。圖3.2給水流量擾動(dòng)下水位的階躍響壓曲線給水量不變改變蒸汽負(fù)荷的情況下，汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程可以表示為:Ttdlh-dh12dt1Ttdlh-dh12dt1dt(3-6)+T———T—d+KuIDdtDdJ對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

TTs2H(s)+TsHQ=—(TsU(s)+KU(s))12 1 DD DD得到汽包水位在蒸汽流量作用下的傳遞函數(shù)：()H(s)Ts+KGs/=一一D daUd(s)TsTs+1)上式可以用兩個(gè)動(dòng)念環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即：廠()H(s) K,KGsJ=AA=一一0+1—Ud3sT2s+1(3-7)(3-8)(3-9)式中，ko=kd/ti^上升速度，即給水流量變化一個(gè)單位流量時(shí)水位的變化速度；K=（KT-T）/T為響應(yīng)曲線H的放大系數(shù)；T為響應(yīng)曲線(3-7)(3-8)(3-9)1D2D1 2 2 2蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖3.3所示。當(dāng)蒸汽流量D突然增加時(shí)，蒸汽量D大于給水量W，水位應(yīng)該下降，如圖中曲線H】。但由于蒸汽用量的增加，導(dǎo)致汽包壓力的下降，水中汽泡體積迅速增加而使水位變化的曲線如圖中H2所示。從而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線H為H】與隊(duì)的疊加。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，，但在開始時(shí)，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升），這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位〃。圖3.3蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線從以上分析可以看出給水控制具有以下特點(diǎn)：1） 給水量突然改變時(shí)，由于給水通道存在較大的滯后時(shí)間，從調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作到汽包水位變化存在一定的滯后，水位存在有較大的波動(dòng)。2） 蒸汽用量變化時(shí)，有“虛假水位〃的出現(xiàn)，且假水位反應(yīng)速度很快，幅度與擾動(dòng)大小成正比。3.3鍋爐汽包水位的控制方案引起水位變化的主要干擾是蒸汽流量和給水流量的變化。由圖3.2可知，當(dāng)蒸汽流量不變給水量突然改變時(shí)，鍋爐汽包水位不會(huì)馬上改變，控制作用嚴(yán)重滯后，水位存在較大的波動(dòng)，汽包水位過高，會(huì)影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，使過熱器管壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致破壞，汽包水位過低，則可能使鍋爐水循環(huán)工況破壞，使水冷壁管供水不足而燒壞；由圖3.3可知，當(dāng)給水量不變蒸汽流量突然增大，鍋爐汽包水位將會(huì)上升，產(chǎn)生鍋爐“虛假水位”現(xiàn)象。使得控制作用向相反方向進(jìn)行，有可能導(dǎo)致汽包水位過低，使得汽包內(nèi)的水量較少，蒸汽壓力較低，水的汽化速度加快，使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸。因此，我們必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止事故的發(fā)生［11』3.3.1單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位為被控變量，其控制系統(tǒng)框圖為圖3.4單沖量控制系統(tǒng)框圖該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但該系統(tǒng)根據(jù)汽包水位控制給水量，當(dāng)汽包水位產(chǎn)生“虛假水位”現(xiàn)象時(shí)，給水量的變化將與負(fù)荷變化相反，加大了進(jìn)出流量的不平衡。當(dāng)給水量發(fā)生變化時(shí)，給水量經(jīng)過一定的時(shí)間才能影響到汽包水位，控制作用滯后，加大系統(tǒng)的超調(diào)量。3.3.2雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位為主控變量，以蒸汽流量為前饋信號(hào)，組成“前饋——反饋”控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖如圖3.5所示，該控制系統(tǒng)由于引入了蒸汽流量這一前饋信號(hào)，能夠有效的避免“虛假水位”現(xiàn)象，但是對(duì)于給水量變化依然存在滯后。

圖3.5雙沖量控制系統(tǒng)框圖3.3.3三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)，以汽包水位H為主控制信號(hào)，蒸汽流量D為前饋控制信號(hào)，給水流量W為反饋控制信號(hào)組成的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3.5所示，該控制系統(tǒng)由于引入了蒸汽流量信號(hào)，能夠有效防止“虛假水位”的產(chǎn)生，引入給水流量信號(hào)，當(dāng)給水流量發(fā)生改變時(shí)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)，產(chǎn)生控制作用，減少系統(tǒng)的超調(diào)量。圖3.5三沖量控制系統(tǒng)框圖通過上面的介紹我們確定，對(duì)汽包水位系統(tǒng)采用三沖量控制系統(tǒng)控制。該控制系統(tǒng)能有效的防止汽包“虛假水位”現(xiàn)象的出現(xiàn)，并能對(duì)給水流量系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)。本章小結(jié)本章介紹鍋爐汽包水位系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，使我們對(duì)鍋爐汽包水位有了全面的認(rèn)識(shí)，并比較了汽包水位三種控制方案，提出對(duì)汽包水位系統(tǒng)采用三沖量控制。第4章爐膛負(fù)壓控制4.1控制和監(jiān)視爐膛負(fù)壓的意義爐膛負(fù)壓（即爐膛頂部的煙氣壓力）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。爐膛負(fù)壓太大，漏風(fēng)量增大，使吸風(fēng)機(jī)電耗、不完全燃燒熱損失、排煙熱損失均增大，甚至使燃燒不穩(wěn)或滅火。爐膛負(fù)壓小甚至變?yōu)檎龎簳r(shí)，火焰及飛灰將通過爐膛不嚴(yán)密處冒出，惡化工作環(huán)境甚至危及人身及設(shè)備安全。保持一定的負(fù)壓可以避免爐膛過多的熱量隨尾氣排放，同時(shí)還可以避免鍋爐爐膛因?yàn)檎龎憾蛲鈬娀穑ＷC了鍋爐操作人員安全和環(huán)境衛(wèi)生。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，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［1幻因此，監(jiān)視和控制爐膛負(fù)壓對(duì)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，對(duì)資源的利用率和安全生產(chǎn)起著決定性的作用。4.2爐膛負(fù)壓控制爐膛負(fù)壓由于控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)較小，延遲不明顯，也不是高階對(duì)象，因此比較容易控制的。只要能維持從爐膛排出的煙氣量等于燃料燃燒生成的煙氣量，就能維持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。爐膛負(fù)壓是通過調(diào)節(jié)吸、送風(fēng)機(jī)風(fēng)量的平衡關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。圖4.1爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖爐膛負(fù)壓是由鼓風(fēng)量和引風(fēng)量之間特定關(guān)系形成的，鼓風(fēng)量的大小變化是爐膛負(fù)壓產(chǎn)生擾動(dòng)的主要因素。本控制系統(tǒng)通過變頻器調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)引風(fēng)量來控制爐膛負(fù)壓。同時(shí)爐內(nèi)壓力變化是個(gè)快速環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)負(fù)壓控制器時(shí)，我們采用前饋PID控制器?？刂葡到y(tǒng)圖如圖4.1所示。本章小結(jié)本章介紹監(jiān)控爐膛負(fù)壓的意義，爐膛負(fù)壓由于其控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)較小，延遲不明顯，也不是高階對(duì)象，我們確定對(duì)爐膛負(fù)壓系統(tǒng)采用以鼓風(fēng)干擾為前饋前饋信號(hào)的前饋PID控制。第5章最優(yōu)風(fēng)煤比控制鍋爐為適應(yīng)負(fù)荷的變化，必須同時(shí)改變送風(fēng)量和燃料量。使空氣和燃料量相適應(yīng)，維持燃料量和送風(fēng)量有一定的比值，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵措施。如果能夠恰當(dāng)?shù)乇３秩剂狭颗c送風(fēng)量的正確比值，就能達(dá)到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當(dāng)，空氣不足，離開最適宜的空燃比（實(shí)際送風(fēng)量與理論空氣量的比值），就會(huì)導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料燃燒不完全時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過多，就會(huì)增熱熱量損失，使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低，并造成對(duì)周圍環(huán)境的污染［13］。恰好滿足完全燃燒所需的空氣量稱之為理論空氣量。燃料燃燒是一個(gè)氧化過程，為了充分燃燒，必須提供足夠的空氣，保證有一定的過?？諝饬?，用剩余空氣系數(shù)來衡量?？諝獠蛔?，會(huì)造成燃料燃燒不完全，鍋爐冒黑煙，造成能源損失；空氣過量，爐內(nèi)排煙就會(huì)帶走大量的熱量，降低了火燃溫度，導(dǎo)致氧化氮、氧化硫排出量增加，污染大氣，同時(shí)鍋爐的壽命減短，因此必須有效地控制剩余空氣系數(shù)。5.1常規(guī)PID風(fēng)煤比控制系統(tǒng)的缺陷常規(guī)PID控制系統(tǒng)，其特性直觀，控制迅速，但由于鍋爐在不同的負(fù)荷下，適當(dāng)?shù)倪^?？諝庀禂?shù)變化很大。常規(guī)PID控制將風(fēng)煤比簡(jiǎn)單地看成負(fù)荷（汽壓）的單一函數(shù)并近似為比值關(guān)系［14］，單純的比值控制并不能保證鍋爐在任何工況下都達(dá)到最佳的燃燒工況；同時(shí)，對(duì)于不同的煤種及煤粉特性、爐排轉(zhuǎn)速、煤層厚度不均勻等原因引起的燃料方面的擾動(dòng)，過?？諝庀禂?shù)也有較大變化，使得單純的PID控制難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比最優(yōu)控制。圖5.1常規(guī)比值控制系統(tǒng)框圖5.2雙閉環(huán)交叉限幅比例控制將雙閉環(huán)交叉限幅比例控制應(yīng)用于風(fēng)煤比控制，其基本原理是測(cè)量出當(dāng)前供風(fēng)量和進(jìn)料量，根據(jù)最佳風(fēng)煤比K^計(jì)算出安全閥限，將安全閥限值交叉回饋，與設(shè)定值比較，比較結(jié)果作為最終的設(shè)定值，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制作用［1曳假設(shè)鍋爐實(shí)際進(jìn)風(fēng)量F^，假設(shè)最優(yōu)風(fēng)煤比為七,根據(jù)當(dāng)前實(shí)際進(jìn)風(fēng)量，可以計(jì)算出最佳進(jìn)料量為：F：=F",為了避免缺氧燃燒，進(jìn)料PID控制回路中進(jìn)料量設(shè)定值不應(yīng)該高于最&進(jìn)料量F.t假定進(jìn)料量設(shè)定值為F.‘°，最終設(shè)定值F應(yīng)為“低選比較器”的輸出結(jié)果：F=minF°F.｝。 '"° "同樣，假設(shè)鍋爐的進(jìn)料量為.在當(dāng)前的進(jìn)料量F.下，最佳供風(fēng)量為：F^=FxK，為了保證安全，供風(fēng)PID回路中供風(fēng)量設(shè)定值不應(yīng)該小于最佳供風(fēng)量F：。設(shè)供風(fēng)設(shè)定值為七科，經(jīng)過“高選比較器”來得到最終的供風(fēng)設(shè)定值：F5=maxFF，［J"雙閉環(huán)交叉比值控制，實(shí)現(xiàn)了燃燒過程中空氣和進(jìn)料量的相跟蹤，保證了在負(fù)荷增減過程中的最佳燃燒效率。指定進(jìn)煤量設(shè)定值，可以方便地實(shí)現(xiàn)鍋爐“定燒”。經(jīng)過雙閉環(huán)交叉限幅控制的一系列動(dòng)態(tài)過程，使進(jìn)料量等于設(shè)定值，同時(shí)供風(fēng)量符合最佳燃燒風(fēng)漿比。圖5.1雙閉環(huán)交叉限幅比例控制5.3溫度串級(jí)控制由于生產(chǎn)過程中給水流量經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，水冷壁管溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，造成汽包內(nèi)水溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，還可能造成水冷壁管被燒壞。引入溫度PID控制回路到雙閉環(huán)交叉控制中，得到控制系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)圖如圖5.2。

溫度PID調(diào)節(jié)器-A被控對(duì)象f低選器溫度PID調(diào)節(jié)器-A被控對(duì)象f低選器溫度測(cè)量圖5.2溫度串級(jí)控制框圖5.4控制過程分析假定鍋爐處于"定燒”，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)定燒量為F=1m3；h，供風(fēng)量為F/20m3；h，即最佳風(fēng)煤比為K=20?，F(xiàn)需要將定燒量提高到2m3功，在改動(dòng)“定燒值”后，供風(fēng)量和進(jìn)料量的設(shè)雀值分別變?yōu)镕.八°=40和F°=2；而進(jìn)入鍋爐爐膛的風(fēng)量和燃煤量實(shí)測(cè)值仍為七廣20和F=T「"對(duì)于風(fēng)量F：=20，可計(jì)算出最佳進(jìn)料量F=F"=1，與設(shè)定值F.=2變同進(jìn)人低選器，得到最終設(shè)定值仍為F=1。對(duì)于實(shí)測(cè)燃煤量F=1計(jì)算出最佳供風(fēng)量F^=20，與設(shè)定值F^=40一起進(jìn)入高選器，比較的結(jié)果是將設(shè)定值由原來的F^=20調(diào)整到七=40，燃煤量設(shè)定不變的情況下提高了供風(fēng)量。隨著變頻器將控制作用輸出，測(cè)商風(fēng)量Fa計(jì)增大，計(jì)算出的最佳燃煤量F.也逐漸增大與設(shè)定值F.=2低選后，輸出值F.也由1逐漸增加到2,并且達(dá)到2后不再繼續(xù)變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。當(dāng)需要降低負(fù)荷時(shí)，比如“定燒值”由1調(diào)整為0.5m3/h，風(fēng)煤比仍為K=20。供風(fēng)量和燃煤量設(shè)定值分別變?yōu)镕.s0=10和F0=0.5；而風(fēng)量和燃煤量實(shí)測(cè)值仍為F疽20和F=1。根據(jù)燃煤量Z：=1得到最佳供風(fēng)量F^=20，與供風(fēng)設(shè)定值F：］=10進(jìn)入高選器，得到最終設(shè)定值仍為Far廣20。根據(jù)當(dāng)前風(fēng)量計(jì)算最佳燃煤言F.=1，與燃煤設(shè)定值F.河=0.5進(jìn)入低選器;得到最終燃煤設(shè)定值由原來的F=1調(diào)整到F.叩。=0.5，在供風(fēng)量設(shè)定值不變的情況下降低了燃煤量。隨著變頻器將控制作用輸出測(cè)量燃煤量減小，使得最佳供風(fēng) 「而也逐漸減小，與本地設(shè)定F^泗=10高選后，輸出值也由20逐漸減小到10，并且達(dá)到10后不再繼續(xù)變小，趨于穩(wěn)定。由以上分析可知雙閉環(huán)交叉限幅比例控制系統(tǒng)，是通過在加負(fù)荷時(shí)“先增風(fēng)量后增燃煤量”，減負(fù)荷時(shí)“先減燃煤量后減風(fēng)量”，確保負(fù)荷增減過程中燃煤保持充分燃燒。本章小結(jié)本章介紹了常規(guī)PID比值控制系統(tǒng)的缺陷，通過對(duì)交叉限幅比值控制原理的分析可知，將交叉限幅比值控制應(yīng)用于風(fēng)煤比控制能取得很好的控制效果，同時(shí)將溫度PID控制引入交叉限幅比值控制系統(tǒng)中，既保證了系統(tǒng)的“定燒”同時(shí)又能使系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。第6章MATLAB/Simulink仿真6.1MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國(guó)的MathWorks公司推出的一個(gè)科技應(yīng)用軟件。它是由Matrix（矩陣）Laboratory（實(shí)驗(yàn)室）的前三個(gè)字母組成的。MATLAB語(yǔ)言是由美國(guó)NewMexico大學(xué)的CleveMole于1980年開始開發(fā)的。大部分工具箱是面向控制和相關(guān)學(xué)科，隨著MATLAB不斷發(fā)展，其他領(lǐng)域也開始涉及。增加了許多的圖形圖像處理，多媒體功能，符號(hào)運(yùn)算和它與其它流行軟件的接口功能，使得MATLAB的功能越來越強(qiáng)大[16]MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)、代碼短小高效、計(jì)算功能強(qiáng)大、繪圖非常方便、擴(kuò)充能力強(qiáng)大、幫助功能完整。MATLAB語(yǔ)言善長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，數(shù)據(jù)處理功能十分強(qiáng)大，而且效率比較高。在此基礎(chǔ)上開拓了符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，增強(qiáng)了MATLAB的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使MATLAB成為了市場(chǎng)主流的數(shù)值計(jì)算軟件。6.2汽包水位控制MATLAB仿真由第3章分析我們確定汽包水位被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為:水位傳遞函數(shù)：G^）=-W，水位變送器的比例系數(shù)為0.8，給水流量信號(hào)及蒸汽流量信號(hào)變送器的比例系數(shù)為：0.55，調(diào)節(jié)閥的比例系數(shù)為：與=3.5。建立仿真框圖為圖6.1三沖量汽包水位控制系統(tǒng)仿真框圖控制器參數(shù)為％=6.5,Ti=0.55,Td=40，仿真結(jié)果如下圖所示。由仿真結(jié)果顯示，是三沖量控制系統(tǒng)控制效果最好。"

圖6.2汽包水位控制仿真結(jié)果圖中黃線代表三沖量控制，紅線代表雙沖量控制，藍(lán)綠線代表單沖量控制，由圖中看出單沖量控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后，且水位出現(xiàn)了“虛假水位”現(xiàn)象，雙沖量控制其超調(diào)量過大，當(dāng)給水系統(tǒng)發(fā)生改變時(shí)，其響應(yīng)也滯后。由圖可知，三沖量控制系統(tǒng)控制效果最好。6.3爐膛負(fù)壓控制仿真爐膛負(fù)壓控制采用前饋PID控制，爐膛負(fù)壓系統(tǒng)在進(jìn)行仿真過程中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為爐膛負(fù)壓模型傳遞函數(shù)為G,。=危，送風(fēng)干擾通道傳遞函數(shù)為建立仿真框圖如下圖6.3爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)仿真框圖設(shè)定PID控制器參數(shù)如下：Kp=8,Ti=0.3,Td=30，得到仿真結(jié)果如下圖所示圖6.4爐膛負(fù)壓控制仿真結(jié)果仿真結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)，時(shí)間常數(shù)小，有很好的控制效果。6.4最優(yōu)風(fēng)煤比控制仿真根據(jù)溫度串級(jí)控制框圖，假設(shè)風(fēng)煤比K廣100，鼓風(fēng)機(jī)傳遞函數(shù)為G&。=布%，風(fēng)量測(cè)量變送器的比例系數(shù)為0.3,煤漿機(jī)傳遞函數(shù)為G(s)=以二1，煤漿量測(cè)量變送器的比例系數(shù)為0.4,鍋爐對(duì)象的傳遞函數(shù)為G(s)=京'，溫度測(cè)量變送器的比例系數(shù)為0.6。建立仿真框圖為：

pP i圖pP i圖6.5溫度串級(jí)控制仿真框圖在該控制中，由于微分信號(hào)引入了高頻干擾，因此，主控制器沒有微分項(xiàng)，主控制器參數(shù)為K=5，T=0.15，Td=0，風(fēng)量