MATLAB燃烧PID控制.docx

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MATLAB燃烧PID控制

大连理工大学城市学院

本科生毕业设计（论文）

学院：

电子与自动化学院

专业：

自动化

学生：

王鹏飞

指导教师：

***

完成日期：

2010年5月9日

大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）

MATLAB在锅炉燃烧中的应用

题目（二号、黑体、居中）；

毕业设计（论文）页（五号、宋体）

表格表（五号、宋体）

插图幅（五号、宋体）

MATLAB在锅炉燃烧中的应用

摘要

工业自动化涉及的范围很广，过程控制是其中最重要的一个分支。

它主要针对工业过程的五大参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和特性等参数的控制问题。

过程控制覆盖了很多工业部门，例如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等部门，在国民经济中所占有的地位极其重要。

根据实际应用领域和工艺过程的不同，所采用的控制方式及其侧重点也不相同。

而在大量的工业生产中燃烧都是必要的一环，从燃烧角度来说，有燃油、燃煤、燃气的区别。

虽然燃烧的应用场合和燃料可能不同，但燃烧过程的控制都不外是燃烧控制、温度控制、燃烧程度控制、安全性控制、节能控制等。

本次课题的目的就是基于生产实际的需求，针对蒸汽压力控制、燃料空气比值控制和炉膛负压控制进行系统框架设计并在MATLAB环境下建立模型、进行控制算法的实现研究。

其主要采用了MATLAB中的SIMULINK工具箱进行仿真，通过模拟示波器中的波形来调节参数，改良控制效果。

关键字：

燃烧控制系统，MATLAB，过程控制，SIMULINK

THEDESIGNANDSIMULATIONOFTHECOMBUSTIONCONTROLSYSTEMBASEDONFUELSTEAMBOILER

ABSTRACT

Industrialautomationinvolveaverywiderange,whileprocesscontrolisoneofthemostimportantbranches.Itmainlyrefertocontroltechniquesoffiveindustrialprocessesparameterswhicharetemperature,pressure,andflow,liquidlevel（orbits）,compositionandcharacteristics.Processcontrolcoversmanyindustries,suchaspetroleum,chemicalindustry,electricpower,metallurgy,lightindustryandtextiledepartment.Itoccupiedanextremelyimportantpositionofthenationaleconomy.Thecontrolmodesandtheiremphasisdependonthedifferentactualapplicationandprocessengineering.Combustionisessentialintheindustrialproduction.Burningspeaking,itcanbedivideintofuel,coalandgas.Althoughburningapplicationsandfuelcombustionprocessmaybedifferent,thecontrolofburningprocessallinvolveburningcontrol,temperaturecontrolandburninglevelcontrol,safetycontrol,degreeofsavingenergycontroletc.Thepurposeofthissubjectistodesignthesystemframeworkforsteampressurecontrol,fuelairratiocontrolandhearthnegativepressurebasedontheactualproductionneeds,alsomakemodelintheMATLABenvironmentaswellasresearchforthealgorithmofcontrol.ItmainlyusestheMATLABandSIMULINKtoolbox,adjustingtheparametersintermsofthewaveformofoscilloscope.Asaresult,thecontroleffectimproved.

Keywords:

combustioncontrolsystem,MATLAB,processcontrol,SIMULINK

1绪论

1.1引言

锅炉是重要的工业设备，应用于炼油、冶金、化工、轻工等行业。

并且锅炉还是被广泛的应用于国民经济各个部门的工业民用设备。

随着锅炉的大规模使用，工业生产的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着高参数、高效率发展，为了确保安全，保证生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。

由于负荷变化从本质上说是非线性和时变的，锅炉侧又存在很大的延迟，负荷适应能力和主蒸汽压力稳定的矛盾一直是锅炉燃烧自动控制中有待于进一步解决的问题。

而且锅炉燃烧控制系统不同于大多数生产过程控制系统，它不仅存在动态品质调节的问题还要考虑到锅炉的经济燃烧。

如何使主蒸汽压力既具有良好的动态特性，又能使入炉燃料得以充分燃烧（即高效燃烧问题），是燃烧优化控制的真正内涵，也是燃烧过程控制的关键。

目前，主汽压调节系统的控制器采用的控制规律以常规的基于数学模型的PID控制为多。

自70年代以来，在锅炉系统的建模和控制方面，从理论和实际应用上进行了深入的探索，包括线性和非线性模型的建立及各种控制方法，如PID控制、自整定控制、模糊控制、神经网络控制、最优控制、预测控制、预见控制、鲁棒控制、容错控制、反馈线性化控制、多变量频域控制，以及蒸汽压力回路的均衡燃烧控制、采用炉膛温度信号和炉膛辐射能信号为中间被调量的串级控制、工程中常用的直接能量平衡方法等。

1.2相关领域研究现状

1.2.1蒸汽锅炉发展和意义

工业蒸汽锅炉的发展经历了由简单到复杂、由低参数到高参数、由单一品种到系列化产品的发展过程。

随着材料和制造工艺的提高，锅炉的结构更加完善，种类日益丰富。

工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了难度。

锅炉控制技术的发展经历了几个历史阶段:

（l）纯手动阶段

在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、用料的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。

这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

（2）自动化单元组合仪表控制阶段

随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。

60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。

但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

（3）采用微机测控阶段

随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。

运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。

80年代后期至今，一国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

（4）智能控制理论的广泛应用阶段

由于现代控制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统控制理论难以解决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并取得了前所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。

各种形式的控制系统、智能控制器不断地开发和利用。

目前常用的有:

多级递阶智能控制;专家控制系统与专家控制器;仿人智能控制器;自寻优模糊智能控制系统;自学习控制系统;基于神经网络的控制系统。

除此之外还有综合了几种控制形式的混合式智能控制器（或系统）等多种形式，如以模糊控制为基础的专家模糊控制系统，最常见的是以常规PID数字控制为基础，通过专家系统在线实时整定PID控制参数，即所谓的智能（或专家）自适应PID控制器。

通过对我国锅炉控制现状的分析，在硬件方面，很多锅炉的控制仍然使用常规仪表、继电器作为主要的控制手段，需要过多的人为参与，即使现在的仪表不少已趋于智能化，但对其使用也主要局限在检测方面;在软件方面，传统的PID控制算法己经不适合像锅炉这样的非线性、时变、多变量祸合的复杂系统。

锅炉耗费大量燃料的同时，还耗费了大量的电能，如何提高锅炉热效率问题，一直是专家学者所关注的问题。

因此，总结国内外锅炉控制经验，结合我国锅炉应用的具体实际，设计出适合的锅炉控制硬件系统，并应用现代控制理论、先进控制算法，提高锅炉控制的自动化水平，使锅炉控制实现自动控制、提高锅炉的工作效率、合理利用资源，达到锅炉控制系统安全、节能、环保运行的目的，不仅具有很高的学术研究价值，而且具有显著的经济效益和深远的社会效益。

1.2.2燃烧控制系统简介

现代燃烧控制系统指在无人直接参与情况下通过自动化仪表和自动控制装置（包括计算机和计算机网络）完成热力过程参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。

它的范围极其广泛，包括了主机、辅助设备、公用系统的自动化。

而其中最重要的是锅炉、汽轮发电机组运行的自动化，它大致包含四个基本内容:

1、自动检测

指热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等热工参数的测量由自动化仪表来完成。

自动检测的热工参数是监督火电厂机组是否正常运行的依据，是随时调整自动控制作用的根据，也是机组进行经济核算、事故分析、自动报警等的数据来源。

2、自动调节

一般指正常运行时，操作的自动化，即在一定范围内，自动地活应外界负荷变化或其他条件变化，使生产过程自动进行。

锅炉的自动调节，主要包括以下四个部分的控制:

（1）汽包液位的控制:

控制汽包液位高度在一个能保证锅炉安全运行的位置，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象;水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。

因此，必须对汽包水位进行自动调节，把水位严格控制在规定范围内。

（2）汽包蒸汽压力控制:

维持蒸汽压力恒定，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。

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。

压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损;压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。

因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

（3）最优燃烧控制:

即最优空气燃料比控制，在保证锅炉汽压稳定的前提下，调节炉排转速和鼓风量的配比，以使锅炉燃料得以充分燃烧，达到最优燃烧。

（4）炉膛负压控制:

负压控制即控制引风量使锅炉运行在负压状态下，避免锅炉炉膛向外喷火，同时也避免锅炉热量因为正压而被过多地随排放的尾气排放，保持锅炉燃烧的经济性。

3、远方控制及程序控制:

远方控制是通过开关或按钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制。

程序控制主要是指机组（或局部系统、设备）在启动、停止、增减负荷、事故处理时的一系列基于逻辑的操作。

4、自动保护:

是利用自动化装置，对机组（或系统、设备）状态、参数和自动调节进行监视，当发生异常时，送出报警信号或切除某些系统和设备，避免发生事故，保证生命和设备的安全。

火电厂的自动保护对象主要有锅炉、汽轮发电机本体、辅助设备、局部工艺系统以及自动调节系统等。

大型火电厂自动化的任务是保证机组安全运行，提高机组生产效率，满足电网负荷要求，降低操作人员的劳动强度，因此要具有相应的自动化措施与之相适应:

1、数据采集系统（dataacquisitionsystem,DAS）广义称为计算机监视系统，包括数据采集与显示、制表打印、报警、在线性能计算、操作指导。

2、协调控制系统（coordinationcontrolsystemCCS）或模拟量控制系统（modulatingcontrolsystemMCS）:

通过控制回路协调汽轮机和锅炉工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷变化的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。

它通常指机、炉闭环控制系统总体，及其相关子系统。

3、锅炉炉膛安全监控系统（furnacesafeguardsupervisorysystem,FSSS）或燃烧器管理系统（burnermangementsystem,BMS）:

主要功能是保护锅炉炉膛的安全，避免发生爆炸事故，以及监视锅炉内工况，对气、油、燃烧器进行遥控或程控管理。

4、顺序控制系统（sequencecontrolsystem,SCS）:

在生产过程中，对某工艺系统或某大型主设备及有关的辅助设备群，包括电动机、阀门、档板的启动、停止、和运行中的事故处理，按预先制定的序列（时间、判据等）进行相关和有序的逻辑控制。

顺序控制系统递阶式结构，包括:

机组级、组级顺控、子组级顺控和设备级控制等四级组成，实现整个机组中各主要设各的监视操作、顺序启停和联锁保护等功能。

机组级是最高一级的顺序控制，也称机组自启停系统，它能在少量人工干预下自动完成机组的启停。

功能组级是操作人员发出功能组启动指令后，同一功能组的相关设备按预先规定的操作顺序和时间间隔自动启动。

以完成生产流程的一个特定功能目标。

根据命令请求可以自动完成这些相关子组和设备的自动顺序操作联动、成组试验以及备用设备的选择和自动切换等。

子组级顺控是将某台辅机及其附属设备（如润滑油系统、相关挡板、阀门）作为一个整体进行控制。

设备级（又称驱动级）控制包括了单台设备的基本控制回路和联锁保护逻辑。

2锅炉燃烧控制系统控制原理

2.1系统基本结构与设备

（l）汽包由上下锅筒和三组沸水管组成。

水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。

为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装设汽水分离设备。

下锅筒主要用于连接沸水管，同时还用来储存水和水垢。

（2）炉膛是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。

得到的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排至大气。

（3）过热器是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件，亦称为过热蒸汽换热器。

（4）空气预热器是继续利用烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的换热器件。

通常大、中型锅炉均设有空气预热器，小型锅炉由于力求简单，一般不采用空气预热器。

为保证正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几部分:

（l）引风设备:

包括引风机、烟囱、烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。

有些小型锅炉不采用引风机，而只利用烟囱的自然抽力来排除烟气。

（2）送风设备:

由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。

（3）给水设备:

由给水泵和给水管组成。

给水泵用来克服给水管路的流动阻力和炉筒的压力，把水送入锅炉。

为了安全，锅炉房通常要有两台以上给水泵，并且采用气动和电动两种拖动方式，起着相互备用的作用。

（4）水处理设备:

其作用为用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢和腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。

（5）供汽设备:

由过热器、减温器、集汽包、供汽管路等组成。

由锅炉汽包引出的饱和蒸汽，通过过热器把蒸汽的温度提高一定程度，由减温器控制所需温度，再由蒸汽管道送至用户。

（6）仪表设备:

包括蒸汽、水流量、压力、温度、液位指示、给煤、送风等机械和自动调节装置组成。

有的用气压作调节动力，也有的用液压，还有的用电作调节动力。

通过仪表和自动记录的反应，对流量、压力、温度、液位指示、给煤、送风、引风等的变化来进行调节，达到生产运行的要求。

2.2主要控制技术及要求

2.2.1概念.

锅炉的燃烧过程是一个具有强干扰、非线性、时变、多变量的复杂过程锅炉燃烧过程自动控制系统的任务是控制燃料燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适合外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。

因此，当锅炉负荷改变时，需要进行燃烧的调整

通常将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系统,输入量为燃料量,送风量和引风量;输入量为主燃气压力,炉膛温度和炉膛负压.同时,还存在着错综复杂的扰动参数,包括燃气流量扰动和燃料品质扰动等,这些参数互相作用如图2-3所示.在实际控制系统中,通常系统简化为三个子系统:

燃料控制系统,送风控制系统,引风控制系统.

锅炉燃烧系统自动控制基本任务,就是使燃料燃烧所产生的热量,适应蒸汽负荷的需要,同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行.具体控制目标可概括为三个方面.锅炉燃烧过程自动控制主要包括:

（1）燃料量的控制.

（2）送风量的控制.（3）引风量的控制.

2.2.2锅炉燃烧系统的控制目标

①维持蒸汽压力稳定.

蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标,是重要工艺参数.蒸汽给定压力过高或过低,对于金属导管和负荷设备都是不利的:

压力太高,会加速金属的蠕变;压力太低,就不可能提供使各负荷设备符合质量的蒸汽.在运行过程中,蒸汽压力减低,,表明蒸汽消耗量大于锅炉发气量;反之,蒸汽压力升高,说明蒸汽消耗量小于锅炉发气量.因此严格控制蒸汽压力,是确保安全生产的需要,也是维持正常生产负荷的需要.保持汽压稳定也是锅炉正常运行的基本要求.锅炉主蒸汽压力是燃烧量控制系统的主要被调量，在主要扰动下，主蒸汽压力的动态特性。

引起蒸汽压力变化的因素是很多的，如燃料量送风量、给水量、蒸汽流量、以及各种使燃烧工况变化的原因。

它的主要扰动燃料量的改变（称为内扰）和蒸汽量的改变（称为外扰）.

②保证燃烧过程的经济性

送风调节系统的好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化，引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量。

风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎没有迟延和惯性，近似为比例环节。

而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有迟延。

由于送风系统几乎没有延迟和惯性。

所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。

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.图2-2清楚的表明,如果能够恰当的保持燃烧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,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,就会增加热量损失,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.一般地说,对于典型的燃油锅炉,在燃气中保持2%的氧或者10%的过剩空气是最适宜的;对于典型的燃油锅炉,在燃油中保持3.5%的氧或者20%的过剩空气是最合适的,热量损失是最少的.

3维持炉膛压力稳定

炉膛负压是送风量和引风量相平衡的标志,锅炉在正常运行中,炉膛压力也必须保持在规定的范围内.如果是负压操作,则负压偏正,局部地区容易喷火,不利于安全生产和环境卫生;负压过大,漏风严重,总风量增加,烟气热损失增大,不利于经济燃烧.由于燃烧室的空间很大,加之介质密度差产生的自生引力,使沿着炉膛向上负压越来越大,所以保持某个高度的负压是必需的,可行的.

炉膛负压主要受送、引风机的影响，调节通道的动态特性较好，扰动通道的飞升时间很短，飞升速度很快。

通过对燃烧过程被控对象动态特性分析可知，燃烧过程的主要扰动为给煤量（内扰）和蒸汽负荷变化量（外扰），在燃烧率扰动下，汽压被控对象存在一定的滞后时间，根据汽压变化去改变燃烧率（即同时协调地改变燃料量、送风量和引风量）能够较为有效的控制汽压。

这就为燃烧过程的设计提供了依据。

3对象复杂性

锅炉燃烧控制目标是相辅相成的.蒸汽压力变化,需要调节燃料和送风,这势必会引起炉膛内含氧量和负压的变化;炉膛含氧量变化,需要调解燃料和送风的比值,文本中采用变比值调节含氧量使含氧保持恒定,炉膛负压变化,需要调节引风,继而会引起送风量的变化,从而导致蒸汽压力改变,另外引风量变化也要引起含氧量的变化.同时,由于实际过程中燃料的配比极其不稳定,燃料的热值时好时坏,“负荷流量”的需要有时高有时低,致使被控对象极其不稳定,所以锅炉燃烧对象存在强烈的外部干扰.另外,燃烧系统需要经过汽包汽水分离系统才能形成蒸汽,这又使得主蒸汽的压力变化具有一定的滞后性.总之,锅炉燃烧对象是一个具有多变量,强耦合,强干扰,大滞后的复杂过程系统.常规的PID控制很难相互兼顾使得这些控制目标达到相对稳定,因此需要考虑更加复杂的,先进的,智能化的控制方案才能实现.图2-4为燃烧控制系统的耦合关系示意图.

经过以上对锅炉燃烧控制系统复杂性的分析可知,锅炉燃烧系统控制变量及操纵变量如表2-1所示:

锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应负荷的需求,同时保证锅炉的经济,安全运行.为适应蒸汽负荷的变化,应及时调节燃料量;为完全燃烧,应控制燃烧量与送风量的比值,使过剩空气系数满足要求;为了防止燃烧过程中火焰或者烟气外喷,应控制炉膛负压.这三项任务互相影响,应消除或削弱它们的关联.

4小结

本节介绍了锅炉燃烧系统中各变量的动态特性及其相互之间的耦合关系,明确阐述了燃烧系统的控制目标,指明了控制的复杂性.

2.2.3锅炉燃烧系统的动态特性

①蒸汽压力控制系统的动态特性

锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被调量,引起蒸汽压力变化的因素有很多,如燃料量,送风量,引风量,蒸汽流量以及各种使燃烧工况发生变化的原因.它受到的主要扰动分为内扰（燃料的变化）和外扰（蒸汽流量的改变）.以蒸汽压力作为被调量的燃烧过程示意图如图2-1所示.

（1）内扰特性

锅炉正正常运行时,若进入炉膛的燃料发生变化,则炉膛发热量立即化.

蒸发量部分可以看作是一个储热量的容器,反映储热量多少的主要参数是汽包压力P.当炉膛发热量Q和蒸汽流量D所带走的热量不相等时,汽包压力P就要发生变化:

（a）蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供气条件有关,如果用气量D不变,而

燃料量改变产生内扰时,蒸汽压力发生变化;

（b）若用气设备的调节阀开度M不变,则随着气压的升高,蒸汽流量也将增加,

当蒸汽流量带走的热量等于燃料增加的热量时,蒸汽压力又在新的数值上稳定下来,系统达到新的平衡.

（2）外扰特性

外扰有两种情况,一种是负荷设备的蒸汽阀门开度改变,另一种是负荷设备用

气量突然增加（或者减少）所产生的.下面就分析两种情况的扰动下,蒸汽