燃烧过程控制系统

1、东 北 大 学 研 究 生 考 试 试 卷 考试科目： 计算机控制理论与设计 课程编号： 09601603 阅 卷 人： 关守平 考试日期： 2014.01.05 姓 名： 薛胜先 学 号： 1300978 注 意 事 项 1考 前 研 究 生 将 上 述 项 目 填 写 清 楚2字 迹 要 清 楚，保 持 卷 面 清 洁3交 卷 时 请 将 本 试 卷 和 题 签 一 起 上 交 东北大学研究生院燃烧过程控制系统摘要：本作业主要针对燃烧控制系统进行了仿真，首先简要介绍了燃烧控制系统的工作原理，然后对燃烧控制系统各个部分的PI调节器进行了参数整定，并对负压控制系统前馈进行了补偿整定，最后对燃烧

2、控制系统进行了仿真，其中包含了串级系统和前馈系统。关键词：燃烧控制系统，仿真，串级系统，前馈系统1引言在许多的工业生产过程中燃烧都是必要的一环，如氧化铝生产过程中的燃烧问题、硫化床生产过程的燃烧问题等。从燃料角度来说，燃烧过程有燃油、燃煤、燃气等区别。虽然燃烧应用场合和燃料各异，但对燃烧过程的控制都不外是燃料控制、温度控制、燃烧程度控制、安全性控制、节能控制等。在此，仅以燃油蒸汽锅炉为例说明燃烧系统中带有一定普遍性的控制问题。燃油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、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控制系统。2.基本理论2.1蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统图1. 燃烧炉蒸汽压

3、力控制和燃料空气比值控制系统的方案燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供其他生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，后续环节对蒸汽的生产用量不同，反映在燃油蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。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。燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统的方案如图1。2.2炉膛负压控制系统锅炉炉膛负压力

4、过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失、影响设各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，改变燃料和空气比值，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。如果负压波动不大，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，经常采用的控制方法如图2所示。图2.炉膛负压控制系统框图由图2可以看出，该方案中以负压为控制目标，用引风量构成控制闭环，利用前馈控制消除送风量变动对负压的影响。3.仿真 燃烧过程的仿真和其他仿真过程一样由系统辨识、稳定性分析、控制策略选择、参数整定和系统仿真等内容

5、组成。某锅炉燃烧系统要求对系统进行蒸汽控制。采用燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统，并辅以炉膛负压控制的方案，控制系统简图如图3所示。3.1建立数学模型(1) 建立燃料炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统数学模型燃料流量被控对象： 燃料流量至蒸汽压力关系约为：蒸汽压力至燃料流量关系约为：蒸汽压力检测变换系统数学模型：燃料流量检测变换系统数学模型：燃料流量与控制流量比值：空气流量被控对象： (2) 建立炉膛负压控制系统数学模型引风量与负压关系：送风量对负压的干扰：图3.控制系统框图3.2 控制系统的整定(1) 燃料控制系统参数整定为使系统无静差，燃料流量调节器采用PI形式。即：其中，参数K

6、P和KI采用稳定边界法整定。先让KI=0，调整KP使系统等幅震荡（系统被控对象在KP=3.72附近时系统震荡），即系统处于临界稳定状态。系统临界震荡仿真框图及其震荡响应如图4(a)和图4(b)所示。(a) 系统临界振荡仿真框图(b) 系统临界振荡响应图4.系统临界振荡仿真框图及其振荡响应记录此时的振荡周期Tcr=11s和比例系数Kcr=3.8。则KP=Kcr/2.2=1.73，KI=KP/(0.85Tcr)=0.18。在KP=1.73，KI=0.18基础上，对PI参数进一步整定后，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如图5(a)所示。调节KP=1.1，KI=0.1时，系统响应如图5(b)

7、所示，可见系统有大约10%的超调量。(a) 燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图(b) 燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应图5.燃料流量闭环控制系统参数整定(2) 蒸汽压力控制系统参数整定(a) 蒸汽压力控制系统参数整定框图(b) 蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果图6. 蒸汽压力控制系统参数整定仿真在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定蒸汽压力控制系统参数。系统整定仿真框图如图6(a)所示。当KP=1，KI=0时(此时相当于无调节器，此时系统最简单)，仿真结果如图6(b)所示，上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。由仿真结果图6(b)可以看出，系统响应超调量大约50%。此时

8、系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定性都较好。(3) 空气流量控制系统参数整定空气流量控制参数整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，此处不详细说明。当KP=0.08，KI=0.05时，系统阶跃响应如图7所示，可见系统响应超调量大约25%。图7.整定后空气流量控制系统阶跃响应(4) 负压控制系统参数整定图8.整定后负压控制系统阶跃响应(a) 燃烧炉控制系统仿真框图(b) 燃烧炉控制系统仿真结果图9.燃烧炉控制系统仿真负压控制系统参数的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，此处不详细说明。当KP=0.03，KI=0.05时，系统阶跃响应如图8所示，可见系统响应超调量大约50%。(5) 负

9、压控制系统前馈补偿整定采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为： 3.3 控制系统Simulink仿真 利用各整定参数对控制系统仿真，其框图如图9(a)所示。假定蒸汽压力设定值为10，炉膛负压设定值为5。仿真结果如图9(b)所示。由仿真图可以看出，空气流量波形大约有34%的超调量，但之后趋于稳定，稳定在30。实际蒸汽变动波形大约有50%的超调量，但之后趋于稳定，稳定在给定量10。负压变化波形实际蒸汽变动波形大约有50%的超调量，但之后趋于稳定，稳定在给定量5。总体来说，虽然系统的超调量比较大，但由于系统负反馈闭环和前馈补偿的作用，系统可以稳定工作。图10为燃烧炉控制系统加干扰的仿真框图与仿真结果。(a) 燃烧炉控制系统仿真框图(b) 燃烧炉控制系统仿真结果图10.燃烧炉控制系统仿真由图10可以看出，系统受到干扰后，空气流量波形、实际蒸汽变动波形和负压变化波形也能在一定时间后趋于稳定，可见由于系统负反馈闭环和前馈补偿的作用，系统还有一定