锅炉控制系统设计仿真毕业论文

#3-7)(3-8)3-7)(3-8)(3-9)TTs2H(s)+TsH(s)=-(TsU(s)+KU(s))121DDDD得到汽包水位在蒸汽流量作用下的传递函数：()H(s)Ts+KGVS丿=一一DDAU&丿TsVTs+1)D12上式可以用两个动念环节的并联来等效，即：H(s)K「KGVs丿二二一一o+i—U(s)sTs+1D2式中，K=K/T为上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度；0D1K=(KT-T)/T为响应曲线H的放大系数；T为响应曲线H的时间常数。1D2D1222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1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H所示。从而2实际显示的水位响应曲线H为H与H的叠加。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，12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：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。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。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。］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。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［12。］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。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ij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［15。］假设锅炉实际进风量F,假设最优风煤比为K,根据当前实际进风量F,可airijair以计算出最佳进料量为：F=F:K，为了避免缺氧燃烧，进料PID控制回路中进jairij料量设定值不应该高于最佳进料量F。假定进料量设定值为F，最终设定值Fjf\j_sp0j-sp应为“低选比较器”的输出结果：F二min京FKj-spj-sp0，j同样，假设锅炉的进料量为F。在当前的进料量F下，最佳供风量为：F二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airjijF。设供风设定值为F，经过“高选比较器”来得到最终的供风设定值：airair-sp0F=maxV,F了air-spair-sp0air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。給度—p温度PID调节器温度测量进料测量鼓风对象进料对象风量测量进料PID风量PID比值器給度—p温度PID调节器温度测量进料测量鼓风对象进料对象风量测量进料PID风量PID比值器2比值器1低选器高选器图5.2温度串级控制框图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二20m3；h，即最佳风煤比为K二20。现需要将定烧量提高到2m3.fh，在改动“定airj烧值”后，供风量和进料量的设定值分别变为F二40和F二2；而进入锅炉air-sp0j-sp0炉膛的风量和燃煤量实测值仍为F=20和F=1。对于风量F=20，可计算出最airjair佳进料量F二F.K二1，与设定值F二2共同进人低选器，得到最终设定值仍为jair'ijjF=1。对于实测燃煤量F=1计算出最佳供风量F二20，与设定值F二40一起进jjairair入高选器，比较的结果是将设定值由原来的F二20调整到F二40，燃煤量设定不airair变的情况下提高了供风量。随着变频器将控制作用输出，测试风量F增大，计算air出的最佳燃煤量F也逐渐增大与设定值F二2低选后，输出值F也由1逐渐增加

jjj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0.5m3h，风煤比仍为K二20。供风量和燃煤量设定值分别变为F=10和F=0.5；而风量和燃煤量实测值仍air-sp0j-sp0为F二20和F二1。根据燃煤量F=1得到最佳供风量F二20，与供风设定值airjjairF二10进入高选器，得到最终设定值仍为F二20。根据当前风量计算最佳燃air-sp0air-sp煤量F二1，与燃煤设定值F二0.5进入低选器，得到最终燃煤设定值由原来的jj-sp0F二1调整到F二0.5，在供风量设定值不变的情况下降低了燃煤量。随着变频器jj-sp0将控制作用输出测量燃煤量减小，使得最佳供风F也逐渐减小，与本地设定airF二10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，air-sp0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MATLAB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。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：G由第3章分析我们确定汽包水位被控对象的数学模型为：G(s)=1s(30s+1)，汽包水位传递函数：Gd（s）一亠，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：Kv二3.5。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K=6.5,T=0.55,T=40,仿真结果如下图所示。由仿真结果显示,pid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。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G1C)=500^，送风干扰通道传递函数为G(s)G(s)=115s+1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：K=8,T=0.3,T=30,得到仿真结果如下图所示Pid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。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..=100,鼓风机传递函数为G(s)=—二，ijg10s+1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)=，煤浆量测量变m12s+1送器的比例系数为0.4,锅炉对象的传递函数为G(s)=5，温度测量变送器的比g20s+1例系数为0.6。建立仿真框图为：

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,T=0，风量PID控制器参数为K=4,T=0.15,T=10,进料

pidpidPID控制器参数为K=5,T=0.45,T=20,仿真结果如下图所示。pid图6.6温度串级控制仿真结果仿真结果显示,“温度-交叉限幅比值”控制用于风煤比控制,能取得很好的控制效果。本章小结本章对MATLAB软件做了简单的介绍,对汽包水位控制系统、炉膛负压控制系统、风煤比控制系统进行了仿真,通过仿真结果显示,将三冲量控制应用于汽包水位控制、前馈PID控制应用于炉膛负压控制、在交叉限幅比值控制中引入温度PID串级控制应用于风煤比控制都取得了较好的控制效果。结论通过本文我们对锅炉系统有了比较全面的认识，锅炉系统具有参数时变、严重非线性、干扰因素复杂等特点，是典型的复杂热工系统。本文分析了锅炉汽包水位系统，对锅炉汽包水位进行了动态分析，对汽包水位控制的几种方案进行了对比分析，确定了采用三冲量的控制方案。三冲量控制系统具有控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。能有效地避免“虚假水位”现象。对炉膛负压系统，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，控制系统需要对干扰及时作出响应，因此，确定了炉膛负压系统采用前馈PID控制方案。该方案对于鼓风干扰对象能及时有效的作出响应，满足炉膛负压控制的要求。分析了常规比值控制在风煤比控制的缺陷，介绍双闭环交叉限幅比值控制的原理，将其应用于风煤比控制，实现了送风量和进料量的相互跟踪，取得了很好的控制效果，在此基础上引入温度PID串级控制，既实现了锅炉系统“定烧”，又实现了对温度的控制。本文由于时间紧迫，同时也由于知识有限，对每个控制系统都是分割开来单独考虑，没有考虑其相互间的关系。参考文献马翔•大型火电厂锅炉燃烧系统建模及优化控制新方法的探讨[D].福州大学，2003王晓燕.多变量解耦内模控制在锅炉燃烧系统中的应用研究[D].青岛科技大学硕士学位论文，2008：1-2王善武.中国工业锅炉行业现状分析及前景展望[J].工业锅炉，N0.1,2004.张福安.工业锅炉计算机控制技术[J].科技情报开发与经济，2004,14(4)：126.127.吴明永•工业锅炉控制策略研究与控