锅炉控制系统设计仿真毕业论文

锅炉控制系统设计仿真摘要工业锅炉作为我国工业生产和集中供热的重要能源转换设备，能耗巨大，长期处在高能耗、高污染的生产状态。然而，目前我国大多数锅炉控制系统自动化不高、安全性低，效率普遍低于国家标准。锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一，提高锅炉控制水平已势在必行。本文针对锅炉系统参数时变、严重非线性、干扰因素复杂等特点，提出对汽包水位采用三冲量控制方式，对炉膛负压采用前馈PID控制，对最优风煤比采用双交叉限幅比值控制的控制策略。在MATLAB环境下对几种控制系统进行了仿真。仿真结果显示，三冲量控制、前馈PID和双交叉限幅比值控制具有良好的控制效果，减小了超调量，提高了上升时间，缩短了调节时间，与传统的PID控制器相比，更适合工业锅炉这种复杂的控制对象。关键词：锅炉三冲量控制前馈PID控制 双交叉限幅比值控制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章绪论 1\o"CurrentDocument"1.1选题背景及意义 1\o"CurrentDocument"1.2国内外锅炉的运行水平 1\o"CurrentDocument"1.3制约我国锅炉发展的因数 21.3.1大多数锅炉制造厂技术力量仍然薄弱 21.3.2燃料的因素 21.3.3工业锅炉的标准体系 21.3.4市场机制的影响及科研开发投入的不足 2\o"CurrentDocument"1.3本文研究的主要内容 2\o"CurrentDocument"第2章锅炉系统的控制任务 3\o"CurrentDocument"2.1锅炉系统的工艺流程简介 3\o"CurrentDocument"2.2锅炉自动控制系统的任务 4\o"CurrentDocument"2.3PID控制规律介绍 4\o"CurrentDocument"本章小结 5\o"CurrentDocument"第3章汽包水位三冲量控制 6\o"CurrentDocument"3.1汽包水位系统介绍 6\o"CurrentDocument"3.2汽包水位的动态特性分析 6\o"CurrentDocument"3.3锅炉汽包水位的控制方案 83.3.1单冲量控制系统 93.3.2双冲量控制系统 93.3.3三冲量控制系统 10\o"CurrentDocument"本章小结 10\o"CurrentDocument"第4章炉膛负压控制 11\o"CurrentDocument"4.1控制和监视炉膛负压的意义 11\o"CurrentDocument"4.2炉膛负压控制 11\o"CurrentDocument"本章小结 12\o"CurrentDocument"第5章最优风煤比控制 13\o"CurrentDocument"5.1常规PID风煤比控制系统的缺陷 13\o"CurrentDocument"5.2双闭环交叉限幅比例控制 13\o"CurrentDocument"5.3温度串级控制 14\o"CurrentDocument"5.4控制过程分析 15\o"CurrentDocument"本章小结 16\o"CurrentDocument"第6章MATLAB/Simulink仿真 17\o"CurrentDocument"6.1MATLAB软件介绍 17\o"CurrentDocument"6.2汽包水位控制MATLAB仿真 17\o"CurrentDocument"6.3炉膛负压控制仿真 18\o"CurrentDocument"6.4最优风煤比控制仿真 19本章小结 20\o"CurrentDocument"结论 22\o"CurrentDocument"参考文献 23\o"CurrentDocument"致谢 24第1章绪论1.1选题背景及意义锅炉作为能源转换的重要设备，运行情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气〃，拥有丰富的煤炭资源，因此，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉将是我国工业锅炉的主导产品。但我国锅炉房管理水平不高，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，操作工人水平参差不齐，经常是凭感觉和经验去操作，长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。因此，提高锅炉的生产运行效率不仅具有可观的经济效益，还能减少环境污染，提高能源利用率。锅炉设备是一个复杂的控制对象，影响锅炉生产效率的重要因素之一是控制系统性能的好坏。把计算机技术运用于锅炉生产过程相关环节，进行自动化控制，能够有效地提高锅炉运行可靠性和生产效率。实现锅炉自动化控制的意义在于：（1）提高锅炉运行的安全性；（2）提高锅炉运行的经济性；（3）改善劳动条件；（4）减少运行人员，提高劳动生产率。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。1.2国内外锅炉的运行水平目前国内外已经研制出许多工业锅炉微规控制系统，总体说来，工业锅炉的自动化控制经历了20世纪30、40年代单参数仪表控制，40.50年代单元组合仪表控制、综合参数仪表控制，直到60年代兴起的计算机过程控制［1］。尤其是近十几年来，随着先进控制理论帮计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。在国外，锅炉的控制基基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、运行平稳，而且减少了对环境的污染⑵。我国由于经济技术条件的限制，锅炉设备水平一直比较落后。大多数中小型锅炉停留在手工和简单仪表操作的水平；到80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展⑶；至90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、模糊控制、神经网络控制及专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用⑷。1.3制约我国锅炉发展的因数1.3.1大多数锅炉制造厂技术力量仍然薄弱目前，我国工业锅炉制造企业的技术力量参差不齐，具有自行设计和开发能力的仅有少部分，大多数企业的技术开发能力仍很薄弱。虽然我国在实行许可证制度以后，部分工业锅炉制造企业通过技术改造，使企业的工艺装备有了一定的提高，然而，更大多数企业的工艺装备仍然比较简单，很少配备先进的加工装备，缺乏专用加工设备，加工能力比较薄弱。缺少能在工业锅炉行业中起领头的龙头企业或骨干企业⑸。1.3.2燃料的因素我国的燃料结构和燃料政策决定了在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品，即使中小型的生产和生活用燃煤锅炉也会在最近相当长的一段时间内在部分地区保留并生产。1.3.3工业锅炉的标准体系标准是工业锅炉发展的重要的技术支撑，在工业锅炉的发展过程中起到了决定性的作用。我国虽然已经建立了比较完整的工业锅炉标准体系，由于受到全国锅炉制造厂总体的工艺装备和制造工艺因素的影响，我国的标准在制造方面与国外的先进标准比还有一定的差距⑸。1.3.4市场机制的影响及科研开发投入的不足由于受到市场的影响，部分的锅炉用户过分注重锅炉的价格。过分的压价使得锅炉制造厂的利润空间被压缩得很小，造成制造厂的科研开发的投入难以为继的局面。而另一些锅炉制造厂(主要是一些小企业)为了获得定单，甚至将原来的机械燃烧改为手工燃烧，并尽量减少锅炉的运行监控能力，降低锅炉的自控要求，使得锅炉的运行性能大打折扣。当然，更谈不上对锅炉自控系统的开发了。1.3本文研究的主要内容论文的研究内容主要包括：本课题的研究背景、意义、燃煤锅炉运行现状以及制约我国锅炉发展的因数。介绍了对锅炉系统特性、产生扰动的主要因素及调节原理。依据控制对象特性将三冲量控制运用于汽包水位，前馈PID控制运用于炉膛负压采用，双交叉限幅比值控制运用于最优风煤比，并运用MATLAB/Simulink仿真。

第2章锅炉系统的控制任务2.1锅炉系统的工艺流程简介锅炉最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分［61锅炉设备的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程［7］图2.1锅炉控制系统硬件组成燃煤锅炉的燃烧过程燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经出烟窗(炉膛出口)并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器。烟气流经过热器后又经过接在上、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的水。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热交换后，较低温度的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。省煤器实际上就是

给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。（3）水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过除氧等处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流管束，因受热较弱，汽水的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下锅筒，而容重小的则向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒项部引出后进入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中。2.2锅炉自动控制系统的任务锅炉是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图2.2所示图2.2锅炉输入输出之间的相互关系示意图[6]工业锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定压力和温度的蒸汽和热水。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下列自动调节任务：（1）保持汽包水位在规定范围；（2）维持蒸汽压力在预定值；（3）维持锅炉燃烧的经济性；（4）维持炉膛负压在一定范围内[8]2.3PID控制规律介绍PID控制是按照偏差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)进行控制的。其算法简单、鲁棒性好和可靠性高。PID控制有以下几个优点：(1)原理简单，使用方便，易于实现；(2)适应性强；(3)鲁棒性强，稳态无静差。常规PID控制系统原理框图如图2.3所示，系统由PID控制器和被控对象组成。图2.3PID控制系统框图 「八1一八 de(t)1控制规律为⑼：u(t)=Ke(t)+Tfte(t)dt+气^^~i 一式中：K为比例系数；T为积分时间常数；T^为微分时间常数。W术住*’断的花十治厂()U(s)矿『11丁'与成传递函数的形式为：G(s)=e(s)=KI1+t~+T/iPID控制器各校正环节的作用如下［1。］：比例环节：比例系数K增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制p精度。但过大会产生较大超调，导致系统不稳定；取得过小，可减少系统的超调量，使系统的稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度。积分环节：积分作用的强弱取决于积分时间常数T-二越大积分作用越弱，反之则越强。积分环节用于消除系统的余差。加大积分系数，有利于减小系统余差，但过强的积分作用会使系统的超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数虽然有利于系统的稳定，避免系统产生振荡，减小系统的超调量，但对消除系统的余差是不利的。微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，微分环节的作用在于改善系统的动态特性，其主要是在响应过程中抑制偏差向任何地方的变化，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的调节速度，减少调节时间。但Td过大，则会使响应过程提早制动，从而延长调节时间。本章小结本章介绍了锅炉系统的工艺流程、锅炉系统控制任务，使我们对锅炉系统有一个总体的认识，同时简单介绍了PID控制，对PID控制器中各个环节的控制作用有全面的认识。

第3章汽包水位三冲量控制3.1汽包水位系统介绍汽包水位系统由给水泵、省煤器、汽包、水冷壁、过热器等组成uh。水由给水泵送入省煤器加热升温，成为饱和水后进入汽包，经下降管进入炉膛水冷壁，吸收热量汽化后回到汽包。锅炉汽包产生的饱和蒸汽，通过过热器升温，再由减温器降温到所需温度后送出。图3.1锅炉汽水系统结构汽包水位间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系，维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。水位过高，影响汽包汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多；汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。汽包水位系统自动控制的任务就是维持汽包水位在一定范围内变化。3.2汽包水位的动态特性分析锅炉汽包水位包含了汽包中的蓄水体积和水面下汽泡的体积。水下汽泡的体积与锅炉的负荷及蒸汽压力有关。因此锅炉汽包水位不仅受到锅炉输入量和输出量之间平衡关系的影响，同时由于压力的关系它还受到汽水混合物内汽泡体积变化的影响。因此，影响锅炉汽包水位变化的主要因素：（1）给水扰动，（2）蒸汽负荷的变化；（3）蒸汽压力的变化；（4）燃料量的变化。汽包水位调节对象的动态特性方程式，通过理论推导和化简后可写成［1。］：TT炒"二TT炒"二12dt1dt（一du\(du、T—w+K一T—D+KuIWdtWuwJIDdtDDj(3-1)d，\：分别为分别为蒸汽流量和给水流量的标值；T1d，\：分别为分别为蒸汽流量和给水流量的标值；T1,式中，T『给水流量项的时间常数；T『蒸汽流量项的时间常数；K蒸汽流量和给水流量的放大系数；uD,uw：“：水位的时间常数。 °、蒸汽负荷不变改变给水流量的情况下，TTdlh-dh12dt1dtedhJdu打+T-=IT^^+K^^汽包水位的动态微分方程可以表示为:、(3-2)对上式进行拉普拉斯变换，可得：(3-3)(3-4)TTs2H(s)+TsH(s)=TsU(s)+KU(s)(3-3)(3-4)12 1 WW WW得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数：i)H(s)Ts+KG^J=-一—= 一咛Uw(s)孔s灯?s+1)给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图3.2所示。如果把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线应为图中的叫线。但当给水流量增加后，由于给水温度比汽包内原有饱和水的温度低，它们将从原饱和水中吸收热量，气泡体积由于放热而减小，所以水位随着汽包中储水量的增加而逐渐缓慢上升。当给水温度与汽包内水的温度相同时，汽泡体积将不再变化，水位就随着储水量的增加而直线上升。因此，实际水位变化曲线应如图中H线所示，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始并不立即增加，而是有一个起始惯性阶段。图3.2给水流量扰动下水位的阶跃响压曲线给水量不变改变蒸汽负荷的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为:Ttdlh-dh12dt1Ttdlh-dh12dt1dt(3-6)+T———T—d+KuIDdtDdJ对上式进行拉普拉斯变换，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传递函数：()H(s)Ts+KGs/=一一D daUd(s)TsTs+1)上式可以用两个动念环节的并联来等效，即：厂()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，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度；K=（KT-T）/T为响应曲线H的放大系数；T为响应曲线(3-7)(3-8)(3-9)1D2D1 2 2 2蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图3.3所示。当蒸汽流量D突然增加时，蒸汽量D大于给水量W，水位应该下降，如图中曲线H】。但由于蒸汽用量的增加，导致汽包压力的下降，水中汽泡体积迅速增加而使水位变化的曲线如图中H2所示。从而实际显示的水位响应曲线H为H】与队的叠加。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，，但在开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升），这种现象称之为“虚假水位〃。图3.3蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线从以上分析可以看出给水控制具有以下特点：1） 给水量突然改变时，由于给水通道存在较大的滞后时间，从调节机构动作到汽包水位变化存在一定的滞后，水位存在有较大的波动。2） 蒸汽用量变化时，有“虚假水位〃的出现，且假水位反应速度很快，幅度与扰动大小成正比。3.3锅炉汽包水位的控制方案引起水位变化的主要干扰是蒸汽流量和给水流量的变化。由图3.2可知，当蒸汽流量不变给水量突然改变时，锅炉汽包水位不会马上改变，控制作用严重滞后，水位存在较大的波动，汽包水位过高，会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，使过热器管壁结构导致破坏，汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，使水冷壁管供水不足而烧坏；由图3.3可知，当给水量不变蒸汽流量突然增大，锅炉汽包水位将会上升，产生锅炉“虚假水位”现象。使得控制作用向相反方向进行，有可能导致汽包水位过低，使得汽包内的水量较少，蒸汽压力较低，水的汽化速度加快，使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸。因此，我们必须对汽包水位进行严格控制，防止事故的发生［11』3.3.1单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位为被控变量，其控制系统框图为图3.4单冲量控制系统框图该控制系统结构简单，但该系统根据汽包水位控制给水量，当汽包水位产生“虚假水位”现象时，给水量的变化将与负荷变化相反，加大了进出流量的不平衡。当给水量发生变化时，给水量经过一定的时间才能影响到汽包水位，控制作用滞后，加大系统的超调量。3.3.2双冲量控制系统双冲量控制系统是以汽包水位为主控变量，以蒸汽流量为前馈信号，组成“前馈——反馈”控制系统，控制系统框图如图3.5所示，该控制系统由于引入了蒸汽流量这一前馈信号，能够有效的避免“虚假水位”现象，但是对于给水量变化依然存在滞后。

图3.5双冲量控制系统框图3.3.3三冲量控制系统三冲量控制系统，以汽包水位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信号，给水流量W为反馈控制信号组成的控制系统。控制系统框图如图3.5所示，该控制系统由于引入了蒸汽流量信号，能够有效防止“虚假水位”的产生，引入给水流量信号，当给水流量发生改变时，控制系统能够及时响应，产生控制作用，减少系统的超调量。图3.5三冲量控制系统框图通过上面的介绍我们确定，对汽包水位系统采用三冲量控制系统控制。该控制系统能有效的防止汽包“虚假水位”现象的出现，并能对给水流量系统发生变化时系统能及时响应。本章小结本章介绍锅炉汽包水位系统，对该系统进行了动态分析，使我们对锅炉汽包水位有了全面的认识，并比较了汽包水位三种控制方案，提出对汽包水位系统采用三冲量控制。第4章炉膛负压控制4.1控制和监视炉膛负压的意义炉膛负压（即炉膛顶部的烟气压力）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。炉膛负压太大，漏风量增大，使吸风机电耗、不完全燃烧热损失、排烟热损失均增大，甚至使燃烧不稳或灭火。炉膛负压小甚至变为正压时，火焰及飞灰将通过炉膛不严密处冒出，恶化工作环境甚至危及人身及设备安全。保持一定的负压可以避免炉膛过多的热量随尾气排放，同时还可以避免锅炉炉膛因为正压而向外喷火，保证了锅炉操作人员安全和环境卫生。当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，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［1幻因此，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，对资源的利用率和安全生产起着决定性的作用。4.2炉膛负压控制炉膛负压由于控制对象时间常数较小，延迟不明显，也不是高阶对象，因此比较容易控制的。只要能维持从炉膛排出的烟气量等于燃料燃烧生成的烟气量，就能维持炉膛负压稳定。炉膛负压是通过调节吸、送风机风量的平衡关系实现的。图4.1炉膛负压控制系统框图炉膛负压是由鼓风量和引风量之间特定关系形成的，鼓风量的大小变化是炉膛负压产生扰动的主要因素。本控制系统通过变频器调速系统调节引风量来控制炉膛负压。同时炉内压力变化是个快速环节，因此在设计负压控制器时，我们采用前馈PID控制器。控制系统图如图4.1所示。本章小结本章介绍监控炉膛负压的意义，炉膛负压由于其控制对象时间常数较小，延迟不明显，也不是高阶对象，我们确定对炉膛负压系统采用以鼓风干扰为前馈前馈信号的前馈PID控制。第5章最优风煤比控制锅炉为适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃料量。使空气和燃料量相适应，维持燃料量和送风量有一定的比值，是燃烧过程的最佳操作条件，是提高锅炉效率和经济性的关键措施。如果能够恰当地保持燃料量与送风量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。反之，如果比值不当，空气不足，离开最适宜的空燃比（实际送风量与理论空气量的比值），就会导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料燃烧不完全时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会增热热量损失，使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低，并造成对周围环境的污染［13］。恰好满足完全燃烧所需的空气量称之为理论空气量。燃料燃烧是一个氧化过程，为了充分燃烧，必须提供足够的空气，保证有一定的过剩空气量，用剩余空气系数来衡量。空气不足，会造成燃料燃烧不完全，锅炉冒黑烟，造成能源损失；空气过量，炉内排烟就会带走大量的热量，降低了火燃温度，导致氧化氮、氧化硫排出量增加，污染大气，同时锅炉的寿命减短，因此必须有效地控制剩余空气系数。5.1常规PID风煤比控制系统的缺陷常规PID控制系统，其特性直观，控制迅速，但由于锅炉在不同的负荷下，适当的过剩空气系数变化很大。常规PID控制将风煤比简单地看成负荷（汽压）的单一函数并近似为比值关系［14］，单纯的比值控制并不能保证锅炉在任何工况下都达到最佳的燃烧工况；同时，对于不同的煤种及煤粉特性、炉排转速、煤层厚度不均匀等原因引起的燃料方面的扰动，过剩空气系数也有较大变化，使得单纯的PID控制难以实现风煤比最优控制。图5.1常规比值控制系统框图5.2双闭环交叉限幅比例控制将双闭环交叉限幅比例控制应用于风煤比控制，其基本原理是测量出当前供风量和进料量，根据最佳风煤比K^计算出安全阀限，将安全阀限值交叉回馈，与设定值比较，比较结果作为最终的设定值，由执行机构输出控制作用［1曳假设锅炉实际进风量F^，假设最优风煤比为七,根据当前实际进风量，可以计算出最佳进料量为：F：=F",为了避免缺氧燃烧，进料PID控制回路中进料量设定值不应该高于最&进料量F.t假定进料量设定值为F.‘°，最终设定值F应为“低选比较器”的输出结果：F=minF°F.｝。 '"° "同样，假设锅炉的进料量为.在当前的进料量F.下，最佳供风量为：F^=FxK，为了保证安全，供风PID回路中供风量设定值不应该小于最佳供风量F：。设供风设定值为七科，经过“高选比较器”来得到最终的供风设定值：F5=maxFF，［J"双闭环交叉比值控制，实现了燃烧过程中空气和进料量的相跟踪，保证了在负荷增减过程中的最佳燃烧效率。指定进煤量设定值，可以方便地实现锅炉“定烧”。经过双闭环交叉限幅控制的一系列动态过程，使进料量等于设定值，同时供风量符合最佳燃烧风浆比。图5.1双闭环交叉限幅比例控制5.3温度串级控制由于生产过程中给水流量经常会出现波动，水冷壁管温度出现较大波动，造成汽包内水温度出现较大波动，还可能造成水冷壁管被烧坏。引入温度PID控制回路到双闭环交叉控制中，得到控制系统的总结构图如图5.2。

温度PID调节器-A被控对象f低选器温度PID调节器-A被控对象f低选器温度测量图5.2温度串级控制框图5.4控制过程分析假定锅炉处于"定烧”，并处于稳定状态。设定烧量为F=1m3；h，供风量为F/20m3；h，即最佳风煤比为K=20。现需要将定烧量提高到2m3功，在改动“定烧值”后，供风量和进料量的设雀值分别变为F.八°=40和F°=2；而进入锅炉炉膛的风量和燃煤量实测值仍为七广20和F=T「"对于风量F：=20，可计算出最佳进料量F=F"=1，与设定值F.=2变同进人低选器，得到最终设定值仍为F=1。对于实测燃煤量F=1计算出最佳供风量F^=20，与设定值F^=40一起进入高选器，比较的结果是将设定值由原来的F^=20调整到七=40，燃煤量设定不变的情况下提高了供风量。随着变频器将控制作用输出，测商风量Fa计增大，计算出的最佳燃煤量F.也逐渐增大与设定值F.=2低选后，输出值F.也由1逐渐增加到2,并且达到2后不再继续变大，系统趋于稳定。当需要降低负荷时，比如“定烧值”由1调整为0.5m3/h，风煤比仍为K=20。供风量和燃煤量设定值分别变为F.s0=10和F0=0.5；而风量和燃煤量实测值仍为F疽20和F=1。根据燃煤量Z：=1得到最佳供风量F^=20，与供风设定值F：］=10进入高选器，得到最终设定值仍为Far广20。根据当前风量计算最佳燃煤言F.=1，与燃煤设定值F.河=0.5进入低选器;得到最终燃煤设定值由原来的F=1调整到F.叩。=0.5，在供风量设定值不变的情况下降低了燃煤量。随着变频器将控制作用输出测量燃煤量减小，使得最佳供风 「而也逐渐减小，与本地设定F^泗=10高选后，输出值也由20逐渐减小到10，并且达到10后不再继续变小，趋于稳定。由以上分析可知双闭环交叉限幅比例控制系统，是通过在加负荷时“先增风量后增燃煤量”，减负荷时“先减燃煤量后减风量”，确保负荷增减过程中燃煤保持充分燃烧。本章小结本章介绍了常规PID比值控制系统的缺陷，通过对交叉限幅比值控制原理的分析可知，将交叉限幅比值控制应用于风煤比控制能取得很好的控制效果，同时将温度PID控制引入交叉限幅比值控制系统中，既保证了系统的“定烧”同时又能使系统温度稳定在一定的范围内。第6章MATLAB/Simulink仿真6.1MATLAB软件介绍MATLAB软件是由美国的MathWorks公司推出的一个科技应用软件。它是由Matrix（矩阵）Laboratory（实验室）的前三个字母组成的。MATLAB语言是由美国NewMexico大学的CleveMole于1980年开始开发的。大部分工具箱是面向控制和相关学科，随着MATLAB不断发展，其他领域也开始涉及。增加了许多的图形图像处理，多媒体功能，符号运算和它与其它流行软件的接口功能，使得MATLAB的功能越来越强大[16]MATLAB语言简单易学、代码短小高效、计算功能强大、绘图非常方便、扩充能力强大、帮助功能完整。MATLAB语言善长于数值计算，数据处理功能十分强大，而且效率比较高。在此基础上开拓了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，增强了MATLAB的市场竞争力，使MATLAB成为了市场主流的数值计算软件。6.2汽包水位控制MATLAB仿真由第3章分析我们确定汽包水位被控对象的数学模型为:水位传递函数：G^）=-W，水位变送器的比例系数为0.8，给水流量信号及蒸汽流量信号变送器的比例系数为：0.55，调节阀的比例系数为：与=3.5。建立仿真框图为图6.1三冲量汽包水位控制系统仿真框图控制器参数为％=6.5,Ti=0.55,Td=40，仿真结果如下图所示。由仿真结果显示，是三冲量控制系统控制效果最好。"

图6.2汽包水位控制仿真结果图中黄线代表三冲量控制，红线代表双冲量控制，蓝绿线代表单冲量控制，由图中看出单冲量控制系统响应滞后，且水位出现了“虚假水位”现象，双冲量控制其超调量过大，当给水系统发生改变时，其响应也滞后。由图可知，三冲量控制系统控制效果最好。6.3炉膛负压控制仿真炉膛负压控制采用前馈PID控制，炉膛负压系统在进行仿真过程中各环节的传递函数为炉膛负压模型传递函数为G,。=危，送风干扰通道传递函数为建立仿真框图如下图6.3炉膛负压控制系统仿真框图设定PID控制器参数如下：Kp=8,Ti=0.3,Td=30，得到仿真结果如下图所示图6.4炉膛负压控制仿真结果仿真结果显示，该控制系统能及时响应，时间常数小，有很好的控制效果。6.4最优风煤比控制仿真根据温度串级控制框图，假设风煤比K广100，鼓风机传递函数为G&。=布%，风量测量变送器的比例系数为0.3,煤浆机传递函数为G(s)=以二1，煤浆量测量变送器的比例系数为0.4,锅炉对象的传递函数为G(s)=京'，温度测量变送器的比例系数为0.6。建立仿真框图为：

pP i图pP i图6.5温度串级控制仿真框图在该控制中，由于微分信号引入了高频干扰，因此，主控制器没有微分项，主控制器参数为K=5，T=0.15，Td=0，风量