循环流化床锅炉炉膛温度稳定控制研究

循环流化床锅炉炉膛温度稳定控制研究

燃烧过程应遵守“3mt”的清洁燃烧标准。燃烧垃圾应保持在一定的燃烧温度和湿度（turvelet）下的一定时间（时间）。对于循环流化床(circulatingfluidizedbed,CFB)垃圾焚烧炉而言,搅动程度和停留时间可由其炉膛结构设计保证,而垃圾的焚烧温度则由运行调节。由于垃圾的焚烧是在整个炉膛内进行,因此要求炉膛内各点温度都要维持在清洁燃烧所要求的850～950℃之间。由于CFB垃圾焚烧炉的炉膛温度受多个变量影响,这些变量对炉膛不同高度的温度影响是不同的,同时变量之间存在耦合作用,因而使得大多数已发展的单变量控制方法很难获得满意的控制效果。本文基于内模控制结构,提出一种解耦控制器的设计方法,实现了各路输出变量之间的解耦控制,仿真结果表明本文所提控制策略是有效的。1对象的动态特性及其退化处理1.1炉硫控制测量方法本文所研究的CFB垃圾焚烧炉以煤为辅助燃料,设计垃圾处理量为150t/d,蒸发量为10t/h,垃圾焚烧温度为850～950℃。理论分析和历史运行数据表明影响炉膛温度的因素主要有垃圾给料量、给煤量和一次风量。由于垃圾焚烧炉运行过程中,垃圾给料量是由垃圾焚烧任务确定的,因而通常在满负荷下运行,它为炉膛温度控制的扰动量。为了控制整个炉膛的温度,取炉膛上部和下部两个温度测点作为被控量,给煤量和一次风量作为控制量。根据文给出的阶跃响应实验数据,炉膛温度分布的动态特性可由如下双输入双输出系统描述[y1y2]=[g11(s)g12(s)g21(s)g22(s)][u1u2]+[g1d(s)g2d(s)]d‚(1)其中:y1为炉膛上部温度;y2为炉膛下部温度;u1为一次风量;u2为给煤量;d为垃圾给料量。g11、g12、g21、g22为控制通道的传递函数,g1d、g2d为扰动通道的传递函数。其中:上述高阶模型可以比较精确地描述对象的动态特性。1.2模型参数的辨识为便于基于模型的内模控制器设计,需对上述对象的高阶模型进行降阶处理。从上述对象的动态特性可以看出,各输入输出变量之间均为有自平衡过程。对这样的过程,可采用工业过程中常用的一阶惯性加纯滞后形式的模型结构来近似,模型参数的辨识采用文给出的基于阶跃响应的最小二乘辨识方法。降阶处理后的模型如下:ˆg11=3.0865s+1e-150s≈g11.(8)ˆg12=7.350s+1e-150s≈g12.(9)ˆg21=-1.2350s+1e-65s≈g21.(10)ˆg22=6.555s+1e-135s≈g22.(11)在单位阶跃的输入作用下,高阶模型与其对应的降阶模型的响应曲线如图1所示。从图1可以看出,降阶后的模型与原高阶模型的阶跃响应曲线基本吻合,因此,降阶模型可以充分反映对象的动态特性,可作为控制器设计的依据。2多变量插值器的设计2.1内模解耦控制器设计图2是内模控制系统的结构框图,其中:P(s)是具有自平衡能力的实际对象;ˆΡ(s)是对象的标称模型;D(s)为扰动通道的传递函数;Q(s)是内模解耦控制器;U是控制器的输出;d为扰动量;R和Y分别是系统的给定值与输出。2.2低通滤波器的动态性能Η=ΡQ=ˆΡQ=[h100h2].(13)在实际工程中,对象与模型往往是不完全匹配的,即Ρ≠ˆΡ,此时控制器的设计通常是分两步来完成的,首先不考虑对象的不匹配性,即假定Ρ=ˆΡ,设计一稳定的理想控制器;其次,在控制器中引入低通滤波器,通过调整滤波器的参数来获得满意的动态性能和克服对象的不匹配性。下面,通过构造期望的闭环响应特性H(s),来得到稳定有理的解耦控制器Q(s)。根据式(14)和获得的降阶模型,可得控制器矩阵Q(s)的元素分别为:q11=0.7239(50s+1)(50s+1)e80s(55s+1)(1-G*e-70s)h1‚(15)q21=0.1685(50s+1)e150s(1-G*e-70s)h1‚(16)q12=-0.813(50s+1)e65s(1-G*e-70s)h2‚(17)q22=0.343(50s+1)(50s+1)e65s(65s+1)(1-G*e-70s)h2.(18)式(15)—(18)中11要选择h，必须确保h15-18的物理可执行性，即控制器的输出不能超过输入可见满足该条件,则控制器中就引入了低通滤波器,滤波器的阶次与ˆΡ-1矩阵中各元素的分子与分母阶次之差有关。2e-70s零点首先确定h1。根据条件1,观察式(15)—(16)可知,h1必须包含纯滞后环节e-150s,同时应包含一阶低通滤波器,以保证控制器q11和q21的物理可实现性。然后根据条件2,若1-G*e-70s含有右半平面(RHP)零点,即控制器q11和q21含有不稳定极点,则h1中同样也应包含该零点,以实现零极点对消,从而确保控制器的稳定。下面考察1-G*e-70s的零点情况。首先,对纯滞后环节e-70s采用一阶Pade近似得z1=0.1187,z2=-0.0197+0.0009i,z3=-0.0197-0.0009i.1-G*e-70s≈-(s-0.1187)(69970s2+2760s+27.2081)(65s+1)(55s+1)(35s+1).(21)综上约束条件,为使h1具有良好的响应特性,结合鲁棒控制理论的H2最优性能指标,选取h1具有如下形式3初始时系统解耦及干扰仿真中,整定可调参数λ1=100和λ2=90,对象P(s)为式(2)—(4)给出的高阶形式。情况1初始时,系统工作在稳态工况,炉膛上部温度y1=900℃,下部温度y2=850℃。在t=100s时,y1的设定值阶跃变化为910℃,在整个响应过程中垃圾给料量始终保持不变。得到的仿真结果如图3所示。情况2初始时,系统工作在稳态工况,炉膛上部温度y1=900℃,下部温度y2=850℃。在t=100s时,y2的设定值阶跃变化为860℃,在整个响应过程中垃圾给料量始终保持不变。得到的仿真结果如图4所示。情况3初始时,系统工作在稳态工况,炉膛上部温度y1=900℃,下部温度y2=850℃。在t=100s时,垃圾给料量发生10%的负值阶跃扰动。得到的仿真结果如图5所示。情况1和情况2主要反映了系统的解耦性能。由图3和图4可见,在y1的阶跃响应过程中,y2仅发生了微小的波动并迅速回到稳态值850℃;在y2的阶跃响应过程中,同样y1也发生了微小的波动并迅速回到稳态值900℃。输出量发生波动是由于模型与对象不匹配所致,由于波动幅值小,时间短,因此可认为系统实现了解耦。情况3主要反映了系统的抗干扰情况。由图5可见,系统对垃圾给料量的扰动是能够克服的,但克服扰动速度偏慢,导致炉膛温度波动偏大。为进一步提高系统的抗扰能力,可在内模控制的基础上增加给料量前馈信号,以提高控制器对扰动的响应速度。4闭环系统解耦的振动控制垃圾焚烧炉的炉膛温度是垃圾清洁焚烧的重要影响因素,由于影响炉膛温度的变量多,且各变量之间耦合关系强,加之对象具有较大的时延,从而使系统的控制变得复杂,常规的控制手段难以满足控制要求。本文采用基于内模结构的先进控制策略,较好地实现了输出变量的解耦控制,同时,从仿真结果可以看出,控制策略对克服对象的大时滞特性具有良好的效果。由图2可知,系统闭环传递函数矩阵H为在标称情况下,即,经完全解耦得到的其对角化形式为则标称情况下解耦控制器矩阵为从式(14)可以看出,闭环系统实现完全解耦的前提是对象传递函数矩阵必须为非奇异矩阵,即。可见,若得到解耦控制器矩阵,首先必须确定闭环传递函数矩阵H。H的选择应满足以下2个条件:然后,应用matlab工具箱,可直接求出式(20)的3个零点分别为可见,1-G*e-70s含有一RHP零点z1=0.1