循环流化床锅炉炉膛负压模糊PID控制系统的设计

循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计摘要近些年来，随着我国社会经济的发展，也越来越重视节能减排的环节。在火力发电方面，循环流化床锅炉已经成为了主流机组。为了响应号召，进一步实现生产环节的节能减排，在循环流化床锅炉方面，必须对相关子系统原有的控制策略进行优化和改进。本文主要研究的对象是循环流化床锅炉炉膛负压，炉膛压力是一个时变、非线性且有滞后的控制对象，传统的模糊控制和常规的 PID 控制方法都存在一定的缺陷，始终无法较好的实现控制。因此，本文采取传统的模糊控制与常规PID 控制相结合的方法，综合各自的优点，实现对炉膛负压的模糊 PID 控制。再利用 MATLAB 对系统进行仿真，通过与常规 PID 控制器的对比，体现出了模糊 PID 控制响应速度快稳定性好、抗干扰能力强、鲁棒性好等优点，达到了预期的控制效果。可见把模糊控制与 PID 控制融合在一起，形成的模糊 PID控制具有其优秀的控制品质，将来不仅运用在炉膛负压的控制上，在其他方面同样具有很大的研究价值和应用推广前景。关键词：循环流化床锅炉；炉膛负压；模糊 PID；MATLAB 仿真循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER FURNACE NEGATIVE PRESSURE FUZZY PID CONTROLSYSTEM DESIGNABSTRACTIn recent years, with the development of our social economy, more and more emphasis on energy conservation and emissions reduction. In terms of thermal power, has become the mainstream of circulating fluidized bed boiler unit. In order to response to a call for further implementation of production, energy saving and emission reduction in circulating fluidized bed boiler, related subsystems must be the original control strategy is optimized and improved.The main object of this study is circulating fluidized bed boiler furnace pressure, furnace pressure is a time-varying, nonlinear and hysteresis control object, the traditional fuzzy control and conventional PID control methods have some shortcomings, still can not compared with achieve good control. Therefore, we take the traditional fuzzy control and conventional PID control method of combining integrated their respective advantages, fuzzy PID control furnace pressure. Then the system simulation using MATLAB, by comparison with conventional PID controllers, reflecting the advantages of fuzzy PID control, fast response, good stability, strong anti-interference ability and good robustness to achieve the desired control effect.KEY WORDS: Circulating fluidized bed boiler; The boiler furnace negative pressure control; Fuzzy PID; The MATLAB simulation循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计目 录1 绪论 .11.1 课题背景与意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本文研究的主要内容 .32 循环流化床锅炉系统概述 .42.1 循环流化床锅炉系统简介 .42.2 循环流化床锅炉工作原理 .42.3 循环流化床锅炉的优点 .52.4 循环流化床锅炉燃烧特点 .63 炉膛负压控制方案 .83.1 炉膛压力控制系统 .83.2 炉膛负压动态特性 .83.3 炉膛负压模糊 PID 控制方案 .93.4 炉膛负压系统建模 .104 模糊 PID 控制系统设计 .124.1 模糊控制 .124.1.1 模糊控制器的基本组成 .124.1.2 模糊控制基本原理 .134.2 PID 控制理论 .144.2.1 PID 控制基本原理 .144.2.2 PID 控制算法 .164.2.3 PID 参数整定 .164.3 模糊 PID 控制 .174.3.1 模糊 PID 基本结构 .174.3.2 模糊 PID 控制基本原理 .18循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计4.3.3 模糊 PID 控制设计 .185 仿真研究 .245.1 仿真系统 .245.1.1 MATLAB 简介 .245.1.2 Simulink 简介 .245.2 仿真比较 .255.3 仿真比较 .295.3.1 常规比较 .295.3.2 抗干扰性能比较 .306 总结 .33参考文献 .34致谢 .37循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计第 0 页 共 37 页1 绪论1.1 课题背景与意义随着火力发电厂的综合性能与复杂程度越来越高，锅炉作为三大系统之一，也向着容量大、参数高、经济性强、自动化水平高的方向在发展。循环流化床锅炉以其高效、清洁燃烧低污染，脱硫脱硝效果好，易于实现灰渣综合利用，负荷调节性能强，燃料适应性广等优点成为了国内外推崇的新一代锅炉，自问世以来，在国内外得到了迅速的推广与发展。循环流化床锅炉的主要作用是将燃料的化学能转变为热能，通过热能加热的水使之成为具有足够数量和一定质量的蒸汽，并供汽轮机使用。在循环流化床锅炉燃烧系统中，锅炉炉膛负压控制作为锅炉的一部分是极其重要的。锅炉炉膛负压，即是指炉膛顶部烟气的压力。锅炉炉膛负压反映了燃烧工况是否稳定，在循环流化床燃烧系统中是非常重要的参数。如果炉膛内燃烧工况发生了变化，炉膛负压也会发生相应变化，一旦超出正常范围值便会影响锅炉的安全，经济运行。监视和控制炉膛负压对于分析炉膛的燃烧工况、以及保证锅炉燃烧系统的稳定与对整个电厂的安全运行都有着极其重要的意义。在实际过程中，循环流化床锅炉的负压控制在燃烧变化过程中十分复杂，受影响的因素较多，同时燃烧与汽水也存在复杂的耦合关系，使得过程的非线性和滞后对象变得更加复杂，难于建立常规精确的数学模型，传统的控制方法往往达不到预期的效果，这样对控制就提出了更为严格的要求。1.2 国内外研究现状随着国内外的电力工业的不断发展，循环流化床锅炉在全世界得到了广泛应用， 循环流化床锅炉 CFB 虽然具有较其它传统类型锅炉更为优越的性能，但在其实用化和大型化的过程中还存在着许多急待解决的问题。循环流化床锅炉是一个分布参数、多变量、耦紧密非线性、时变的控制对象。在扰动存在的情况下，要保持炉膛负压在一定范围变化，需要时刻调节给煤量或送风量。给煤量的大小与负荷密切相关。如果调节送风量控制炉膛负压，会改变传热系数循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计第 1 页 共 37 页从而影响负荷。而由此造成汽包水位和过热蒸汽温度的发生变化从而影响蒸汽量影响锅炉安全性。给煤量和送风量的改变又会影响烟气含氧量、炉膛床温和料床高度影响其经济性等等。循环流化床锅炉燃烧自动控制系统的主要任务是在保证锅炉具有较高的燃烧效率、低污染环保以及安全运行的同时，能够尽快满足外界蒸汽负荷的需要，并且已达到较好的经济性。 现在已成为国际上众多机构和学者研究热点和重点，纷纷尝试着从经典控制、现代控制、先进控制理论等各个方面来研究循环流化床锅炉的自动控制系统（循环流化床锅炉炉膛负压控制），但效果并不是令人很满意。Kaya 在 1989 年介绍了以采用 Bailey Network 90 集散系统的流化床锅炉和循环流化床锅炉控制(包括负炉膛负压控制、床温控制、燃烧控制、主汽温度控制、污染控制等)的比较 1。其重点突出了多变量控制策略以实现锅炉在满足环保要求的前提下的最优性能,通过分析比较说明了先进的过程控制策略反馈、前馈、串级和解祸控制等比状态空间控制策略采用极点配置控制设计更能够足循环流化床锅炉的控制要求。但实际应用中却依然存在着参数整定麻烦，工况适应性差等相关问题。叶海文在 1997 年采用了分层控制的方法,它不但基本上继承了一般锅炉常规控制系统的全部策略,而且由基础控制完成循环流化床锅炉的大部分控制任务,由监控系统完成负荷控制、排污控制优化等高层次任务 2。优化了单一控制方法但也存在传统控制固有操作复杂的缺点。赵伟杰、张文震、冯晓露在 2007 年对循环流化床燃烧系统控制(包括炉膛负压控制) 解耦问题做了进一步研究，提出了神经元解耦方法。充分发挥了静态解耦的对角优势补偿作用，对燃烧过程起到很好的解耦作用 3。但对于结构复杂，维数较高的控制对象导致了控制难度大且效果一般。模糊控制系统是一种相对简单的控制系统。从提出到现在，在各个领域进行了大量实践运用，已经形成了系统化的理论。模糊控制摆脱了精确数学模型的束缚，开辟了一条新的工业过程控制的途径。模糊控制的最大优点就是不需要对被控对象建立精确的数学模型，而是根据人工积累的经验，然后通过调节控制量的大小，实行控制，便可得到一定精度的结果。模糊控制在许多方面都取得了不错的成果，但在有些领域也需要不断的去补充与完善。循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计第 2 页 共 37 页PID 控制系统具有良好的稳态特性,并且算法简单，在大多数的控制系统中效果不错，但其速度与超调量之间不可调和的矛盾始终难以满足高标准的技术要求。同时,对于一些具有固定参数的控制器来说,当被控对象模型由于某些原因产生剧烈的参数变化时,原有确定的控制器参数通常难以维持系统的控制品质,要确定最优控制器的控制参数变得十分困难。因此，PID 控制具有相当明显的优点，但在某些方面也存在着一定的问题，需要去解决。到目前为止，传统控制方法始终无法发挥其自身的优越性，难以建立循环流化床锅炉炉膛的精确数学模型。另一方面模糊控制在设计系统时不需要建立被控对象的精确数学模型，它只需要通过总结、归纳前人的经验而建立，并且算法简单、有较强的鲁棒性、消除稳态误差，模糊控制技术经过多年发展得到了长足的发展；PID 控制技术不断完善并应用，能够克服传统控制系统的控制缺陷，将上述两项技术相结合的自动控制技术应用于火电厂锅炉炉膛负压控制系统中，将能有效地提高火电厂的控制效果，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。1.3 本文研究的主要内容本课题主要以循环流化床锅炉炉膛负压控制特性为切入点， 研究如何通过模糊 PID 控制方法解决炉膛负压控制的问题。介绍循环流化床锅炉的燃烧系统的原理及工艺；然后提出模糊 PID 控制方法，针对锅炉炉膛负压控制系统中的特性，利用模糊 PID 控制算法， 设计出循环流化床锅炉炉膛负压合理的 PID 控制方案， 从而使锅炉炉膛负压能够满足锅炉燃烧控制系统的控制要求；通过 MATLAB 仿真建立控制系统方案仿真模型，并从快速性、稳定性、鲁棒性、适应性、抗内扰能力上与常规 PID 控制进行比较，从整体控制效果来看，比常规的 PID 控制和常规的模糊控制的效果要好得多。循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计第 3 页 共 37 页2 循环流化床锅炉系统概述2.1 循环流化床锅炉系统简介循环流化床锅炉是一种高效、节能的环保型锅炉。一经问世，在国内外迅速得到了推广和发展。循环流化床锅炉在结构和运行方式上与常规煤粉锅炉相比有着显著的差异，同时在燃烧控制调节方式上也存在有许多不同之处。由于循环流化床锅炉自身的工艺特点（对热工参数的特殊要求）使得控制难度更大，要求更高。 循环流化床锅炉是由鼓泡床锅炉（沸腾炉）的基础上演变而来的，与鼓泡床锅炉（沸腾炉）有许多相似的地方，继承了鼓泡床锅炉鼓泡床和快速床等优点。循环流化床锅炉由流化床燃烧室（炉膛）、循环灰分离器、飞灰回送装置、锅炉受热面和一些辅助设备构成。循环流化床锅炉系统主要包括燃烧系统和汽水系统两大系统，燃烧系统通过锅炉燃料燃烧完成燃烧转变为烟气的热能，以加热工质水；汽水系统的功能则是通过锅炉的受热面吸收烟气的热能，完成由水转变为饱和蒸汽，再转变为过热蒸汽的过程，送到汽轮机系统。2.2 循环流化床锅炉工作原理循环流化床的基本工作原理是燃料在流化状态下燃烧。一般煤粉颗粒分为细小颗粒与粗重颗粒，细小煤粉颗粒在锅炉燃烧室的上部燃烧，粗重颗粒在下部燃烧，流化床炉底部是含有多孔的布风板，空气经送风机高速的穿过孔洞，快速进入布风板的床料层里，床料层内部分布着不同的煤粉颗粒与穿过的高速空气充分接触，上下翻滚，形成一种“沸腾”的状态。燃料在形成“沸腾”的过程与空气有良好的接触，燃料着火点低，燃烧速度快，燃料的燃尽度高,一般性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达到 98 99以上 4。床内还装置了以水和蒸汽的冷却介质的埋管，使床层温度控制在 800-1000范围内。烟气中的大部分固体颗粒经高温过热器、低温过热器、到旋风分离器，到达在炉膛出口处时，利用各种分离器将烟气中的大部分固体颗粒分离，再回到炉膛密相区反复循环的燃烧，提高燃烧效率、减轻环境污染。循环流化床锅炉炉膛负压模糊 PID 控制系统的设计第 4 页 共 37 页2.3 循环流化床锅炉的优点循环流化床锅炉技术越来越得到广泛的应用，现在国内外大型、超大型的火力发电厂锅炉基本上都是采用的循环流化床锅炉，并且经过运行实践，得到了很好的验证。循环流化床锅炉之所以能够被火力发电厂采纳运用，与它自身独特的优势是离不开的。循环流化床锅炉具有以下优点：(1) 燃料适应性广：这是循环流化床锅炉的主要优点之一，循环流化床锅炉既燃用各种传统的燃料，又可以传统锅炉难以燃烧的石煤、泥煤、低热值无烟煤、油页岩以及工农业废料等劣质燃料 5。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的 13%，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。由于床内混合剧烈，把煤料加热到很低的着火温度便开始燃烧。在这个加热过程中，床层温度影响很小，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，着火容易，处理简单；(2) 燃烧效率高：循环流化床气具有固混合良好; 燃烧速率高等特点，燃料在炉膛内经过反复燃烧，停留时间长，并且炉内紊流运动非常强烈，因此其具有很高的燃烧效率。循环流化床相较于一般锅炉燃烧效率高达 98%99%以上，燃用较好煤种时燃烧效率与煤粉炉相同，燃用劣质煤时燃烧效率要远远高于煤粉炉燃烧效率；(3) 负荷调节范围大：循环流化床锅炉的负荷调节比可达 (34)：1，负荷调节速率也很快，一般可达每分钟 4%。循环流化床锅炉中物料循环量调节简单，当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，具有负荷调节性能和低负荷运行性能，能适应调峰机组的要求,负荷的调节范围大到 25%100%，负荷的连续变化速率可达 5%10%；(4) 脱硫效果好：循环流化床锅炉燃烧与一般锅炉燃烧相比脱硫优势明显，脱硫剂在烟道中多次循环，与烟气接触时