中南大学自动化工程训练-燃烧炉控制系统

1、中南大学自动化工程训练报告学生姓名：学 号：专业班级：指导教师：董密完成时间：2016.9目录第一章 绪论11.1 课题背景和意义11.2本课题的任务2第二章 燃烧过程系统概述32.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统52.2炉膛负压控制系统6第三章 系统辨识73.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制73.2炉膛负压控制7第四章 系统特性分析84.1燃料控制系统84.2负压控制系统84.3空气流量控制系统9第五章 锅炉燃烧控制系统设计及整定105.1燃料控制系统105.1.1 构建 simulink 模型105.1.2 利用PID Tunner设计燃料控制系统PID控制器105.1.3利用稳

2、定边界法整定PID参数135.1.4模块封装155.2蒸汽压力控制系统165.3空气流量控制系统175.4负压控制系统前馈补偿整定18第六章 控制系统仿真19第七章 心得体会20第一章 绪论1.1 课题背景和意义 燃烧过程在许多工业过程中都是必要的一环，如电厂锅炉的燃烧问题、流化床生产过程的燃烧问题等燃烧过程的控制是燃烧过程的重要环节，控制系统的性能直接关系到设备和工作人员的安全问题及节能问题，提高燃烧过程的自动控制水平，对当前技术改造和节能工作具有重要意义。过程控制系统是工业中控制系统的主要表现形式，一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为温度、压力、流量、液位、成分等变量的系统。锅炉的

3、燃烧过程就是典型的过程控制的一种例子。随着我国经济的快速发展,电力工业对自动化控制系统要求越来越高。在锅炉的燃烧过程控制中,全过程的自动化控制系统可保证送风量与给粉量的最优配比,使锅炉燃烧的过程始终维持在最佳工作点,实现经济性燃烧。锅炉燃烧优化控制系统的最终目的是在保持锅炉自身设备运行参数的情况下，使锅炉燃烧处于最佳运行工况，降低热量损失，提高热能效率，并通过运行人员在线实时的调整各项参数，来降低含碳量和再热器超温问题。锅炉燃烧优化控制系统传统采用正交试验获得优化的燃烧工况，主要是通过现场燃烧调整试验来进行，实际上试验工况的时间有限，锅炉的相关燃用煤种复杂多变，使得其原有的优化结果偏离其运行的

4、最优值。如果锅炉燃烧优化控制系统继续以此种方法运行锅炉，则给锅炉运行带来偏差。所以，锅炉燃烧优化控制系统须建立在锅炉的实际运行的基础上，进而建立锅炉燃烧控制系统的相似模型，然后通过控制方案的优化，保证锅炉燃烧效率的提高，针对不同负荷实时调整，最终实现锅炉燃烧控制系统的经济有效运行。 因此建立适应现代化的电站锅炉燃烧优化控制系统，使得锅炉燃烧过程在不同负荷、不同工况、不同扰动的条件下都能保证处于最佳状态，并且保证其经济型，使各项损失最小，进而对锅炉进行各项经济性和热损失的计算，使锅炉在不同负荷和内外存在扰动的时候仍然可以保证最优状态具有重要意义。当状态最佳时燃烧效率和煤耗率都处在最佳，进而能指导

5、锅炉运行经济稳定。1.2本课题的任务目前燃烧过程控制系统的研究受到许多人的关注。比如采用模糊自整定PID的控制方法，对锅炉的燃烧系统进行了控制规律的设计。还有些则针对锅炉燃烧系统多变量、强耦合、大时滞的复杂性，提出一种多变量时滞对象的控制方法，解决了在负荷变化时对象模型的参数不确定性。一部分人结合燃烧控制系统实际工程，提出了优化送、引风控制系统的方法，改善了控制系统质量。也可以对燃烧控制系统进行了仿真和性能分析，提出了蒸汽压力控制系统采用模糊自适应PID串级控制能增强系统的抗干扰能力。在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计

6、算机，对其进行进一步的分析与仿真，Simulink的出现极大地简化了控制系统分析与设计。它有两个主要功能：仿真和连接，即该软件可以利用鼠标在模型窗口上搭建出所需要的控制系统模型，然后对系统进行仿真和分析。所以在复杂系统的建模下，利用Simulink来模拟实际现场的状况，进行各种的事先调试能够加快实际成果的实现，并能在一定的程度上减小经济上的浪费。本课题主要是利用MATLAB工具箱对燃油锅炉燃烧过程控制系统进行仿真并对控制系统的性能进行分析，确保燃烧系统安全、经济地运行，为燃烧过程控制系统的分析、评估研究提供有效途径。第二章 燃烧过程系统概述锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加

7、热到一定的参数（2.45Mpa- 27MPa ，400-570），并对外输出热能的特种设备。锅炉控制的主要目的是调节锅炉出口的蒸汽压力、流量和温度，使其达到所希望的数值。为此，需要对燃料、空气和水三者的量进行调节。锅炉是一个复杂的系统，对锅炉工况造成影响的因素之一是来自外部和内部的扰动，如燃料发热量的变化或热力系统工况的变化等。控制器或控制系统根据锅炉出口蒸汽参数实际值偏离其设定值的大小和方向，调节燃料量、空气量和水量，使锅炉出口参数与其所希望的值相一致。燃烧过程的主要控制系统燃烧控制主要由蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统组成。锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供其他生产环节使用。一般生产过程中蒸

8、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，反映在燃油蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，说明负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量;蒸汽压力升高，表明负荷设备的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。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

9、控制量，可以根据生成情况确定，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。锅炉燃烧的过程包括：锅炉燃烧系统、蒸汽发生系统和蒸汽过热系统。(1)燃烧系统燃煤运到煤场后经煤斗落在炉排上，将煤带入炉膛燃烧同时释放出很大的热量，燃烧所需的空气则由送风机送入到煤燃烧层。其中的关键是风量和煤量应成比例以保证充分燃烧，及通过引风设备控制炉膛负压。图2.0 燃烧过程示意图1次风机；2送风机；3二次风箱；4给煤机；5磨煤机；6二次风挡板；7燃烧器；8炉膛；9汽包；10过热器；11再热器；12省煤器；13空气预热器；14引风机；15烟囱；B燃料量；V1一次风量；V2二次风量；G引风量。

10、(2)蒸汽发生系统及蒸汽过热系统对于烟气向水传热的过程，一般首先是由给水泵经过给水管道进入省煤器，并在同时沿下降管流入水冷壁，在其燃烧后其产生的烟气会受到引风机的引力向炉膛上方流向炉膛出口，并经过防渣管后冲刷蒸汽过热器，而且在管束间设置了折烟墙，再次的将热量传递给管束内的工质，并在沿途将降低温度的烟气送入尾部烟道和省煤器及预热器交换后排出锅炉。水的汽化过程主要包括水循环和汽水分离过程，在很大意义上讲它就是蒸汽的产生过程。锅炉工作时，汽水混合物因受热较弱，及自身的工质的容重较大；一般会位于高温区的水冷壁及对流管束，同时因受热强烈，容重小的工质则向上流入上锅筒，容重大的工质往下流入下锅筒进而形成水

11、的自然循环。水的自然循环使得锅炉中保证了水冷壁受热面得以冷却而不会烧坏，和锅炉安全可靠运行。同时锅炉燃烧的自动调节系统是多回路的调节系统，因此当锅炉受到扰动时，只有协调工作，使所有的被调量具有调节精度，所以这种调节也是相当的复杂，很难实现。如图所示：图2.0.1蒸汽发生系统及蒸汽过热系统2.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是为后续的生产环节提供稳定的压力。一般生产过程中蒸汽的控制是通过调节压力实现的，随着后续环节的蒸汽用量不同，会造成燃油蒸汽压力的波动，蒸汽压力的波动会给后续的生产造成不良的影响，因此，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

12、要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃料产生的热量，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，各个控制环节的关系如下：蒸汽压力是最终被控量，根据生成量确定；燃料量根据蒸汽压力确定；空气供应量根据空气量与燃料量的比值确定。 图2.1控制量示意图2.2炉膛负压控制系统炉膛压力控制系统是火力发电厂燃烧控制系统的一个重要组成部分，炉膛压力的稳定与否直接关系到机组运行的安全性与经济性。所谓炉膛负压：即指炉膛顶部的烟气压力。炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。当锅炉的燃烧系统发生

13、故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。大多数锅炉采用平衡通风方式，使炉内烟气压力低于外界大气压力，即炉内烟气负压，炉膛内烟气压力最高的部位是炉堂顶部。当炉负压过大时，漏风量增大，吸风机电耗，不完全燃烧损失、排烟热损失均增大。故应保持炉膛负压在正常范围内。 保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果负压波动不大，调节引风量即可以实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会很大，此时，经常采用的控制方法

14、为动态前馈-反馈控制。前馈控制的基本概念是测取进入控制过程的干扰信号，在炉膛负压控制系统中，由于蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量的波动会较大，所以通过测取引风量，就可以的到干扰信号，利用反应较快的动态前馈控制，就可以很好的减小干扰信号对系统的影响。将前馈与反馈有效的结合，运用前馈控制在扰动发生后，及时抑制由主要扰动引起的被控量所产生的偏差，同时运用反馈控制消除其余的扰动对负压的影响。图2.2 炉膛负压控制系统框图第三章 系统辨识3.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制燃料流量被控对象为：GS=114s+1e-4s燃料流量至蒸汽压力关系为：G(S)=6蒸汽压力至燃料流量关系为：G(s)=1

15、/6蒸汽压力检测变换系统数学模型为：G(s)=2燃料流量检测变换系统数学模型为：G(s)=6 燃料流量与控制流量比值为：G(s)=1/5 空气流量被控对象为：Gs=411s+1e-3s3.2炉膛负压控制引风量与负压关系：Gs=68s+1e-2s送风量与负压关系：Gs=17s+1第四章 系统特性分析4.1燃料控制系统燃料流量被控对象为：GS=114s+1e-4s将其转换成MATLAB程序：num = 1;den = 14 1;G=tf(num,den,InputDelay,4);Gp=pade(G,3);rlocus(Gp) 由根轨迹可知，当增益为小于56时，系统稳定，而该函数的增益为1，故对应

16、的闭环系统稳定。4.2负压控制系统引风量与负压关系：Gs=68s+1e-2s。MATLAB程序：num = 6;den = 8 1;G=tf(num,den,InputDelay,2);G_LeAir_NegPres =pade(G,3);rlocus(G_LeAir_NegPres)当增益为6时，对应的闭环特征方程的根位于负半轴，所以对应的闭环函数稳定。4.3空气流量控制系统空气流量被控对象为：Gs=411s+1e-3s。MATLAB程序：G_Air =tf(4,11 1,inputdelay,3);margin(G_Air);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_Air)Gm =1.6

17、 Pm =44幅值稳定裕量为和相位稳定裕量均大于零，故系统稳定。第五章 锅炉燃烧控制系统设计及整定5.1燃料控制系统5.1.1 构建 simulink 模型数学模型中的传递函数由TransferFcn模块、TransportDelay模块实现，PID控制器由Gain模块、Integrator模块实现。l Constant模块：设定Constantvalue为20，表示蒸汽压力的设定值。l Gain模块：双击模块，分别设置为1.15，0.1，1.0，0.15。分别代表燃料流量调节器Kp，燃料流量调节器Ki，空气流量调节器Kp，空气流量调节器Ki。l Sum模块：双击模块，在弹出的参数对话框中设定

18、Listofsigns。其中设定为，表示负反馈控制系统。l Uniform Random Number模块：双击模块，取默认值，表示系统受幅值为1的随机干扰。l TransferFcn模块：双击模块，在弹出的参数对话框中设定Numerator coefficient、Denominator cofficient。l TransferDelay模块：双击模块在弹出的对话框中设定TransportDelay中的Timedelay为3，表示燃料流量控制的延迟时间为3；设定TransportDelay1中的Timedelay为2，表示空气流量控制的延迟时间为2。5.1.2 利用PID Tunner设计

19、燃料控制系统PID控制器PID模块位于MATLAB SIMULINK的coutinuous库中，利用此模块，可以方便的按自己的要求整定PID的各种参数。在Controller下拉菜单中选择PI结构模式，Time-domain选项选择连续域模式。选择好模式之后，单击Apply，然后单击Tune按钮，PID Tuner会自动在系统默认的工作点处对模型进行线性化处理，设计出控制器的参数。在界面的下方，有用来调节系统响应时间的滚动条工具，通过滚动条可以调节系统的响应时间。 PID自动调节模块界面得到满意的响应曲线之后，单击Apply按钮，PID Tuner自动设计的参数就已经写入到了参数设置框中，如图

20、所示。图45 PID参数5.1.3利用稳定边界法整定PID参数首先使KI=0，调整KP使系统临界振荡，由BODE图知，单位负反馈时，KP= 6.1512附近系统振荡，则当负反馈系数为6时，KP=1.0252时，闭环系统振荡。利用稳定边界法整定PID三个参数。先选取较大的Kp，例如100，使系统出现不稳定的增幅振荡，然后采取折半取中的方法寻找临界增益，例如第一个点是Kp=50，如果仍未增幅振荡则选取下一点Kp=25，否则选取Kp=75。直到出现等幅振荡为止。截出相应的响应曲线图形系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图所示。此时Kcr=1.04按照稳定边界法计算PID参数。稳定边界法的计算公式如表1

21、所示。调节规律KpKiKdP0.5KpPI0.455Kp0.535Kp/TPID0.6Kp1.2Kp/T0.075Kp*T记录此时的振荡周期T=15s和比例系数Kcr=1.04，则有KP=0.455*Kcr=0.4732，KI=0.535KPT=0.0169。系统的响应如下图所示。PID Tunner和稳定边界法的对比5.1.4模块封装将燃料流量调节器、空气流量调节器模块封装起来，如图所示，选择要封装的模块，右击并选择Create Subsystem命令。封装会使模型简介，增强模型的可读性，封装后如下图所示。5.2蒸汽压力控制系统在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统。系统

22、整定仿真框图如图47所示，KP=1KI=0当，时（此时相当于无调节器，因此系统最简单）。仿真结果如图所示图5.2蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图图5.2.1蒸汽压力闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应5.3空气流量控制系统图5.3.0空气流量控制系统参数整定仿真框图图5.3.1空气流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应5.4负压控制系统前馈补偿整定由系统概述可知，利用动态前馈与反馈控制能使负压控制系统达到比较好的效果，反馈控制在燃料控制系统和空气流量控制系统中已经详细的论述与应用过了，在此就前馈控制做一下讨论。图5.4 前馈控制原理图在图412中实现部分为未引入控制措施前的控制框图，虚线部分为所

23、引入的控制部分。Gf(s)G3(s)为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数；Gd(s)为前馈调节器函数；G2(s)G3(s)为干扰源至系统输出的控制通道传递函数；G1(s)为给定环节传递函数。系统输出为：Y=XG1G2G3+M(GdG2+Gf)G3由上式可知，消除可测干扰M的影响，令M的系数为0，得Gd=-GfG2。因此，可以得到负压控制系统前馈补偿函数为：Gs=-8s+142s+6图5.4.1负压前馈反馈控制系统参数整定仿真框图第六章 控制系统仿真由之前各个步骤的仿真，最后搭建完整的系统Simulink仿真框图，同时为了模拟真正的工业控制环境，引入了幅值为-1至1的噪声干扰信号： 图6.0 燃烧炉控制系统仿真框图引入干扰信号之后，系统较好的抑制了干扰，曲线很漂亮的达到了稳定。示波器的波形由上至下一依次为：蒸汽压力设定值波形