燃煤锅炉燃料与空气的比值控制系统Simulink仿真.docx

课程设计锅炉燃烧过程中空燃比的控制系统与Simulink仿真作 者:张卫东学 号：1302034220学院(系):机械与动力工程学院专 业:机械电子工程指导教师:张纪平 博士评阅人:张纪平 博士 2016年6月锅炉燃烧过程中空燃比的控制系统与Simulink仿真摘 要燃煤锅炉是发电、化工、炼油等工业生产和集中供热过程中重要的动力设备，锅炉能耗巨大，控制锅炉燃烧在最佳工况和节能具有重要的经济效益。经过对燃煤锅炉燃烧过程的认真分析后，制定了相应的控制方案。并针对锅炉燃烧过程中空燃比的控制系统做了详细的动态分析，在参考了一些相关的硕博论文及书籍后，得到了它的动态特性，接着建立了该系统的近似微分方程模型，进而找到了它的传递函数，经过bode图分析后，确定该系统稳定。为了优化该系统，我们加入了PID控制对其进行优化，经过多次调节、Simulink仿真后得到了满意的仿真结果。最后，我们选用了三菱FX2系列的PLC控制器实现对锅炉燃烧的智能控制。关键词：燃煤锅炉，空燃比，传递函数，PID优化，PLC控制器目录一、引言1二、锅炉的选择11、产品介绍12、锅炉外观13、性能优势：14、技术参数：1三、燃烧过程控制系统的基本理论21、蒸汽压力控制系统和空燃比控制系统22、炉膛负压控制系统23、控制方案34、燃烧过程控制任务3四、燃烧系统调节对象的特性41、锅炉燃烧的动态特性52、气压被控对象的生产流程及环节划分53、床温被控对象的近似传递函数5五、传递函数的理论基础51、部分典型环节的传递函数62、系统的传递函数6六、锅炉各环节的传递函数及其参数确定71、燃料流量被控对象的传递函数为：82、燃料流量至蒸汽压力关系为：83、燃料流量检测变换系统数学模型为：84、燃料流量与控制流量比值为：85、空气流量被控对象为:86、炉膛负压控制引风量与负压关系：87、送风量对负压的干扰：9七、系统的相对稳定性分析9八、PID控制算法的理论基础及调节方法121、PID控制方式122、PID参数的整定123、KP、KI、KD对系统控制过程的影响124、PID参数整定-Simulink环境下PID参数的稳定边界法整定13九、燃料流量与空气流量控制系统Simulink仿真14十、PLC控制器的选择181、PLC控制器的系统原理框图182、PLC机型的选择及各硬件性能指标分析183、三菱FX2系列PLC18参考文献19一、 引言燃煤锅炉是发电、化工、炼油等工业生产和集中供热过程中重要的动力设备，锅炉能耗巨大，控制锅炉燃烧在最佳工况和节能具有重要的经济效益。目前，国内除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术外，一般的小型锅炉仍在使用仪表、继电器作为主要的控制手段，人为参与过多、工作条件差、劳动强度高、锅炉的热效率低、资源浪费和污染严重。针对上述特点和不足，我们对锅炉燃烧过程中空燃比的影响因素进行了研究，设计了一种控制与维护方便、燃煤热效率有所提高的自动控制系统，并利用Simulink仿真工具箱进行了仿真实验。二、 锅炉的选择锅炉种类繁多，我们经过多次筛选，最终选中了郑州锅炉股份有限公司的DZL系列快装链条炉排锅炉作为我们此次的研究对象。1、 产品介绍郑锅DZL系列快装链条炉排锅炉是郑州锅炉股份有限公司，根据广大消费者的需求、集同类产品之长精心设计而成。具有可靠性高、热效率高及较强的超负荷能力等优点，是国内同类产品的最佳设计产品。2、 锅炉外观图 2.1 DZL系列快装链条炉排锅炉3、 性能优势：避免了鼓包缺陷、有利于劣质煤燃烧、防止炉排漏风、避免产生管板裂纹。4、 技术参数：表 2.1 DZL型链条炉排燃煤锅炉（部分）型号规格额定蒸发量(t/h)额定蒸汽压力(MPa)额定蒸汽温度()给水温度()设计燃料DZL4-1.25-W41.2519420类无烟煤DZL4-1.6-A41.6204类烟煤DZL6-1.25-A61.25194类烟煤DZL6-1.6-A61.6204类烟煤经过比较，选取DZL6-1.25-A型号的锅炉，额定蒸发量6(t/h)，额定蒸汽压力1.25(MPa)，额定蒸汽温度194()，给水温度20()，设计燃料：类烟煤。三、 燃烧过程控制系统的基本理论燃煤锅炉的燃烧控制主要由三个子系统构成：蒸汽压力控制系统、空燃比控制系统和炉膛负压控制系统，而空燃比控制系统是我们本次研究与Simulink仿真的重点。1、 蒸汽压力控制系统和空燃比控制系统燃煤蒸汽锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供应其他生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，随着后续环节的生产用量不同，反应在燃煤蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。维持蒸汽压力恒定是保证生产正常进行的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃烧产生的热量，而燃烧产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以及适当比例的助燃空气实现的。因此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据后续环节的生产用量情况确定；燃料量是根据蒸汽压力确定的；空气供应量根据空气量与燃料量的合理比值确定。蒸汽压力控制系统和空燃比控制系统的仿真框图如图3.1。2、 炉膛负压控制系统锅炉炉膛负压力过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失、影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空燃比，增加燃料损失、热量损失和降低热效率。保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果蒸汽压力波动波动不大，调节引风量即可实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会较大，此时，经常采用的控制方案如图3.2所示。图 3.1 蒸汽压力控制和空燃比控制系统的仿真框图图 3.2 炉膛负压控制系统的仿真框图3、 控制方案我们研究的是锅炉燃烧系统中空燃比的控制系统，采用燃烧炉蒸汽压力控制和空燃比控制系统，并辅以炉膛负压控制的方案5，控制系统框图如图3.3所示。4、 燃烧过程控制任务燃烧过程自动调节系统的选择，虽然与燃料的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联接方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程调节系统有三大任务。第一个任务是维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量，以维持汽压恒定5。第二个任务是保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性，还有利于节约能源。第三个任务是调节引风量与送风量。当燃料量改变时，必须使引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。因此，对于一台锅炉，燃烧过程的这三项调节任务是不可分隔的，对调节系统设计时应加以注意。图 3.3 控制系统总框图四、 燃烧系统调节对象的特性锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是：既要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。为了达到上述目的，燃烧过程的控制系统应包括三个调节任务：即维持汽压、保证最佳空燃比和保证炉膛负压不变。与此相对应的，应有三个控制回路分别调节燃料量、送风量和引风量，从而构成了多参数的燃烧过程控制系统。为了能正确地设计控制系统，应先了解对象的动态特性。1、 锅炉燃烧的动态特性锅炉的燃烧过程是一个能量转换、传递的过程，即利用燃料燃烧的热量产生用汽设备所需蒸汽的过程。主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的一个标志。因此，要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性3。2、 气压被控对象的生产流程及环节划分锅炉汽包压力是燃烧过程控制的主要被控量，分析燃烧过程对象的动态特性，是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。工质(水)通过炉膛吸收了燃料燃烧发出的热量，不断升温，直到产生饱和蒸汽汇集于汽包内，最后经过过热器成为过热蒸汽，输送到用汽设备作功。在锅炉运行中，当燃料量发生变化时，送风量与引风量应同时协调变化，这时的燃料量的变化，表示锅炉燃烧率的变化，的变化与燃烧率的变化（相当于的变化）成正比。3、 床温被控对象的近似传递函数根据给煤量的阶跃扰动响应曲线3，求得床温被控对象的近似传递函数为：式中：为燃料量，为延时环节，、为常数。 燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理过程，燃料量改变后，首先需要经过一定的吸热、燃烧、放热时间，而后将热量传给受热面的金属管壁（辐射传热和对流传热同时进行），然后将热量传给锅炉的汽水容积。五、 传递函数的理论基础不同的自动控制系统，其物理结构不同，但从系统的数学模型来看，一般可将自动控制系统看作由若干个典型环节（比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节以及延时环节等）组成，研究和掌握这些典型的特性有助于对系统性能的研究1。1、 部分典型环节的传递函数1) 比例环节比例环节的微分方程为：，（为放大倍数），对比例环节的微分方程进行拉普拉斯变换，得：。因此，比例环节的传递函数为：2) 惯性环节惯性环节因含有储能元件，故对突变的输入信号不能立即响应，其运动方程的微分方程为：其中，为时间常数，为惯性环节增益。那么传递函数则为3) 延时环节延时环节（或称迟延环节）是输出滞后输入时间，但不失真地反映输入环节。延时环节的输入与输出之间有如下关系：延时环节也是线性环节，它符合叠加原理。可得延时环节的传递函数为：2、 系统的传递函数传递函数（transfer function）是经典控制理论中对线性系统进行研究、分析与综合的数学工具。对标准形式的微分方程进行Laplace变换，可将其化为代数方程，如果在此基础上前进一步，将此代数方程右端变量的算子除以左端变量的算子，则可获得传递函数1。设有线性定常系统，若输入为，输出为，则系统微分方程的一般形式为：在系统的初始状态或初态为0时，线性定常系统、环节或元件的输出的Laplace变换与输入的Laplace变换之比，称为该系统、环节或元件的传递函数。由此可得： 则 六、 锅炉各环节的传递函数及其参数确定传递函数参数的确定过程中，我们参考了沈阳东源热力公司(其主要用户是蒙牛集团沈阳分公司)的1台35t/h链条燃煤锅炉7。它的设计依据主要为沈阳东源热力公司35t/h蒸汽锅炉配电、自控仪表修改方案书，主要技术指标及功能：1) 保证锅炉汽包水位维持在设定值的-45mm45mm范围内波动；2) 保证锅炉实现经济燃烧，运行过程中不出现冒黑烟现象；3) 维持蒸汽压力在1.21.3Mpa，保证蒙牛集团的用汽需求，并且在运行过程中，炉排调节平缓，防止炉链因突然加速而断裂；然后，根据我们选择的郑锅DZL系列快装链条炉排锅炉，以及它的燃烧控制系统控制的要求和主要技术指标及要求，经过参考一些论文7和书籍，我们得到了系统中各环节的近似动态微分方程1。但是还有一种更好的方法，来获得系统中各环节的微分方程：给系统一个阶跃输入，然后测试系统的阶跃响应曲线，经过滤波处理及频率响应特性分析后，就可以更精确的得到系统的传递函数，由于实验场地、实验条件等原因的限制，所以我们只能参考其他人的研究成果，来近似的到各系统的传递函数。1、 燃料流量被控对象的传递函数为：燃料流量被控对象的微分方程为： 由此可得燃料流量被控对象的传递函数为： 2、 燃料流量至蒸汽压力关系为： 3、 燃料流量检测变换系统数学模型为： 4、 燃料流量与控制流量比值为： 5、 空气流量被控对象为: 空气流量被控对象的微分方程为： 由此可得空气流量被控对象的传递函数为： 6、 炉膛负压控制引风量与负压关系：炉膛负压控制风量与负压关系的微分方程为： 由此可得炉膛负压控制引风量与负压关系的传递函数为： 7、 送风量对负压的干扰：送风量对负压干扰的微分方程为： 由此可得送风量对负压干扰的传递函数为： 七、 系统的相对稳定性分析从Nyquist稳定判据可推知：若系统开环传递函数在平面的右半平面的极点数P=0，则闭环系挺稳定，且当开环Nyquist轨迹离点越远，则其闭环系统的稳定性越高；开环Nyquist轨迹离点越近，则其闭环系统的稳定性越低1。这便是通常所说的系统的相对稳定性，它通过对点的靠近程度来表征，其定量表示为相位裕度和幅值裕度。1) 燃料流量控制系统燃料流量被控对象的传递函数为： MATLAB 程序2：G_Fuel=tf(2,12,1,inputdelay,3);margin(G_Fuel);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_Fuel)经Simulink仿真，由图7.1可知无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕度为10.8dB，相位稳定裕度为95.2dB，对应增益为3.4673。2) 空气流量控制系统空气流量被控对象的传递函数为： MATLAB 程序：G_Air=tf(2,10,1,inputdelay,2);margin(G_Air);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_Air)经Simulink仿真，由图7.2可知无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕度为12.6dB，相位稳定裕度为100dB，对应增益为4.2512。3) 负压控制系统引风量与负压关系的传递函数为： MATLAB 程序：G_LeAir_NegPres=tf(6,5,1,inputdelay,1);margin(G_LeAir_NegPres);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_LeAir_NegPres)经Simulink仿真，由图7.3可知无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕度为3.03dB，相位稳定裕度为31.8dB，对应增益为1.4171。图 7.1 燃料被控对象Bode 图图 7.2 空燃比被控对象的bode图图 7.3 负压控制系统的bode图八、 PID控制算法的理论基础及调节方法1、 PID控制方式目前，PID控制应用最广，这不仅仅是因为PID控制结构简单、易于实现，而且更重要的是因为PID适合于大多数控制对象。采用不同的PID参数，控制系统的效果大不相同，系统的闭环特性很大程度上取决于PID控制器的性能，因此控制器参数的调节和优化决定着PID控制系统最终能达到的控制性能，是PID控制系统研究中十分重要并有实践意义的领域。2、 PID参数的整定所谓PID参数的整定，就是选择合适的比例系数、积分时间常数和微分时间，使自动调节系统工作在最佳的状态。PID参数的整定方法主要有：理论建模法、工程整定法。在典型工业应用中，通常选择工程整定的方法。该方法不需要获得调节对象的准确动态特性，直接在闭合的调节回路中进行整定，方法简单、计算方便、容易掌握，适合在工程实际中应用。控制工程中常用的工程整定方法有稳定边界法、4：1衰减法、鲁棒PID参数整定法和ISTE(Integral Squared Timeweighted Errors)最优参数整定法。4种方法中，稳定边界法简单方便、容易掌握6。3、 KP、KI、KD对系统控制过程的影响一般地增大比例系数将加快系统的响应速度，在有静差系统中有利于减小静差，但加大比例系数能减小静差，却不能从根本上消除静差。而且过大的比例系数会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调节时间加长，并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。比例系数太小，又会使系统的动作迟缓。增大积分时间常数(积分变弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。微分控制可改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。但应当注意，微分时间常数偏大或偏小时，系统的超调量仍然较大，调节时间仍然较长，只有合适的微分时间常数，才能获得比较满意的过渡过程。此外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。总之，比例主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”；积分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；微分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“快”。4、 PID参数整定-Simulink环境下PID参数的稳定边界法整定过程控制系统中常用的PID校正装置传递函数为 其中、分别是比例系数、积分系数、微分系数。表 8.1 稳定边界法参数整定的计算公式调节规律整定参数使用稳定边界法整定PID参数分为以下几步。1) 将积分系数和微分系数设为0，置较小的值，使系统投入稳定运行。2) 逐渐增大比例系数，直到系统出现稳定震荡，即所谓临界振荡状态。记录此时的临界振荡增益和临界振荡周期。3) 按照表8.1的经验公式和校正装置类型整定相应的PID参数，然后再进行仿真校验。九、 燃料流量与空气流量控制系统Simulink仿真首先，在Matlab的Simulink工具箱中，我们建立了燃料流量与空气流量控制系统的仿真框图2如图9.1，在图中我们可以看出，它主要是由燃料流量控制系统和空气流量控制系统组成，并包含了3个PID调节器，其中把蒸汽压力的变化作为输入，输出为经过PID调节后的蒸汽压力。图 9.1燃料流量与空气流量控制系统的仿真框图 对于PID的调节，我们使用稳定边界法，先让=0，调整使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。参考表8.1的公式，经过多次试验后，最终调节的PID值见表9.1：表 9.1 调节后的PID参数KPKIKDPID蒸汽压力调节器10.110.02PID调节10.90.080.05PID调节20.950.150.01燃料流量控制系统和空气流量控制系统组成的蒸汽压力控制系统，该系统的阶跃输入曲线见图9.2；该系统的阶跃响应曲线见图9.3，由该图可以看出，系统的调整时间大约为60s，也就是1分钟左右；由图9.4，可知该系统约有2.4%的超调量，也就是说：我们所选的锅炉在调整过程中的最大蒸汽压力约为：。图 9.2系统的阶跃输入 图 9.3 系统的阶跃响应图 9.4 系统的阶跃响应（超调量放大）接下来就是燃料流量控制系统和空气流量控制系统的响应。首先，让我们看一下系统中的燃料流量控制系统的响应。图 9.5 系统中的燃料流量响应图 9.6 系统中的燃料流量响应（超调量放大）系统中的燃料流量响应见图9.5，由该图可以看出，系统的调整时间大约也为60s，也就是1分钟左右；由图9.6，可知该系统约有2.1%的超调量。 下面就是系统中空气流量控制系统的响应图 9.7 系统中的空气流量响应图 9.8 系统中的空气流量响应（超调量放大）系统中的空气流量响应见图9.7，由该图可以看出，系统的调整时间大约也为60s，也就是1分钟左右；由图9.8，可知该系统约有0.58%的超调量。从这次仿真中，我们可以看出，燃料流量控制系统和空气流量控制系统是相互影响、相互制约的，系统只有工作在合理的空燃比范围内，才能更好的节约能源、实现燃料更好的燃烧，进而能够很好地调节蒸气压力的输出。从中，我们可以看到使用PID调节器能够较好的实现对蒸汽压力控制系统的优化。十、 PLC控制器的选择1、 PLC控制器的系统原理框图我们采用PLC控制器实现系统的功能，系统原理框图如图10.1所示4。图 10.1 燃煤锅炉系统原理框图2、 PLC机型的选择及各硬件性能指标分析可编程序控制器的类型，可编程序控制器按结构可分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场和控制室安装两类：按CPU的字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等4。输入输出模块的选择，输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号供电方式等应用要求。电源的选择，