篇一：锅炉燃烧过程控制系统设计论文
摘要
随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。目前，我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高，设计出一套热效率高、节能、环保、安全的锅炉控制系统。因此，进行锅炉过程控制系统设计具有重要的实际意义。
该论文在参考文献的基础上，首先介绍了课题研究意义，基础理论知识，其中包括PLC相关的理论以及过程控制系统的理论，描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理。然后分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包水位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统，并且选择了满足要求的控制方案。在有了基础理论后，找控制系统中I/O点,详细分析I/O点的类型、数量等。根据I/O点，对PLC进行选型，再根据所选的PLC，对I/O点的地址进行分配。最后进行软件设计。绘制程序流程图，然后设计梯形图，最后在S7-200的编程软件上实现。
关键词：锅炉;水位控制;燃烧控制;蒸汽温度控制;可编程序控制器
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmodernindustry,theenergyutilizationratioofthedemandishigherandhigher,aswillaenergyintotwotimestheenergyofoneoftheimportantequipment,theboilercontrolandmanagementthendemandishigherandhigher.Atpresent,China"sburningheatingboilercombustionefficiencyusedisratherlow,butalsomaketheboilercombustionisnotfull,andcauseairpollutionisaggravating,soitisurgentrequirementofourboilertechnologyimprovements,designasetofhighthermalefficiency,energysaving,environmentalprotection,safetyofboilercontrolsystem.Therefore,intheprocesscontrolsystemdesignofboilerisimportantpracticalsignificance.
Thispaperonthebasisofthereferences,firstintroducedtheresearchsignificance,thebasicknowledge,includingPLCrelatedtheoryandthetheoryofprocesscontrolsystem,describestheboilercombustion,waterlevelcontrolsystemprincipleofwork.Andthenanalyzestheboilercontrolsystemofthecontrollingtasksandcontroltarget,therelevantcontrolsystemdesign,includingtheboilerdrumwaterlevelcontrolsystem,thecombustioncontrolsystemandsteamtemperaturecontrolsystem,andselectthemeettherequirementsofcontrolplan
.Lookforcontrolsystem
I/Opoint.
AccordingtotheI/Opoints,theselectionofPLC,againaccordingtothe
selectedPLC,theI/Oaddressforthedistributionofthepoints.Design
thesoftware.Draw
programflowcharts,andthendesignladderdiagrams,thelastinthes7-200programmingsoftwarerealization.
Keywords:boiler;Waterlevelcontrol;Burningcontrol;Steamtemperaturecontrol;Programmablecontroller
目
录
第一章
绪论
..............................................................................................11.1锅炉控制系统设计目的及意义
...................................................11.2锅炉控制系统的国内外发展状况
...............................................21.2.1锅炉自动控制的国内外现状
..............................................21.2.2锅炉自动控制的发展前景
..................................................31.3本文主要内容及论文结构
...........................................................41.3.1论文主要内容
......................................................................41.3.2论文结构
..............................................................................5第二章
基础理论知识
..............................................................................62.1PLC介绍.......................................................................................62.1.1PLC的基本概念..................................................................62.1.2PLC的基本结构..................................................................62.1.3PLC的工作原理..................................................................72.1.4PLC的编程语言..................................................................82.1.5PLC的程序结构..................................................................92.1.6PLC在控制系统中编程的步骤........................................102.2过程控制系统简介
.....................................................................112.2.1过程控制系统的发展
........................................................112.2.2简单控制系统
....................................................................122.2.3复杂控制系统
....................................................................122.2.4PID控制简介.....................................................................16第三章
锅炉综合控制系统设计
............................................................183.1背景介绍
.....................................................................................183.1.1工艺及装置介绍
................................................................183.1.2锅炉控制任务
....................................................................203.1.3锅炉控制方案
....................................................................203.2选型
.............................................................................................233.2.1I/O点分布..........................................................................233.2.2PLC选型............................................................................253.2.3I/O地址分配......................................................................263.3软件编程
.....................................................................................283.3.1程序流程图
........................................................................283.3.2梯形图
................................................................................32第四章
结论
............................................................................................36参考文献
..................................................................................................37致谢
..........................................................................................................3第一章
绪论
1.1锅炉控制系统设计目的及意义
目前，相当多的锅炉仍旧在采用传统方式控制，主要依靠操作员手工来完成，这样就要求锅炉操作员时刻都要在现场监控锅炉运行情况，并且要对整个锅炉系统的运行过程以及过程中各个环节的相互影响都有相当深刻的了解，能够根据现场实际情况及时调整各个相关参数以达到工艺要求。其过程复杂，而且还凸显了很多弊端。操作容易导致安全事故，而且参数控制不够准确及时，而导致能源和资源的浪费严重，另外运行维护成本也高，劳动效率低下。
随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。
锅炉是我国石油、化工、发电等工业生产过程中必不可少的设备，其产物蒸汽不但可以作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源，并可以作为驱动设备的动力源。根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3亿多l吨，占我国原煤产量的三分之一。由于煤质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的效率，低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题[1]。
据有关资料统计，一台10t/h的锅炉,若提高热效率1%，每年就能节约煤200吨左右，约合人民币20000多元，济效益是很明显的。又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，有可能将锅炉的热效率提高5%以上。另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。
随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保意识的增强，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术不提高将难以适应生产的需要。因此，这
就需要在锅炉控制技术上进行变革，需要设计一种性价比合理的、使用和维护方便的新型工业锅炉控制系统。
PLC的出现，使人们摆脱了常规仪表的局限性，为锅炉的自动控制注入了新的活力，使得一些先进的控制方法得以实现。PLC是目前最常用的装置，其最大特点就是可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。此外，PLC编程简单，使用方便，现场调试时间短。为此，本课题通过PLC来对整个锅炉作业过程进行实时监控，配置控制与管理系统，实现自动控制[2]。
总结国内外锅炉控制经验，结合实际，设计出适合锅炉的控制硬件系统，并实现先进控制算法，提高锅炉的自动化水平，以及效率，合理利用资源，达到锅炉控制系统安全、节能、环保运行。这具有重要的经济效益和深远的社会效益。
1.2锅炉控制系统的国内外发展状况
1.2.1锅炉自动控制的国内外现状
锅炉的自动控制经历了三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。
在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉己逐步取代燃煤锅炉，风机和水泵等电机的变频控制己相当成熟。自20世纪90年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制、自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提高，锅炉的控制己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、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。
在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段[3]：
(1)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、给煤的多少，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，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机检测系统，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。
1.2.2锅炉自动控制的发展前景
现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控
制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。
从当前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成当前控制领域的一个重要研究方向。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了较广泛的研究[4]。
由于锅炉生产过程是缓慢的，而计算机的运算过程是相当快的，所以计算机在完成系统控制功能的基础上还可以利用软件来代替许多仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅报警器、滤波器等），从而既减少投资又减少故障率。计算机控制还可以把许多必要的参数（如压力，流量、温度等）定时打印出来，使管理更现代化、科学化。计算机参与锅炉的控制还能够对运行系统进行各种在线测试，使锅炉以较高的效率进行，这样能节约能源，也为提高控制精度和完善锅炉结构指出了改进的方向。如果计算机发展到智能计算机系统，也就是接近人的计算机系统。这种计算机如果应用到工业锅炉生产上，那么锅炉生产的管理会更完善，能源的利用会更加合理，更加充分。到那时，工业锅炉的控制将会出现更新的局面。计算机在工业锅炉上的应用是很有发展前途的。
因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。
1.3本文主要内容及论文结构
1.3.1论文主要内容
论文首先介绍了工业锅炉的组成及工作过程，对整个生产工艺进行了概述。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些输入变量与输出变量之间相互关联，构成了锅炉主要的控制系统。1.锅炉汽包水位控制系统。采用三冲量控制系统，即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。2.锅炉燃烧控制系统。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。3.过热蒸汽温度控制系统。过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽。在设计完控制方案的基础上，本系统采用PLC控制，对PLC进行硬、软件的设计。最后对系统实现自动控制。
1.3.2论文结构
论文的第一章，主要介绍了课题的研究目的及意义，对锅炉综合控制系统的国内外发展情况进行了介绍。
论文的第二章，主要介绍了本设计涉及到的一些基础知识及理论，包括可编程控制器以及过程控制等的一些知识。
论文的第三章，首先介绍了锅炉的工艺流程及装置，对整个工艺进行了说明，其次介绍了主要的控制系统及控制方案，在此基础上进行硬件选型，最后根据前面的工作，进行软件设计。
论文的第四章，结论，即对整个设计总结，包括优缺点，以及展望等。
第二章
基础理论知识
2.1PLC介绍
2.1.1PLC的基本概念
可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC，它是采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和计算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分[5]。
早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC己不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2.1.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
b、中央处理单元(CPU)[6]
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
c、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d、输入输出接口电路
一是现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，作用PLC与现场控制的接口界面的输入通道。二是现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e、功能模块
如计数、定位等功能模块。
f、通信模块
如以太网、RS485等通讯模块
2.1.3PLC的工作原理
PLC的工作原理可用一句话概括，即扫描的工作模式。有周期性、批处理的特点。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行
和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
一般来说，PLC的扫描周期还包括自诊断、通信等，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间总和。
2.1.4PLC的编程语言
以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。
(1)顺序功能图
这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。
(2)梯形图
这是使用最多的PLC编程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计
数器或数学运算等附加指令。
(3)语句表
是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。
(4)功能块图
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。
(5)结构文本
结构化文本（ST）是为IEC61131－3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。
2.1.5PLC的程序结构
西门子的CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。
(1)主程序
主程序是程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。
(2)子程序
子程序是可选的，仅在被其他程序调用时执行。同一个子程序可以在不同的地方被多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。设计的好的子程序容易移植到别的项目中去。
(3)中断程序
中断程序用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。
2.1.6PLC在控制系统中编程的步骤
(1)仔细阅读产品说明书[7]第一步看起来很简单，因此会被很多设备工程师认为是浪费时间而忽略。仔细阅读说明书，首先要阅读安全守则，知道哪些机构可能会对人造成伤害，哪些机构最容易发生撞击，当发生危险时如何解决。这是很重要的一步。
(2)编程软件中进行硬件配置，找出I/O点。
在编程前，首先要找到需要控制的I/O点，对其进行具体分析，编程根据实际PLC的类型建立硬件配置以及相应的通讯配置，将I/O地址进行分配。
(3)编写程序流程图
在进行PLC软件编程之前，一定要先写出程序的流程图。一个完整的程序，应该包括主程序、停止程序、急停程序、复位程序等部分，如果软件允许，应该将各个程序按“块”的形式编写，即一个程序是一个块，最终将每个块按需求来调用即可。
(4)软件中编写程序
确保流程没有问题后，便可以在软件中编写程序了。编写程序时按照程序流程图来编写。
(5)调试程序
一般调试程序，可以分成两个方面：
a、如果条件允许，可以先用软件的仿真功能做测试。
b、传到PLC中进行在线的调试。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。此外，PLC可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。由此可看出，PLC在工业控制中已经起到了非常重要的作用。
2.2过程控制系统简介
2.2.1过程控制系统的发展
随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。
在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是:分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中,过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化[8]。
工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。
2.2.2简单控制系统
简单控制系统指的是单输入-单输出的线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流的今天，即使在高水平的自动控制设计中，简单控制系统仍占控制回路的绝大多数。力求简单、可靠、经济与保证控制效果是控制系统设计的基本准则。
简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差进行运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于控制操作变量变化。被控对象是需要控制的设备。
设定值
控制器
GC1(S)GC2(S)
GV(S)
GP2(S)
GP1(S)
检测变送2控制器
执行器
流量对象
Q1检测变送1图2.4单闭环比值控制系统方框图
单闭环比值控制系统的四种工作情况[10]：
a、当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。b、当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证比值一定。c、当主物料流量受到扰动，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量变化，从而保证原设定的比值不变。d、当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。
2.2.4PID控制简介
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
在工程实际中，应用最广的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
(1)PID控制原理
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其控制规律为[11]
u?t?＝KP[e（t）+1TI?e(t)dt+TDde(t)]dt式中：KP----为比例系数；
TI-----为积分时间常数；
TD-----为微分时间常数
a、比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。不过对于那些允许余差存在，控制要求不高的场合，这时可以采用纯比例控制。
b、积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。在比例控制中存在误差，为了消除误差，控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，可消除余差。但积分作用也有缺点，即积分饱和，因此使用积分时要考虑。
c、微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，所以对有较大惯性或滞后的被控对象，要加“微分项”，这样能改善系统在调节过程中的动态特性。
(2)PID控制的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：a、首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；b、仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；c、在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数[12]。
PID参数的预置是相辅相成的,运行现场应根据实际情况进行具体分析，使其参数间互相协调，经过反复的调试、修改，从而找到最适合控制系统的数值。
第三章
锅炉综合控制系统设计
3.1背景介绍
3.1.1工艺及装置介绍
图3.1工艺设备图
一般的锅炉结构主要由以下几部分组成[13]：
(1)汽锅:由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管簇内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒里面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。
(2)炉膛:是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料由传送设备直接送入炉内燃烧。所需的空气由鼓风机送入，燃尽的灰渣被炉排带到除灰口，入灰斗中。高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排到大气中。
(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)省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。省煤器由蛇形管组成。
(5)空气预热器:是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。通常，大、中型锅炉中均设有空气预热器。
(6)引风设备:包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出。
(7)送风设备:由送风机和风道组成，供应燃料燃烧所需要的空气。
(8)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和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入锅筒。
(9)水处理设备: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或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。
(10)燃料供给设备:由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。
(11)除灰除尘设备:分别为收集锅炉灰渣并运往存灰场地及除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。
汽包
汽水分离
过热器
过热蒸汽
省煤器
给水
原煤或煤粉
炉排
炉膛
引风机
烟囱
鼓风机
预热器
图3.2锅炉工作流程示意图
由上面的锅炉工作流程示意图可以看出，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过热器，形成一定温度、压力的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气[14]。
3.1.2锅炉控制任务
燃煤蒸汽锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力及温度）的蒸汽，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，工业锅炉控制主要有下列自动调节任务[15]：
(1)保持汽包水位在设定范围，汽包水位是锅炉正常运行的主要标，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。对于汽包水位的调节，调节参数可以选用给水阀的开度。
(2)维持蒸汽压力在预定值，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，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。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)维持锅炉燃烧的经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。
(4)维持炉膛负压在一定范围内，炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。要使蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。
3.1.3锅炉控制方案
为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划为若干控制系统。主要控制系统如下[16]：
a、锅炉汽包水位控制系统，被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。
b、锅炉燃烧控制系统，有三个被控量，蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在一定的范围内。操纵变量也有三个，即燃料量、送风量、和引风量。
c、过热蒸汽温度控制系统，过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽。被
控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。
(1)锅炉汽包液位控制
汽包液位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包液位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件[17]。
a.如果液位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸。b.液位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全和经济性。
在汽包液位控制中有单冲量、双冲量和三冲量控制方案，由于单冲量控制系统不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包液位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包液位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包液位[18]。
DGMD(S)
PS
GHD(S)
RLC(S)WFC(S)GP2(S)
GMW(S)
GHW(S)H
∑
GMH(S)
图3.3三冲量控制系统方框图
(2)锅炉燃烧控制系统
锅炉燃烧控制系统的基本任务是保证锅炉经济、安全运行的同时使燃料燃烧所产生的热量适应水温负荷的需求。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。本系统由蒸汽压力控制炉排的给进速度，燃料量对锅炉系统负荷变化较大，本系统在汽包压力控制回路中引入蒸汽流量作为前馈信号。为保证燃料充
分燃烧，送风量应该与燃料量作协调变化。汽包压力调节器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调节器。送风调节采用串级控制方式，其主调节信号为送风压力，副调节器信号是燃料量，调节器的输出通过控制变频器达到调节电机转速的目的。锅炉引风控制的控制目标是保证炉膛压力稳定，为了使引风机能快速跟随送风量的变化，将送风调节器的输出信号引入引风调节器，作为前馈信号[19]。
汽包液位
液位变送器
蒸汽流量
差压变送器
送风压力
差压变送器
炉膛负压
压力变送器
主调节器
调节器
副调节器
调节器
变频器
变频器
变频器
炉排电机
送风机
图3.4锅炉燃烧控制系统框图
引风机
(3)过热蒸汽温度控制系统
蒸汽温度是重要的工艺参数。锅炉过热蒸汽系统的控制任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。锅炉蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器等[20]。
TSPT
GC1(S)
GC2(S)
GV(S)
GP2(S)
GP1(S)
GM2(S)
GM1(S)
图3.5过热蒸汽温度串级控制系统框图
3.2选型
3.2.1I/O点分布
(1)锅炉给水：
本系统有两台给水泵，其中一台正常使用，另一台备用。
表3.1给水I/O点分布
序号
1234567891011121314控制内容
给水流量
汽包液位
给水泵运行
给水泵运行故障
给水泵启动
给水泵停止
汽包高水位上限Ⅱ
汽包高水位上限Ⅰ
汽包低水位下限Ⅱ
汽包低水位下限Ⅰ
给水流量调节1给水流量调节2进水阀开启
出水阀开启
数量
11222211111111I/O类型
AIAIDODIDIDIAIAIAIAIAOAODODO备注
涡街流量计
液位变送器
泵
热继电器
按钮
按钮
设定值
设定值
设定值
设定值
电动调节阀1电动调节阀2按钮
按钮
(2)给煤：
本锅炉由给煤机往煤斗中加煤，控制给煤机的启停，炉排由普通的交流电机通过电机带动，为实现经济燃烧，使其速度可调，所以加入变频控制。
表3.2给煤I/O点分布
序号
123456789控制内容
给煤机运行
给煤机运行故障
给煤机启动
给煤机停止
炉排运行
炉排运行故障
炉排启动
炉排停止
炉排运行调节
数量
111111111I/O类型
DODIDIDIDODIDIDIAO备注
电机
热继电器
按钮
按钮
电机
热继电器
按钮
按钮
变频器
10燃料量
1AI流量计
(3)送风和引风：
引风机和送风机均为交流电机，并且引风机和送风机要求速度可以调节，所以要加入变频控制。
表3.3送风引风I/O点分布
序号
123456789101112131415控制内容
送风压力
一次风机启动
一次风机停止
一次风机运行
一次风机运行故障
一次风调节
二次风机启动
二次风机停止
二次风机运行
二次风机运行故障
引风机启动
引风机停止
引风机运行
引风机运行故障
引风调节
数量
111111111111111I/O类型
AIDIDIDODIAODIDIDODIDIDIDIDIAO备注
压力变送器
按钮
按钮
电机
热继电器
变频器
按钮
按钮
电机
热继电器
按钮
按钮
电机
热继电器
变频器
(4)炉膛：
表3.4炉膛I/O点分布
序号
12控制内容
炉膛温度
炉膛负压
数量
11I/O类型
AIAI备注
热电偶
差压变送器
(5)蒸汽：
表3.5蒸汽I/O点分布
序号
1234控制内容
蒸汽温度1蒸汽温度2蒸汽流量
减温水阀
数量
1111I/O类型
AIAIAIAO备注
热电偶
热电偶
涡街流量计
电动调节阀
3.2.2PLC选型
根据以上的I/O点分布，总结出，系统有21个数字量输入（DI），9个数字量输出（DO），13个模拟量输入（AI），6个模拟量输出（AO）。
根据各种I/O点的数量以及类型，选择西门子公司的S7-200。具体模块选择如下：
(1)中央处理器CPU224订货号：6ES7214-1AD23-0XB0本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。
(2)1个数字量输入模块EM221订货号：6ES7221-1BF22-0XA0本系统有21个数字量输入，由于CPU224自带14输入/10输出的数字量，因此还需要其他的数字量输入模块，EM221CN具有8路的数字量DC输入，所以选择EM221来进行扩展，从而满足要求。
(3)1个模拟量输入模块EM231订货号：6ES7231-7PD22-0XA0本系统有3个温度需要用热电偶来测量，所以选择EM231热电偶模块，EM231热电偶模块提供一个方便的、隔离的接口，用于七种热电偶类型：J，K，E，N，S，T，和R型。EM231热电偶模块具有4路的模拟量输入，因此用一个输入模块EM231即可满足要求。
(4)1个模拟量输入模块EM231订货号：6ES7231-0HC22-0XA0本系统有13个模拟量输入模块，其中有3个热电偶输入，用EM231热电偶模块来输入，还有10个模拟量输入，还需要扩展其他的模拟量输入模块。6ES7231-0HC22-0XA0的EM231模拟量输入模块具有4路的模拟量输入。
(5)1个模拟量输入模块EM231订货号：6ES7231-0HF22-0XA0以上已经选择了一个具有4路的模拟量输入模块，但仍然不能满足要求，还需要扩展，6ES7231-0HF22-0XA0的模拟量输入模块具有8路的模拟量输入，用一个即可满足要去。
在本系统中一共用了3个模拟量输入模块来达到系统要求。
(6)1个模拟量输出模块EM232订货号：6ES7232-0HD22-0XA0本系统有6个模拟量输出，6ES7232-0HD22-0XA0的模拟量输出模块EM232具有4路的模拟量输出，输出的信号可以是电压也可以使电流信号，其输入与PLC具有隔离。
(7)1个模拟量输出模块EM232订货号：6ES7232-0HB22-0XA0以上已用了具有4路的6ES7232-0HD22-0XA0的模拟量输出模块EM232，本系统一共有6个模拟量输出，因此还需扩展。6ES7232-0HB22-0XA0的模拟量输出模块EM232具有2路模拟量输出模块，用这2个模拟量输出模块即可达到本系统的要求。
在本系统中一共用了2个模拟量输入模块来达到系统要求。
中央处理器CPU224可以扩展7个模块，在本系统中扩展了6个模块，既符合了处理器的的要求，也达到了系统的要求。
3.2.3I/O地址分配
以上已经把系统控制所需的I/O点罗列出来，并且具体的把I/O的类型、控制内容、数量等进行了详细的说明。另外，根据罗列的I/O点，对PLC进行了选型，对系统所需扩展的模块也进行了选择。
前面所做的工作都是为了后面的软件编程，而在编程前还需要完成I/O地址的分配。只有将I/O的地址分配好，才能编好程序。
具体I/O地址分配如下：
(1)中央处理器CPU224模块（14DI/10DO）
表3.6CPU模块I/O地址分配
I/O点
I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6参数名称
1＃给水泵启动
1＃给水泵停止
1＃给水泵运行故障
2＃给水泵启动
2＃给水泵停止
2＃给水泵运行故障
给煤机启动
I/O点
Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6参数名称
1＃给水泵运行
2＃给水泵运行
给煤机运行
炉排运行
一次风机运行
二次风机运行
引风机运行
I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5给煤机停止
给煤机运行故障
炉排启动
炉排停止
炉排运行故障
一次风机启动
一次风机停止
Q0.7Q1.开进水阀
开出水阀
(2)数字量输入模块EM221(8路DI)表3.7EM221（8路）模块I/O地址分配
I/O点
I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6参数名称
一次风机运行故障
二次风机启动
二次风机停止
二次风机运行故障
引风机启动
引风机停止
引风机运行故障
(3)模拟量输入模块EM231（4路AI）
表3.8EM231（4路）模块I/O地址分配
I/O点
AIWOAIW2AIW4参数名称
炉膛温度
蒸汽温度1蒸汽温度2(4)模拟量输入模块EM231（4路AI）
表3.9EM231（4路）模块I/O地址分配
I/O点
AIW8AIW10AIW12AIW14参数名称
给水流量
汽包液位
汽包高水位上限Ⅱ
汽包高水位上限Ⅰ
(5)模拟量输入模块EM231(8路AI)
表3.10EM231(8路)模块I/O地址分配
I/O点
AIW16AIW18AIW20AIW22AIW24AIW26参数名称
汽包低水位下限Ⅱ
汽包低水位下限Ⅰ
燃料量
送风压力
炉膛负压
蒸汽流量
(6)模拟量输出模块EM232（4路AO）
表3.11EM232（4路）模块I/O地址分配
I/O点
AQW0AQW2AQW4AQW6参数名称
电动调节阀1电动调节阀2炉排运行调节
一次风机调节
(7)模拟量输出模块EM232（2路AO）
表3.12EM232（2路）模块I/O地址分配
I/O点
AQW8AQW10参数名称
引风机调节
减温水阀调节
3.3软件编程
在软件编程前，已经熟悉了整个工艺过程，并且找出了主要的控制系统以及需要控制的I/O点，对PLC以及需要扩展的模块做了选型，根据模块对I/O的地址进行了分配。要进行软件编程，在完成了前面的工作，还需要画出程序流程图，最后才能进行编程。
3.3.1程序流程图
在本系统中主要有3个控制系统：汽包液位控制系统，燃烧控制系统，蒸汽温度控制系统。其中燃烧控制系统分为3个子系统。根据控制方案，本系统一共画了
5个程序流程图。
具体程序流程图如下：
(1)汽包液位控制
汽包液位控制主要是控制液位在工艺允许的范围内。当水位超过上限Ⅱ、下限Ⅱ时，使给水泵停止；当水位低于下限Ⅰ时，打开进水阀，向其内注水；当水位高于上限Ⅰ时，打开出水阀，放水；在上限Ⅰ和下限Ⅰ时，用PID调节。
开始启动给水泵检测汽包高水位Ⅱ，低水位ⅡY停机N检测汽包高水位Ⅰ，低水位ⅠNPID自动调节Y低于Ⅰ时，注水高于Ⅰ时，放水结束
图3.6汽包液位控制程序流程图
(2)炉排运行控制
炉排运行控制是燃烧控制的一个子系统，是通过汽包液位和蒸汽流量来控制炉排的运行速度，从而控制燃料煤的流量。
开始启动炉排采集汽包液位采集蒸汽流量PID自动调节输出炉排频率
结束
图3.7炉排运行控制程序流程图
(3)引风机运行控制
引风机运行控制也是燃烧控制的一个子系统，是通过炉膛负压和送风压力来控制引风机的运行，从而控制引风量。
开始启动引风机采集炉膛负压采集送风压力PID自动调节输出引风机频率结束
图3.8引风机运行控制程序流程图
(4)送风机运行控制
送风机运行控制还是燃烧控制的一个子系统，是通过送风压力和燃烧量来控制
送风机的运行，从而控制送风量。在此控制中用到了串级控制。
开始启动送风机采集送风压力采集燃烧量主PID自动调节副PID自动调节输出送风机频率结束
图3.9送风机运行控制程序流程图
(5)蒸汽温度控制
蒸汽温度控制主要是控制蒸汽温度在工艺允许的范围内，并保护过热器，使
管壁温度不超过允许的工作范围。采用串级控制系统，以减温器蒸汽出口温度为副
参数，减温水量为操作变量，通过此串级控制系统来控制蒸汽的出口温度。开始采集蒸汽出口温度采集减温器后温度主PID自动调节副PID自动调节调节减温器阀结束
图3.10蒸汽温度控制程序流程图
3.3.2梯形图
本系统选用西门子S7-200的PLC。西门子S7-200PLC的编程软件是STEP7-Micro/WINV4.0，利用编程语言梯形图，根据程序流程图，对本系统的控制系统进行编程。具体程序如下：
(1)
汽包液位控制
图3.11汽包液位控制梯形图
(2)燃烧控制系统
图3.12炉排运行控制梯形图
图3.13送风机运行控制梯形图
图3.14引风机运行控制梯形图
(3)蒸汽温度控制系统
图3.15蒸汽温度控制梯形图
第四章
结论
本设计以当前我国锅炉控制技术的蓬勃发展为背景，在通过对现场锅炉系统的工作原理以及工艺流程的分析基础上，确定合理的控制方案。采用先进的西门子S7-200PLC进行控制，实现自动控制。设计工作的过程中做了以下的工作：
第一阶段，详细分析了当前锅炉技术的发展状况，以及未来的发展趋势，从经济效益、社会效益以及现有技术条件方面进行了设计的可行性研究。
第二阶段，针对课题，着手理论性分析。分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包液位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统，并且选择了满足要求的控制方案。
第三阶段，在有了基础理论后，找控制系统中I/O点,详细分析I/O点的类型、数量等。根据I/O点，对PLC进行选型，再根据所选的PLC，对I/O点的地址进行分配。
第四阶段，在完成了第三阶段的工作后，即完成了硬件设计，进行软件设计。首先画程序流程图，然后设计梯形图，最后在S7-200的编程软件上实现。
经过几个月的努力，基本上完成了本系统的设计工作。本文将传统的锅炉控制系统改进成以可编程序控制器（PLC）为核心的控制系统。把传统的模拟调节器改进成为数字调节器，通过软件来实现各种控制算法。从而实现了锅炉控制系统的自动控制。
另外，本系统还有很多发展和改进的空间。今后我们可以借助现场总线技术以及网络技术，将单一控制对象扩展到多个控制对象，扩展研究成果。总的来说，本研究对于加快我国现代锅炉控制技术以及工业过程控制自动化技术的发展有着重要的参考价值。
参考文献
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致谢
本论文是在导师郭小萍老师的悉心指导下完成的。郭小萍老师以渊博的知识，严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神使我深受裨益。在研究过程中，郭老师对我的课题进行宏观上的指导，使我在整个研究过程中，能够目标明确，少走弯路，整个课题工作都是在郭老师的带领下完成的，郭老师亲历亲为，传授知识与经验。同时郭老师在我的平时生活中，时常对我关心与鼓励，使我对学习和工作充满信心。在此我要向郭小萍老师表达深深的敬意和衷心地感谢。
四年的大学生活中，自动化专业的其他老师在学习和生活中给我悉心的指导和照顾，同窗学友们互敬互助，给予我许多无私的关心和帮助。在此，谨向他们表示诚挚的谢意。
最后感谢我的父母及家人，在我学习期间，他们给了我极大的支持，是他们对我的理解和鼓励使我能够克服所有困难并顺利完成学业，在此向他们表以由衷的感谢。
篇二：锅炉燃烧过程控制系统设计论文
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燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真
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。本文仅以燃油蒸汽锅炉为例说明燃烧系统中具有一定普遍性的控制问题。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
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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.Thispaperonlytotakefuelsteamboilercombustionsystemasanexample,itillustratesthecontrolproblemswithcertainuniversalityinthecombustionsystem.Thepurposeofthissubjectistodesignthesystemframeworkforsteampressurecontrol,fuelairratiocontrolandhearthnegativepressurebasedontheactualproductionneeds,alsomakemodelintheMATLABenvironmentaswellasresearchforthealgorithmofcontrol.ItmainlyusestheMATLABandSIMULINKtoolbox,adjustingtheparametersintermsofthewaveformofoscilloscope.Asaresult,thecontroleffectimproved.
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--Keywords:,combustioncontrolsystem,MATLAB,processcontrol,SIMULINK--
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目
录
摘
要…………………………………………………………..…………………………IABSTRACT…………………………………………………………………….…………II前
言…………………..…………………………………………………………………11绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------61.1研究目的及意义-------------------------------------------------------------------------------------------61.2相关领域的研究现状--------------------------------------------------------------------------------------61.2.1燃油蒸汽锅炉发展和现状-----------------------------------------------------------------61.2.2燃烧控制系统的简介--------------------------------------------------------------------------------1.3论文的章节安排
2燃油蒸汽锅炉燃烧控制系统控制原理---------------------------------------------------------62.1系统基本结构与设备--------------------------------------------------------------------------------------62.2主要控制技术及要求-----------------------------------------------------------------------------12.2.1稳定蒸汽母管的压力-------------------------------------------------------------------------------122.2.2维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性-------------------------------------------------------------122.2.3维持炉膛负压在一定范围------------------------------------------------------------------------122.2.4锅炉燃烧系统控制对象的特性-------------------------------------------------------------------123蒸汽压力控制、燃料空气比值控制和炉膛负压控制的基本模型建立-------------------143.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统基本模型--------------------------------------------143.2炉膛负压控制系统----------------------------------------------------------------------------------------154MATLAB环境下控制算法的研究---------------------------------------------------------------14.1系统辨识---------------------------------------------------------------------------------------------------14.2控制系统参数整定---------------------------------------------------------------------------------------14.3控制系统SIMULINK仿真-----------------------------------------------------------------------------245结
论-------------------------------------------------------------------------------------------------28参考文献-------------------------------------------------------------------------------------------------28致谢-------------------------------------------------------------------------------------------------------29--
--附录-------------------------------------------------------------------------------------------------------46译文及原文----------------------------------------------------------------------------------------------5--
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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燃油蒸汽锅炉发展和意义
工业燃油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。
1.3文章论文章节安排
本论文各章的组织结构如下：
第一章为绪论部分。主要介绍了论文的研究背景，介绍了燃油蒸汽锅炉和燃烧控制系统的问题描述，研究意思，并对系统的一些特点进行了简单介绍和分析。
第二章为系统控制原理的研究，介绍了系统设备和结构以及主要技术还有要求。
第三章为控制基本模型的建立，分三部分给出主要原理图和框图。
第四章为MATLAB环境下控制算法研究，通过SIMULINK工具得出了各部分的波形。
第五章为展望和总结，对得出波形进行分析，并提出以后的研究方向。
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2燃油蒸汽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
锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务，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。具体控制任务可概括为三个方面。
2.2.1稳定蒸汽母管的压力
维持蒸汽母管蒸汽压力不变，这是燃烧过程自动控制的第一项任务。如果蒸汽压力变了就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量不相适应，因此，必须改变燃料的供应量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的蒸发量，恢复蒸汽母管压力为额定值。这项控制任务就称为汽压控制或热负荷控制。此外，保持汽压在一定范围内，也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作的必要条件。稳定蒸汽母管的压力，对于单独运行的锅炉相对来说要简单些，对于并列运行的锅炉，在一母管上同时有几台锅炉，因而保持母管蒸汽压力不变，还必须解决好几台并列运行锅炉之间的负荷分配问题。
2.2.2维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性
维护锅炉燃烧过程的最佳状态和经济性是锅炉燃烧过程自动控制的第二项任务。燃烧的经济性指标难于直接测量，常用锅炉烟气中的含氧量，或者燃料量与送风量的比值来表示。如果能够恰当地保持燃料量与空气量的正确比值，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，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升;如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。
2.2.3维持炉膛负压在一定范围
炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在20~40Pa的范围内。这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损。因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。这三项控制任务是相互关联的，它们可以通过控制燃料量、送风量和引风量来完成，对于燃烧--
--过程自动控制系统的要求是:在负荷稳定时，应使燃料量、送风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动，这些内部扰动包括燃料的质量变化，以及电网频率变化引起的燃料量、送风量和引风量的变化等。在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、送风量和引风量成比例的改变，既要适应负荷的要求，又要使三个被控量:蒸汽母管压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。
综上分析，使燃料量与空气量之间保持一定的比值关系，是确保经济燃烧的根本问题。这就需要正确地测量燃料量和空气量。对于空气和气体、液体燃料流量的正确测量，虽然也存在着一些具体问题，但是，选用合适的方法是可以实现的。在不少场合，用容积消耗量测量气体和液体燃料的流量，是完全可行并准确可靠的。实现燃烧系统自动控制，通常有两种方法:()l把锅炉设备看成是一只热量计，用测量锅炉内蒸发量的变化，来间接
地监视和控制燃烧系统。这样进行控制，虽然有一定的困难，调节误差比较
大，但它是有效和可行的。
(2)测量烟气中的含氧量O2%，比较直接地监视和控制燃烧系统。以往人们曾经用烟气中的CO2%和CO+H2%来监视燃烧过程。大家知道，当燃煤的化学组分一定时，CO2%才与过剩空气系数成单值对应关系，而在一般情况下，CO2量%与空气过剩系数没有一定的单值对应关系，所以静态误差较大，加之测量仪表可靠性较差和容量滞后很大，所以这种方法目前已基本趋于淘汰。烟气中含氧量O2%与过剩空气系数存在着较好的单值对应关系，静态误差比测CO2%的方法小好几倍。实际上，炉膛中的过剩空气，在评价整个燃烧过程质量时，并不起决定性作用，起决定性作用的是燃料在剩余氧气中的燃烧条件，即取决于自由氧的相对数量，所以选择烟气中的含氧量来控制空气和燃料之比，从而控制燃烧过程，是比较合理而可行的，也是大有前途的。
2.2.4锅炉燃烧系统控制对象的特性
锅炉汽包蒸汽压力是燃烧系统控制对象的主要被调量，分析燃烧系统控制对象的动态特性，是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。为此，下面分析一下在主要扰动作用下，汽包蒸汽压力变化的动态特性。
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。它的主要扰动是燃料量的改变(称为内扰动)--
--和蒸汽流量的改变(称为外扰动)。
锅炉在正常运行时，当进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变，几乎没有迟延和惯性，即为比例。而蒸发部分可以看作是一个储热量的容积，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，其关系式为:dpQ?D?C
dt式中Q-----单位时间内锅炉炉膛发热量;D-----蒸汽流量(用热量表示);
C------锅炉蒸发部分的容量系数，即汽包压力变化一个单位时，锅炉蒸发部分储热量的改变;dp-------锅炉汽包压力对时间的变化率。
dt
蒸汽流量改变时对蒸汽压力扰动称为外扰。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汽量的突然增加(或减少)所产生的。下面就分析两种情况的扰动下蒸汽压力变化的动态特性。
如果负荷设备的蒸汽调节阀开度突然改变，锅炉的汽压也随即改变。当调节阀开度突然开大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量D立即增加△D。但是由于燃料量没有增加，因此汽包蒸汽压力逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也逐渐减少，最后蒸汽流量只能恢复原值。也就是说燃料量不改变，在平衡状态时，锅炉供应的蒸汽流量也不会改变。至于阀门开度增大后，短时间增加的蒸汽量是依靠锅炉蒸发部分储热量减少(压力降低)放出来的。
3控制系统基本模型建立
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--3.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统基本模型
燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供应其他生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过调节压力实现的，随着后续环节的生产用量不同，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例确定。
燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃烧空气比值控制系统的方案如下图3.1，3.2所示
蒸汽压力
FC
空气
Ｋ
燃料
FC
锅炉
燃烧系统
FC
锅炉蒸汽压力检测
3.1燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统结构简图
蒸汽压力
给定
被控对象燃料流量
被控对象
蒸汽压力
调节器
调节器
燃料流量燃料流量与蒸汽压力
--
--
--
燃料流量
燃料流量
检测与变换系统
蒸汽压力
检测变换系统
+
被控对象
空气流量
（空气流量）
调节器
_空气流量
空气流量
检测与变换系统
3.2燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图
3.2.炉膛负压控制系统
当锅炉炉膛负压力过小时，炉膛内的热烟，热气会外溢，造成热量损失，影响设备安全运行甚至危及工作人员安全；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，经常采用的控制方案如图3.3所示。
该方案中以负压为控制目标，引风量做成控制闭环，利用前馈控制消除送风量变动对负压的影响。
送风量
前馈补偿
逆风对负
调节器
压影响
负压给定
+
+
-
+
+炉膛负压
引风与负压关系
引风调节器
_
负压测量变换
3.3炉膛负压控制系统框图
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3.4控制系统总框图
4MATLAB环境下控制算法的研究
4.1系统辨识
(1)燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制
燃烧流量被控对象为：
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G(s)?燃料流量至蒸汽压力关系为：
G(s)?3蒸汽压力至燃料流量关系为:
G(s)?1/3蒸汽压力至燃料流量关系为：
G(s)?1燃料流量检测变换系统数学模型为：
G(s)?1燃料流量与控制流量比值为：
G(s)?1/2空气流量被控对象为:
G(s)?(2)炉膛负压控制
引风量与负压关系：
G(s)?送风量对负压的干扰为：
G(s)?23s?12e?3s
13s?13e?2s
11s?110?se
7s?14.2控制系统参数整定
(1)燃烧控制系统
为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI形式，即：
Ki
Gc(s)?Kp?
s其中，参数Kp和Ki采用稳定边界法整定。先让Ki=0，调整Kp使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图4.1所示：
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--4.1(a)系统临界振荡仿真框图
4.1(b)系统临界振荡响应
记录此时的振荡周期Tcr=11s和比例参数Kcr=3.8,则Kp=Kcr/2.2=1.73，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.18在Kp=1.73，Ki=0.18的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图4.2(a)所示。调节--
--Kp=1.1，Ki=0.1，系统响应如图4.2(c)所示，可见系统有约10%的超调量。
4.2(a)PI模块结构
4.2(b)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图
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4.2(c)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应
(2)蒸汽压力控制系统
在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统参数。系统整定仿真框图如图所示。当Ki=0，Kp=1时(此时相当于无调节器，因此系统最简单)，仿真结果如图4.3所示，上图为系统仿真图，下图为阶跃输出。
4.3(a)蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图
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4.3(b)蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果
由仿真结果可以看出，系统响应超调量约为25%。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度都较好。
(3)空气流量控制系统
空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，当Ki=0.05和Kp=0.08时，系统阶跃响应如图4.4所示，其中上图为阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量约为25%。
4.4(a)整定后空气流量控制系统阶跃响应
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4.4(b)整定后空气流量控制系统阶跃输入
(4)负压控制系统
负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似。当Ki=0.05，Kp=0.03时，系统阶跃响应如图4.5所示，其中上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量为25%。
4.4.5(a)整定后负压控制系统阶跃响应
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4.5(b)整定后负压控制系统阶跃输入
(5)负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：
7s?1G(s)?
15s?54.3控制系统SIMULINK仿真
(1)无干扰仿真
利用各整定参数对控制系统进行仿真，框图如4.6所示。设定蒸汽压力值为10，炉膛负压值为5。仿真结果如图4.7至4.10所示，由上至下依次为蒸汽压力设定值波形，实际蒸汽压力与空气流量波形，负压变化波形和负压设定波形。
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4.6控制系统仿真图
4.7蒸汽压力设定值波形--
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4.8实际蒸汽压力与空气流量波形(红色为实际蒸汽压力波形，黄色为空气流量波形)
4.9负压变化波形
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4.10负压设定波形
(2)有扰动仿真
系统在三个部分中均加入了幅值±0.1的随机扰动。系统仿真图如图4.11所示。仿真结果如图4.12至4.16所示，由上至下依次为蒸汽压力设定值波形，实际蒸汽压力与空气流量波形，扰动波形，负压变化波形和负压设定波形。
4.11有扰动系统仿真图
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4.12蒸汽压力设定值波形
4.13有扰动蒸汽压力实际波形
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4.14扰动波形
4.15有扰动负压变化波形
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4.16负压设定波形
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5结论与展望
5.1总结
本文介绍了燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计与仿真的研究背景和现状，并设计出了一套具有普遍可行性的燃烧控制系统，它共分为三个子系统：蒸汽压力控制系统，燃料空气比值系统和炉膛负压控制系统，本文分别对其做了论证和分析。同时，选择了MATLAB中的SIMULINK工具箱对整个系统进行仿真。在仿真阶段，采用的控制方法是应用最广泛的PI控制，最终都使波形达到了稳定状态。仿真中分了有扰动和无扰动两种不同的情况进行，扰动为幅值±0.1的随机扰动，可以看到在有扰动的情况下，稳定性变差。但Tp,Ts和超调量均无明显变化。系统基本符合要求。
5.2展望
燃油蒸汽锅炉和锅炉燃烧控制系统都是现代工业中最常用的设备，目前的技术已经相当成熟，鉴于设备和时间的限制，作者未能有机会用真正的设备来进行控制系统的研究，仅是通过仿真得出了一些理想状态的数据，而在实际的生产中，还有许多需要考虑的因素，在这样的系统中，还有许多的地方值得去改良，从而达到提高燃料使用效率，减少污染，提高经济效益的目的，这还需要进一步的大力研究。
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--参考文献
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电子工业出版社，2006：226[2]方康玲.过程控制与集散系统.电子工业出版社，2008：59[3]何克忠
李伟
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清华大学出版社，1998：40[4]方清城
罗中良.“过程控制系统”的计算机仿真实验教学
电气电子教学学报，2006；12；28[5]翁维勤,孙洪程
过程控制系统及工程
北京:化学工业出版社,2002[6]王洪国.自动控制技术在工业锅炉上的应用
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[11]B.C.Kuo，AutomatieControlSystem，Prentiee一Hall，1985:pp.256一257[12]M.Healey，PrineiplesofAutomatieControl，HodderandStoughton，1975:PP.198一200[13]SaridisGN，TowardtheRealizationoflntelligentControl[C].ProeoftheIEEE，1979:PP.57一58[14]SiemensAG，ArakPowerPlantFunctionDiagrma.1999:pp.32一34[15]5.H.Chen，Rankingfuzzynumberswithmaximizingandminimizingset.Fuzzysetsandsystem.1985--
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致谢
本论文是在导师李曼珍老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
本论文的顺利完成，离不开各位同学和朋友的关心和帮助。同时在此感谢杨益，张立，肖鑫等同学的关心和帮助。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的学位论文的，同窗之间的友谊永远长存。
谨以此文献给所有关心和帮助过我的老师、同学及朋友们。
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译文及原文
三号黑体居中，上下各空一行
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篇三：锅炉燃烧过程控制系统设计论文
《工业蒸汽锅炉过程控制系统设计》
课程设计报告
专
业：
计算机控制技术
班
级：09计算机控制1班
姓
名：陈文涛
高健
于野
魏玉锋
指导教师：
邢满荣
2011年6月20日
前言
当前，节约资源、提高热能利用率已为各方面所重视及关心。锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。在我国，工业锅炉是能源转换和耗能的主要设备之一，耗能量约占全国原煤产量的三分之一，锅炉由于设计、制造不合理，尤
其是使用管理不当，导致事故的频率很高。据日本20世纪70年代的调查披露，日本当时运
行的十万余台锅炉，在十年间共发生事故355次，其中由于管理不善而发生的事故有243次，占事故总数的70．8％。多年来锅炉的安全工作一直受到国家劳动部门的重视，相继颁
发了许多安全和劳动保护工作的法令、规范和标准，收到了显著效果。解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题已是刻不容缓。为此，如何提高工业锅炉运行效率，降低能源消耗，实现其自动化节能和环保的要求已成为亟待解决的问题。。1欢迎下载
1、工艺流程
1.1锅炉设备介绍
锅炉生产过程是一个多变量多参数相互耦合的复杂过程，其汽水，燃烧过程非常复杂，受多重因素的影响，燃烧系统内部一次风、二次风，输煤，一次返料，二次返料耦合性很强，燃烧与汽水之间也有极其复杂的相互作用关系，同时过程的非线性，滞后性也导致控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型，无法采用有效的预估补偿措施。
锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成，常见锅炉设备工艺流程如图1。
燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一定气温的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。
图1常见锅炉主要设备工艺流程
锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，。
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同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：①
锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；②
锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。
③过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；
④锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。
1.2设计介绍与构想
该锅炉所产生的蒸汽有两部分用途：一部分作为汽轮机的动力源，蒸汽推动汽轮机转动，带动生产线上的其他生产设备正常运转，使生产顺利进行；另一部分蒸汽用作热源，供其他车间生产线提供热源，如原料加热车间、脱水车间、烘烤车间等。此外，在天气严寒的季节里，该锅炉生产的蒸汽还要为整个工厂和企业的所有办公室、车间、职工宿舍等提供热源暖气，供御寒之用。因此，过路的安全、可靠、稳定运行，对工厂、企业的正常运行和员工的生活、工作、学习等具有重大意义。
A、锅炉给燃料气介绍：燃料气煤来源于工厂的储灌，由于储罐的压力不稳，燃烧时产生的热量变化也就很频繁。因此设计的燃烧控制系统要能及时地消除由于燃料气压力变化不均等因素所引起的燃料方面的扰动，而应用所学知识，采用压力信号的燃烧控制系统可以有效满足上述要求。
B、锅炉给水介绍：该工厂的给水来自于工厂的自备水库，通过给水泵将水从水库里抽出，由给水管道，经给水阀门沿给水管道进入锅炉的汽包中。由于给水泵是三相电动机拖动水泵运行，而工厂一带的电网电压、频率波动较大，为了维持汽包水位稳定在安全范围内，需对汽包水位控制系统进行精密设计，使控制信号驱动给水电磁阀门和给水泵，使二者协调工作，维持正常的安全水位。
C、锅炉减温水介绍：用作锅炉过热蒸汽的减温水来自于该工厂的某一生产线产生的清洁温水，约20℃左右，由于生产线温水储备箱中的温水由减温水泵抽出，通过减温水电磁阀门，沿减温水管道进入减温器，对过热蒸汽减温。同样，。
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由于工厂附近的电压、频率扰动，对减温水的流量造成扰动，另外，由于蒸汽经过过热器会造成时间上的延迟，因此要及时有效的控制蒸汽温度，必须克服减温水泵的转速扰动和过热器的时间延迟。结合所学理论知识，经过分析，用串级控制系统对蒸汽温度进行控制能满足要求。
D、本锅炉控制系统的控制任务：稳定过热蒸汽的温度、维持汽包水位在规定的范围内、稳定炉膛压力、维持经济燃烧。
2、控制方案的选择
2.1锅炉水位控制系统
图2锅炉水位控制系2.2汽包三冲量水位控制系统原理图及框图
图3三冲量水位控制系统原理图。4欢迎下载
蒸汽D给水G
图4汽包三冲量水位控制系统框图
选用三冲量控制系统的原因：单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，该方法结构简单，但克服不了“虚假水位”的影响;双冲量控制系统引入蒸汽流量作为前馈信号，减少了由于“虚假水位”带来的变化影响，但控制作用不能及时克服给水流量的扰动，当给水发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能调节执行器，滞后时间较长。
因此本设计中的锅炉采用三冲量控制系统，即调节系统接受三个调节信号:水位H、蒸汽流量D和给水流量G，三冲量控制是在传统的PID串级控制上，引入了前馈控制，构成串级—前馈复合控制系统。
2.3过热蒸汽温度控制系统
图5蒸汽温度控制系统
2.4蒸汽温度控制系统原理图及框图。5欢迎下载
第一过热器
减温器
第二过热器
图6蒸汽温度控制系统原理图
图七
蒸汽温度控制系统框图
过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求，因此，可采用如图7所示的串级控制系统，以减温器出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
2.5锅炉燃烧过程的控制
燃烧系统是一个燃料量、送风量、引风量、主蒸汽烟气含氧量、炉膛负压以及燃料的质量和空气含氧量等干扰因素对燃烧系影响，而且存在很强的耦合性。可以将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系入量为燃料量、送风量和引风量;输出量为主蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛。1、蒸汽压力控制系统，依据蒸汽压力的变化来控制燃料量;2、2、炉膛负压控制系统，一般情况下可以根据炉膛负压来控制烟道的翻板或引风机的转速，以达到稳定炉膛负压的要求，这里设置了一个前馈（蒸汽压力控制器的输出，反映燃料量也即空气量）与炉膛负压反馈控制的复合控制系统。。6欢迎下载
3、如果燃料控制阀阀后压力过高，可能会引起脱火的危险，由过压控制器P2C通过低选器LS来控制燃料控制阀，以防止脱火；
4、如果燃料控制阀阀后压力过低，可能导致回火的危险，由PAL系统带动联锁装置，将燃料控制阀的上游控制阀截断，切断发燃料量的供给。
3、控制系统设计
3.1系统控制参数确定
3.1.1主变量的选择
串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。
综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。该参数可直接反应控制目的。
3.1.2副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：
①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；
②应使主、副对象的时间常数匹配；
③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型
综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。
3.1.3操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；
②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；
③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，。
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使控制系统响应较快；
综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。
3.2调节阀的选择
在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。
调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。
调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：
①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
④从介质的特点考虑。
综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。
阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。
4、报警系统设计
本报警系统由检出元件、信号报警器、音响器、按钮等组成。主要的控制参数有汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等，本设计所设计的是具有声音。
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和闪光的报警系统。当汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等过程参数发生越限时，检测元件检测到这个信号后，就会发出信号，并将其送到信号报警系统，报警系统发出声音和闪光信号，以便现场操作人员及时得知后报警信号，及时按下消音按钮，并采取一定的措施之后，使锅炉过程参数恢复到安全范围之内，灯光熄灭.另外还设置了故障报警：送风机故障报警、引风机故障报警、给水泵故障报警、循环泵故障报警、减温水泵故障报警、送燃料机故障报警等。声光报警装置由扬声器和指示灯组成。
5、总结
本设计是在结合使所学的过程控制系统与自动化仪表技术和计算机控制技术，联系工厂实际客观情况的基础上，对该工厂的锅炉控制系统进行的设计。设计中把整个锅炉控制系统分为三个子系统分别设计：汽包水位控制系统、蒸汽温度控制系统和燃烧控制系统。在对锅炉设备充分了解的基础上包括对锅炉的结构、组成、工作过程以及锅炉性能参数等，对各个子系统被控对象正确确定和合理分析之后，提出了自己的设计方案，进而确定控制规律、传感器、变送器、执行器的选择，最后还对调节器进行了参数整定。整体上看，本次设计是可以的，在工厂现有条件下，基本上能实现对锅炉的自动化调节控制。
本论文的不足之处：本论文所用的控制方案大都是基于比较传统、常规的控制控制理论，而许多先进的控制理论和方案没有涉及；关于设计中的参数整定问题，由于自己操作不熟练、试验设备的精度、不能到工业现场调试等原因，整定的参数可能会不很准确；对于变送器、传感器、执行器的选择，本人对此知之甚少，不太了解，因此所选设备可能会对控制效果造成一定的影响；关于本设计中的软件设计，由于本人知识和能力有限，也有不妥之处，也没有设计锅炉的实时自动监控系统和自动记录系统。这些不妥之处当然是可以通再努力来改善解决的。通过仔细而有计划的市场调查，多与有经验的专业技术人员交流，多多了解锅炉行业的有关业内动态和先进控制技术的发展，积极主动地学习先进的技术，多在工业现场锻炼自己，积累经验，在现实条件下，以节能、降耗、环保为设计原则，设计出实用、可靠、而投资又少的控制方案是条很好的途径。。9欢迎下载
附录一
松开的记忆，飘落的莫名的尘埃，像起伏的微风，拂过脑海，留下一份情愁。一条街，没有那些人，那些身影，却能来回徘徊穿梭。街，行走时，纵然漫长，漫长，有时只为听一颗流动的心的呓语。沉默，倔强，回望，忘记，记住，一切像断了的弦，有时希望生活简单就好，有时却又莫名的颓废其中。
有些路，只能一个人走；有些事，只能一个人去经历。粗读加缪、萨特的存在主义，它告诉我，人就是非理性的存在。光秃秃的枝桠、清寂的清晨、流动的阳光，飘落于心，或快意，或寂寥，映照心境，然而，有时却只属于那一刻。总之，一切只是心情。
人生的画面一幅幅地剪辑，最后拼凑出的是一张五彩斑斓的水彩画，有艳丽的火红色，凝重的墨黑以及一抹忧郁的天蓝色。人的记忆很奇特，那些曾经的过往，就像一幅幅的背景图，只有一个瞬间，却没有以前或以后。比如，只能记得某个瞬间的微笑，只能在记忆的痕迹寻觅某时刻骑着单车穿过路口拐角的瞬间，却都不知晓为何微笑，为何穿过街角。
一切，有时荒诞得像一场莫名情景剧。然而，这就是生活。
曾经的梦，曾经的痛，曾经的歌，曾经的热情相拥，曾经的璀璨星空。
也许，多年以后，再也见不到的那些人，和着记忆的碎片飘荡而来，曾经伴着我们走过春华秋实。天空蔚蓝，杜鹃纷飞，飞过季节，曾经萍水相逢，欢聚一堂，蓦然回首，唯歌声飘留。让人忆起《米拉波桥》里的诗句：夜幕降临，钟声悠悠，时光已逝，唯我独留。。10欢迎下载
人在天涯，绵绵的思绪随着微风飘浮，从布满礁石的心灵海滩上穿过千山万水，来到游荡的身躯里，刻下一篇篇笺章。而这，或许在多年以后，当再次翻动时，原以为什么都已改变，松开的记忆，飘落的莫名的尘埃，像起伏的微风，拂过脑海，留下一份情愁。一条街，没有那些人，那些身影，却能来回徘徊穿梭。街，行走时，纵然漫长，漫长，有时只为听一颗流动的心的呓语。沉默，倔强，回望，忘记，记住，一切像断了的弦，有时希望生活简单就好，有时却又莫名的颓废其中。
有些路，只能一个人走；有些事，只能一个人去经历。粗读加缪、萨特的存在主义，它告诉我，人就是非理性的存在。光秃秃的枝桠、清寂的清晨、流动的阳光，飘落于心，或快意，或寂寥，映照心境，然而，有时却只属于那一刻。总之，一切只是心情。
人生的画面一幅幅地剪辑，最后拼凑出的是一张五彩斑斓的水彩画，有艳丽的火红色，凝重的墨黑以及一抹忧郁的天蓝色。人的记忆很奇特，那些曾经的过往，就像一幅幅的背景图，只有一个瞬间，却没有以前或以后。比如，只能记得某个瞬间的微笑，只能在记忆的痕迹寻觅某时刻骑着单车穿过路口拐角的瞬间，却都不知晓为何微笑，为何穿过街角。
一切，有时荒诞得像一场莫名情景剧。然而，这就是生活。
曾经的梦，曾经的痛，曾经的歌，曾经的热情相拥，曾经的璀璨星空。
也许，多年以后，再也见不到的那些人，和着记忆的碎片飘荡而来，曾经伴着我们走过春华秋实。天空蔚蓝，杜鹃纷飞，飞过季节，曾经萍水相逢，欢聚一堂，蓦然回首，唯歌声飘留。让人忆起《米拉波桥》里的诗句：夜幕降临，钟声悠悠，时光已逝，唯我独留。
人在天涯，绵绵的思绪随着微风飘浮，从布满礁石的心灵海滩上穿过千山万水，来到游荡的身躯里，刻下一篇篇笺章。而这，或许在多年以后，当再次翻动时，原以为什么都已改变，松开的记忆，飘落的莫名的尘埃，像起伏的微风，拂过脑海，留下一份情愁。一条街，没有那些人，那些身影，却能来回徘徊穿梭。街，行走时，纵然漫长，漫长，有时只为听一颗流动的心的呓语。沉默，倔强，回望，忘记，记住，一切像断了的弦，有时希望生活简单就好，有时却又莫名的颓废其中。
有些路，只能一个人走；有些事，只能一个人去经历。粗读加缪、萨特的存在主义，它告诉我，人就是非理性的存在。光秃秃的枝桠、清寂的清晨、流动的阳光，飘落于心，或快意，或寂寥，映照心境，然而，有时却只属于那一刻。总之，一切只是心情。
人生的画面一幅幅地剪辑，最后拼凑出的是一张五彩斑斓的水彩画，有艳丽的火红色，凝重的墨黑以及一抹忧郁的天蓝色。人的记忆很奇特，那些曾经的过往，就像一幅幅的背景图，只有一个瞬间，却没有以前或以后。比如，只能记得某个瞬间的微笑，只能在记忆的痕迹寻觅某时刻骑着单车穿过路口拐角的瞬间，却都不知晓为何微笑，为何穿过街角。
一切，有时荒诞得像一场莫名情景剧。然而，这就是生活。
曾经的梦，曾经的痛，曾经的歌，曾经的热情相拥，曾经的璀璨星空。
也许，多年以后，再也见不到的那些人，和着记忆的碎片飘荡而来，曾经伴着我们走过春华秋实。天空蔚蓝，杜鹃纷飞，飞过季节，曾经萍水相逢，欢聚一堂，蓦然回首，唯歌声飘留。让人忆起《米拉波桥》里的诗句：夜幕降临，钟声悠悠，时光已逝，唯我独留。
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有些路，只能一个人走；有些事，只能一个人去经历。粗读加缪、萨特的存在主义，它告诉我，人就是非理性的存在。光秃秃的枝桠、清寂的清晨、流动的阳光，飘落于心，或快意，或寂寥，映照心境，然而，有时却只属于那一刻。总之，一切只是心情。
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曾经的梦，曾经的痛，曾经的歌，曾经的热情相拥，曾经的璀璨星空。
也许，多年以后，再也见不到的那些人，和着记忆的碎片飘荡而来，曾经伴着我们走过春华秋实。天空蔚蓝，杜鹃纷飞，飞过季节，曾经萍水相逢，欢聚一堂，蓦然回首，唯歌声飘留。让人忆起《米拉波桥》里的诗句：夜幕降临，钟声悠悠，时光已逝，唯我独留。
人在天涯，绵绵的思绪随着微风飘浮，从布满礁石的心灵海滩上穿过千山万水，来到游荡的身躯里，刻下一篇篇笺章。而这，或许在多年以后，当再次翻动时，原以为什么都已改变，。
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篇四：锅炉燃烧过程控制系统设计论文
本
科生毕业论文
存档编号
湖
北
文
理
学
院
毕业论文(设计)
论文(设计)题目:锅炉燃烧过程控制系统的Simulink仿真
EnglishTopic：Simulinksimulationoftheboilercombustionprocesscontrolsystem
系
院
物理与电子工程学院
专
业
自动化
锅炉燃烧过程控制系统的Simulink仿真
摘要：过程控制作为自动化的重要方向和组成部分，已广泛应用于石油、化工、电力、冶金、机械、轻工等许多国民经济的重要领域。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。在大量的工业生产中,锅炉是重要的动力设备，燃烧是必要的一环，从燃烧角度来说，有燃油、燃煤、燃气的区别。燃烧过程的控制包括压力控制、温度控制、燃烧程度控制、安全性控制、节能控制等。
本文根据火电厂锅炉燃烧过程的生产工艺和流程，利用单回路、串级、比值等控制系统的特点，分别设计锅炉燃烧过程控制系统的三个子系统：蒸汽压力控制系统，燃料与空气的比值控制，炉膛负压控制系统。在仿真软件MATLAB/Simulink中，根据控制系统原理方框图，作出仿真模型图，分别进行相应的仿真。经PID参数整定后，得出仿真结果，并进行分析总结。
关键词：燃烧过程控制；MATLAB仿真；SIMULINK
Simulinksimulationoftheboilercombustionprocesscontrolsystem
Abstract：Processcontrolasanimportantdirectionofautomationtechnologyandcomponents,hasbeenwidelyusedinpetroleum,chemical,electricpower,metallurgy,machinery,lightindustry,andmanyotherimportantareasofthenationaleconomy.Dependingonthefieldofpracticalapplicationandprocess,usingthecontrolanditsfocusisnotthesame.Burningareanessentialpartinalargenumberofindustrialproductionfromthecombustionpointofview,thedifferencebetweenfueloil,coalandgas.Althoughtheapplicationsandfuelburningmaybedifferent,butthecontrolofthecombustionprocessisnotoutsidethecombustioncontrol,temperaturecontrol,combustiondegreeofcontrol,safetycontrol,energy-savingcontrol.Basedonthethermalpowerplantboilercombustionprocessproductiontechnologyandprocesses,theuseofsingle-loop,thecharacteristicsofthecascade,ratiocontrolsystemweredesignedboilercombustioncontrolsystemconsistsofthreesubsystems:thesteampressurecontrolsystem,fuelandairratiocontrol,thenegativepressureinfurnacecontrolsystem.InthesimulationsoftwareMATLAB/Simulinkblockdiagramofcontrolsystemtheorytomakethesimulationmodeldiagram,simulation,respectively.AfterPIDcontrollerparametersobtainedsimulationresultsandanalysis.
Keywords:Combustionprocesscontrol;MATLABsimulation;SIMULINK
目
录
引
言...........................................................................................................................11控制系统及MATLAB语言的应用基础
..................................31.1控制系统性能要求
.............................................................................................31.2控制系统的时域分析
.........................................................................................31.3控制系统的频域分析
.........................................................................................41.3.1频域性能指标：.........................................................................................41.3.2频域分析的三种分析方法.........................................................................41.4控制系统的根轨迹分析
.....................................................................................51.5MATLAB软件认识
.................................................................................................51.5.1MATLAB的特点.............................................................................................51.5.2MATLAB在控制系统分析中的应用............................................................61.5.3根轨迹绘制..................................................................................................61.5.4控制系统的频域分析..................................................................................1.6MATLAB环境下的SIMULINK简介..........................................................................2燃烧过程控制系统概述
...........................................112.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统
.......................................................122.2炉膛负压控制系统
...........................................................................................143锅炉燃烧控制系统辨识
...........................................173.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制
...................................................173.2炉膛负压控制
...................................................................................................174系统稳定性分析
.................................................184.1燃料控制系统
...................................................................................................184.2空气流量控制系统
...........................................................................................194.3负压控制系统
...................................................................................................195锅炉燃烧控制各子系统仿真
.......................................215.1燃料控制系统
...................................................................................................215.2蒸汽压力控制系统
...........................................................................................245.3空气流量控制系统
...........................................................................................265.4负压控制系统前馈补偿整定
...........................................................................276锅炉燃烧控制系统SIMULINK仿真..................................307总结
...........................................................32[参考文献].......................................................33附
录
...........................................................34致
谢
............................................................1引
言
过程控制系统是工业中控制系统的主要表现形式，一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为温度、压力、流量、液位、成分等变量的系统。由于被控过程的多样性，因此过程控制系统的形式也多样，相应的控制方案也丰富多彩。
在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真，Simulink的出现给控制系统分析与设计带来了福音。它有两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用鼠标在模型窗口上搭建出所需要的控制系统模型，然后对系统进行仿真和分析。[1]
Simulink仿真的模型是具体的函数模型，因此，过程的建模就显的十分的重要。
过程建模方法主要有这么几种：
1．机理法
用机理法建模就是根据过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程，例如物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程，以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。
2．测试法
测试法建模通常只用于建立输入输出模型。它是根据过程的输入和输出的实测数据进行某种数学运算后得到的模型，其主要特点是把被研究的过程视为一个黑匣子，完全从外特性上描述它的动态性质，也称为“黑箱模型”。复杂过程一般都采用测试法建模。
测试建模法又可分为经典辨识法和系统辨识法两大类：
（1）经典辨识法
不考虑测试数据中偶然性误差的影响，只需对少量的测试数据进行比较简单的数学处理，计算工作量一般较小。经典辨识法包括时域法、频域法和相关分析法。
（2）系统辨识法
其特点是可以清除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，为此就需要处理1大量的测试数据，计算机是不可缺少的工具。
我们针对工程训练任务书中给出的系统辨识函数，搭建了仿真框图，调整PID参数，最终使系统在较好的指标内达到稳定。
本论文主要分为以下几章：
第一章
控制系统及MATLAB语言的应用基础
第二章
锅炉燃烧过程控制系统概述
第三章
锅炉燃烧控制系统辨识
第四章
系统稳定性分析
第五章
锅炉燃烧控制各子系统仿真
第六章
锅炉燃烧控制系统Simulink仿真
第七章
总结
1控制系统及MATLAB语言的应用基础
控制的任务是形成控制作用的变化规律，使得不管是否存在扰动对象都能得到所期望的行为。自动控制系统是在无人直接操作或干预的条件下，通过控制器使控制对象自动的按照给定的规律运行，使被控制量能够按照给定的规律变化。
1.1控制系统性能要求
对于一个控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、快速性和准确性。
稳定性是指动态过程的平稳性，就是动态过程的振荡倾向于系统受干扰偏离平衡状态后恢复平衡状态的能力。控制系统的稳定性是系统使用的基础，不稳定的系统没有实际意义。
快速性是指动态过程的快速性，即动态过程的时间长短，时间越短，快速性能越好。
准确性是指动态过程的最终精度，即控制系统输出量的期望值与实际终止值之差（即稳态误差），其差值越小精度越高。
受控对象不同，对稳、准、快的技术要求也各有所侧重。对于一个实际系统，不能要求三项性能指标都很优良，那样系统的成本会很高。而且，同一个系统的稳、准、快各个指标往往相互制约。
1.2控制系统的时域分析
时域分析法是根据自动控制系统微分方程，用拉普拉斯变换来求解动态响应的过程曲线。时域分析的目的是求解响应的性能指标。通常将控制系统跟踪或复现阶跃输入信号响应的指标作为系统控制性能的指标。阶跃响应的一般性能指标有：上升时间tr、峰值时间tp、超调量sigma(σ%)、调节时间ts及稳态误差ess。
超调量σ%是指阶跃响应曲线h（t）中对稳态值的最大超出量与稳态值之比。即：
峰值时间tp：是指从0到阶跃响应曲线h(t)进入稳态值附近误差带而不再超出的最小时间。
的恢复时间：从阶跃扰动作用开始到输出量基本上恢复稳态的过程中，输出量与新的稳态值之差进入某基准量的范围之内所需的时间。
在MATLAB中实现时域分析有两种方法：一种是MATLAB的函数指令方式，如求取连续系统的单位阶跃响应函数step()，单位冲激响应函数impulse()，零输入响应函数initial()等；另一种是在Simulink窗口菜单操作方式下进行时域仿真。[2]
1.3控制系统的频域分析
1.3.1频域性能指标：
峰值：幅频特性A(ω)的最大值。
频带：幅频特性A(ω)的数值衰减到0.707A(0)时对应的频率。
相频宽：相频特性φ(jω)等于?π/2时对应的频率。
1.3.2频域分析的三种分析方法
Bode图（幅频/相频特征曲线）、Nyquist曲线、Nichols图。
（1）
Bode图：
Bode图即对数频率特性曲线。
（2）Nyquist曲线：
Nyquist曲线是根据开环频率特性在复平面上会出的幅相轨迹。根据开环Nyquist曲线，可判断闭环系统的稳定性。反馈控制系统稳定的充分条件是，Nyquist曲线按逆时针包围临界点（-1，j0）的圈数p等于开环传递函数位于右半S平面的极点数，否则闭环系统不稳定。当开环传递函数包含虚轴上的极点时，闭合曲线应以ε→0的半圆从右侧绕过该极点。
频域分析法是经典控制理论中重要的系统分析方法。传统的频域分析需要计算数据，绘制Bode图，并求出频域性能指标。这种方法要耗费大量时间、精力，4而且绘图、计算精确度不能得到保证。应用MATLAB软件，运行它提供的频率分析函数，就能够方便、简单、快捷的绘制三种曲线，并计算出频域性能指标。
1.4控制系统的根轨迹分析
根轨迹法是一种表示特征根与某一参数的全部数值关系的图解方法。与该参数的某一特定数值相应的根，可在根轨迹图上找到。上述可变参数可以是开环传递函数中任何可变参数，但通常取开环增益作为可变参数。即当系统某个可变参数有0→∞时，系统闭环极点在s平面上所描绘出来的轨迹，根轨迹能直观的反映系统参数变化对根分布位置的影响。
系统闭环特征方程的根满足1+G(s)H(s)=0则系统的根轨迹方程为错误！未找到引用源。
在MATLAB中，系统专门提供了绘制根轨迹有关的函数，这些函数能简单快捷的绘制根轨迹或者进行相关的计算。[1]
1.5MATLAB软件认识
1.5.1MATLAB的特点
(1)超强的数值运算功能。在MATLAB里，有超过500种的数学、统计、科学及工程方面的函数可供使用，而且使用简单快捷。
(2)语法限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户不用对矩阵预定义就可以使用。
(3)程序的可移植性好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
(4)强大的数据可视化功能。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据可视化非常简单。MATLAB还有较强的编辑图形界面的能力。
(5)丰富的工具箱。由各学科领域水平很高的专家编写的功能强劲的工具箱，使用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。
1.5.2MATLAB在控制系统分析中的应用
利用MATLAB可对控制系统进行如下有效分析：
(1)分析系统的稳定性；
(2)求取系统在典型和任意输入信号作用下的时域响应；
(3)绘制系统的根轨迹，在根轨迹上可确定任意点的根轨迹增益K值，从而得到系统稳定的根轨迹增益K值范围；
(4)利用MATLAB绘制系统的Bode图、Nichols图和Nyquist图等，并求取系统的幅值裕量和相位裕量；
(5)分析具有时间延迟系统的频率特性；
(6)求取频率响应数据，且根据频率响应数据辩识系统的模型参数；
(7)分析系统的能控性和能观测性，并能对不完全能控或不完全能观测的系统进行结构分解。[3]
这里重点介绍一下利用MATLAB进行系统根轨迹分析和频域分析的方法。
1.5.3根轨迹绘制
绘制系统的零极点图：
pzmap()函数可绘制系统的零极点图，其调用格式为：
[p，z]=pzmap(A，B，C，D)
或
[p，z]=pzmap(p，z)；
[p，z]=pzmap(num，den)其中列向量P为系统极点位置，列向量z为系统的零点位置。可通过pzmap(p，z)绘制出零极点图，图中的极点用
“×”表示，零点用
“o”表示。
根轨迹绘制的命令：
闭环系统的特征根在s平面变化的轨迹，该函数的调用格式为：
[r，K]=rlocus(num，den)；
[r，K]=rlocus(num，den，K)其中返回值r为系统的闭环极点，K为相应的增益。
在系统分析过程中，常常希望确定根轨迹上某一点处的增益值K，这时可利用MATLAB中的rlocfind()函数，在使用此函数前要首先得到系统的根轨迹，然后再执行如下命令：
[K，poles]=rlocfind(num，den)或
[K，poles]=rlocfind(A，B，C，D)6执行上述命令后，将在屏幕上的图形中生成一个十字光标，使用鼠标移动它至所希望的位置，然后敲击鼠标左键即可得到该极点的位置坐标值poles以及它所对应的增益K值。[4]
1.5.4控制系统的频域分析
MATLAB的控制系统工具箱提供了多种求取线性系统频率响应曲线的函数。
（1）
频率向量
频率向量可由logspace()函数来构成。此函数的调用格式为ω=logspace(m，n，npts)（2）
系统的Bode图
连续系统的伯德图可利用bode()函数来绘制，其调用格式为：
[mag，phase，ω]=bode(num，den)[mag，phase，ω]=bode(num，den，ω)
[mag，phase，ω]=bode(A，B，C，D)[mag，phase，ω]=bode(A，B，C，D，iu)[mag，phase，ω]=bode(A，B，C，D，iu，ω)
式中
num，den和A，B，C，D分别为系统的开环传递函数和状态方程的参数，而ω为频率点构成的向量。
有了这些数据就可以利用下面的MATLAB命令：
>>subplot(2，1，1)；semilogx(w，20*log10(mag))>>subplot(2，1，2)；semilogx(w，phase)在同一个窗口上同时绘制出系统的Bode图了，其中前一条命令中对幅值向量mag求取分贝(dB)值。
如果只想绘制出系统的Bode图，而对获得幅值和相位的具体数值并不感兴趣，则可以采用如下简单的调用格式bode(num，den，ω)；
bode(A，B，C，D，iu，ω）
或更简单地bode(num，den)；bode(A，B，C，D，iu)（3）幅值裕量和相位裕量
在判断系统稳定性时，常常需要求出系统的幅值裕量和相位裕量。利用MATLAB控制系统工具箱提供的margin()函数可以求出系统的幅值裕量与相位裕量，该函数的调用格式为
[Gm，Pm，Wcg，Wcp]=margin(num，den)
或
[Gm，Pm，Wcg，Wcp]=margin(A，B，C，D)式中Gm和Pm分别为系统的幅值裕量和相位裕量，而Wcg和Wcp分别为幅值裕量和相位裕量处相应的频率值。
除了根据系统模型直接求取幅值和相位裕量之外，MATLAB的控制系统工具箱中还提供了由幅值和相位相应数据来求取裕量的方法，这时函数的调用格式为：
[Gm，Pm，Wcg，Wcp]=margin(mag，phase，ω)
式中频率响应可以是由bode()函数获得的幅值和相位向量，也可以是系统的实测幅值与相位向量，ω为相应的频率点向量。
（4）频率响应值
MATLAB也提供了直接的求取频率响应数据的函数freqresp()，其调用格式为：
F=freqresp(num，den，sqrt(-1)*ω)
或
F=freqresp(A，B，C，D，iu，sqrt(-1)*ω)
式中F为频率响应，ω为给定的频率范围向量。
（5）系统的奈奎斯特图（Nyquist图）
nyquist()函数的调用格式为：
[Re，Im，ω]=nyquist(num，den)[Re，Im，ω]=nyquist(num，den，ω)
[Re，Im，ω]=nyquist(A，B，C，D)[Re，Im，ω]=nyquist(A，B，C，D，iu)[Re，Im，ω]=nyquist(A，B，C，D，iu，ω)
其中返回值Re，Im和ω分别为频率特性的实部向量、虚部向量和对应的频率向量，有了这些值就可利用命令plot(Re，Im)来直接绘出系统的奈奎斯特图。
当然也可使用下面的简单命令来直接绘出系统的奈奎斯特图：
nyquist(num，den，ω)
或
nyquist(A，B，C，D，iu)更简单地：
nyquist(num，den)或
nyquist(A，B，C，D)（6）尼柯尔斯图(Nichols图)函数调用格式为：
[mag，phase，ω]=nichols(num，den，ω)
或[mag，phase，ω]=nichols(A，B，C，D，iu，ω)
可见该函数的调用格式以及返回的值与bode()函数完全一致，事实上虽然它们使用的算法不同，但这两个函数得出的结果还是基本一致的。但Nichols图的绘制方式和Bode图是不同的，它可由以下命令绘制plot(phase，20*log10(mag))[5]
1.6MATLAB环境下的Simulink简介
MATLAB环境下的Simulink是当前众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一个系统建模、仿真和分析的动态仿真集成环境工具箱。
Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。它使用方框图表示一个系统，通过图形界面，利用鼠标点击和拖拉方式建立系统模型。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。它不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。
Simulink的主要功能如下：
1、交互建模
Simulink提供了大量的功能块以方便用户快速的建立动态系统模型。建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能模块并将它们接连起来。
2、交互仿真
Simulink提供了交互性很强的非线性仿真环境，可以通过下拉菜单执行仿真，或使用命令进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口查看。
3、扩充和制定
Simulink的开放结构允许扩展仿真环境的功能：用户可以用MATLAB、Fortran和C代码生成自定义模块图，并拥有自己的图标和界面；用户还可以将原来的Fortran和C语言代码连接起来。
4、与MATLAB和工具箱集成
由于Simulink可以直接利用MATLAB的数学图形和编程功能，用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级设计和分析能力可以通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。
2燃烧过程控制系统概述
燃烧蒸汽锅炉的燃烧过程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。[6]
如图1是燃烧过程控制系统示意图，1图2是原理方框图，图3是燃烧过程控制特点。
图1燃烧过程控制系统示意图
图2原理方框图
11燃料量M调节量
pT汽压或功率
α过剩空气系数
PS炉膛负压
送风量V引风量VS
图3燃烧过程控制特点
2.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统
燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是为后续的生产环节提供稳定的压力。一般生产过程中蒸汽的控制是通过调节压力实现的，随着后续环节的蒸汽用量不同，会造成燃油蒸汽压力的波动，蒸汽压力的波动会给后续的生产造成不良的影响，因此，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料产生的热量，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，各个控制环节的关系如下：蒸汽压力是最终被控量，根据生成量确定；燃料量根据蒸汽压力确定；空气供应量根据空气量与燃料量的比值确定。控制量如图4所示。图5为燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统结构简图。图6为燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图。
12图4控制量示意图
图5燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图
13图6燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图
2.2炉膛负压控制系统
所谓炉膛负压：即指炉膛顶部的烟气压力。炉膛负压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。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。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。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。大多数锅炉采用平衡通风方式，使炉内烟气压力低于外界大气压力，即炉内烟气负压，炉膛内烟气压力最高的部位是炉堂顶部。当炉负压过大时，漏风量增大，吸风机电耗，不完全燃烧损失、排烟热损失均增大。甚至使燃烧不稳定甚至灭火炉负压小甚至变为正压，火焰及飞灰将炉膛不严处冒出，恶化工作燃烧造成危及人身及设备安全。故应保持炉膛负压在正常范围内。[7]
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，调节引风量即可以实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会很大，此时，经常采用的控制方法为动态前馈-反馈控制，如图4所示。前馈控制的基本概念是测取进入控制过程的干扰信号，在炉膛负压控制系统中，由于蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量的波动会较大，所以通过测取引风量，就可以的到干扰信号，利用反应较快的动态前馈控制，就可以很好的减小干扰信14号对系统的影响。将前馈与反馈有效的结合，运用前馈控制在扰动发生后，及时抑制由主要扰动引起的被控量所产生的偏差，同时运用反馈控制消除其余的扰动对负压的影响。
前馈控制系统主要特点如下：
（1）属于开环控制
只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。但若系统中有一个环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。另外，系统的控制精度取决于构成控制系统的每一部分的精度，所以对系统各环节精度要求较高。
（2）很强的补偿局限性
前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰的影响。因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。
而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。
（3）前馈控制反应迅速
在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。这非常有利于大迟滞系统的控制。
（4）只能用于可测的干扰
对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。
该方案中以负压为控制目标，用引风量做成控制闭环，利用前馈控制消除送风量变动对负压的影响。
15图7炉膛负压控制系统结构简图
图8炉膛负压控制系统框图
163锅炉燃烧控制系统辨识
3.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制
燃烧流量被控对象为：
G(s)?2e?3s2-113s?1燃料流量至蒸汽压力关系为：
G(s)?32-2蒸汽压力至燃料流量关系为:G(s)?1/32-3蒸汽压力至燃料流量关系为：
G(s)?12-4燃料流量检测变换系统数学模型为：
G(s)?12-5燃料流量与控制流量比值为：
G(s)?1/22-6空气流量被控对象为:G(s)?3e?2s11s?12-73.2炉膛负压控制
引风量与负压关系：
G(s)?10?s7s?1e2-8送风量对负压的干扰为：
G(s)?23s?12-914系统稳定性分析
4.1燃料控制系统
燃料流量被控对象为：
G(s)?2e?3s13s?13-1MATLAB程序：
G_Fuel=tf(2,[131],"inputdelay",3);margin(G_Fuel);[Gm,Pm,Wg,Wp]=margin(G_Fuel)[8]
图9燃料被控对象Bode图
经软件仿真结果如图9所示，由图可知，无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为11.4dB,相位稳定裕量为97.1dB，对应增益为3.7283。
14.2空气流量控制系统
空气流量被控对象为：
G(s)?3e?2s11s?13-2MATLAB程序：
G_Air=tf(3,[111],"inputdelay",2);margin(G_Air);[Gm,Pm,Wg,Wp]=margin(G_Air)
图10空气流量被控对象Bode图
经软件仿真结果如图10所示，由图可知，无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为9.81dB,相位稳定裕量为80deg，对应增益为3.0956。
4.3负压控制系统
引风量与负压关系：
1G(s)?10?s
e7s?13-3MATLAB程序：
G_LeAir_NegPres=tf(10,[71],"inputdelay",1);margin(G_LeAir_NegPres);
图11引风量与负压关系Bode图
经软件仿真结果如图11所示，由图可知，无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为9.81dB,相位稳定裕量为80deg，对应增益为3.0956。
25锅炉燃烧控制各子系统仿真
5.1燃料控制系统
为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI形式，即：
Gc(s)?Kp?Kis4-1其中，参数Kp和Ki采用稳定边界法整定。先让Ki=0，调整Kp使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图如图12所示其振荡响应如图13所示：
图12系统临界振荡仿真框图
21图13系统临界振荡响应
记录此时的振荡周期Tcr=11s和比例参数Kcr=3.8,则Kp=Kcr/2.2=1.73，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.18在Kp=1.73，Ki=0.18的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图14所示。调节Kp=1.1，Ki=0.1，系统响应如图16所示，可见系统有约10%的超调量。
22图14PI模块结构
图15燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图
23图16燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应
5.2蒸汽压力控制系统
在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统参数。系统整定仿真框图如图所示。当Ki=0，Kp=1时(此时相当于无调节器，因此系统最简单)，仿真结果如图所示，图17为系统仿真图，图18为阶跃输出。
24图17蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图
图18蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果
由仿真结果可以看出，系统响应最好。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度都较好。
255.3空气流量控制系统
空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，当Ki=0.05和Kp=0.08时，系统阶跃响应如图所示，其中图19为阶跃响应，图20为阶跃输入。可见系统响应超调量约为20%。[9]
图19整定后空气流量控制系统阶跃响应
26图20整定后空气流量控制系统阶跃输入
5.4负压控制系统前馈补偿整定
由系统概述可知，利用动态前馈与反馈控制能使负压控制系统达到比较好的效果，反馈控制在燃料控制系统和空气流量控制系统中已经详细的论述与应用过了，在此就前馈控制做一下讨论。
图21前馈控制原理图
在图21中实线部分为未引入控制措施前的控制框图，虚线部分为所引入的控制部分。节器函数；节传递函数。[10]
2为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数；为干扰源至系统输出的控制通道传递函数；为前馈调为给定环
系统输出为：
由上式可知，消除可测干扰M的影响，可令M的系数为0，即可得到因此，可以得到负压控制系统前馈补偿函数为：
G(s)?7s?115s?54-2图22为负压前馈控制系统参数整定仿真框图，图23为负压前馈控制系统单位阶跃输入的仿真响应图。
图22负压前馈反馈控制系统参数整定仿真框图
2图23负压前馈反馈控制系统单位阶跃输入的仿真响应
从仿真效果可以看出，前馈控制发挥了很好的作用。
采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：
G(s)?
7s?115s?526锅炉燃烧控制系统Simulink仿真
搭建完整的系统Simulink仿真框图，在仿真框图中，为了模拟真正的工业控制环境，在特定的环节，我们添加了幅值为-1至1的噪声干扰信号，仿真框图如图24所示：
图24燃烧控制系统仿真框图
引入干扰信号之后，系统较好的抑制了干扰，曲线很漂亮的达到了稳定。示波器的波形由上至下一依次为：蒸汽压力设定值波形、干扰波形、实际蒸汽变动波形、空气流量波形、负压变化波形和负压设定值波形，如图25所示。
3图25燃烧炉控制系统仿真结果
317总结
论文从控制系统基础理论入手，简要的了解MATLAB在控制系统中应用的基础后，着重分析了锅炉燃烧过程控制系统各个环节，其次对各个控制环节建立数学模型，通过MATLAB软件对建立的数学模型进行化简，分析，得出不同参数对系统稳定性和动态性能的影响，最终确定系统各个环节的最佳参数，用于指导实际工作中参数的选择，得出仿真确有很大的实际意义。
通过整个论文的写作与学习，我认为MATLAB语言易学易懂，对使用者不要求有高深的数学、计算机语言知识以及对编程技巧的灵活运用，其数值计算功能强大，研究控制系统便利，图形界面丰富，十分适合用于控制系统的仿真研究。在应用过程中，我对MATLAB的优越性深有体会，鉴于其开放、扩充能力强，随着其版本的升级，它的功能将越来越强，应用将越来越广。
在仿真阶段，采用的控制方法是应用最广泛的PID控制，最终都使波形达到了稳定状态。仿真中有扰动的情况进行，扰动为幅值±1的随机扰动，可以看到在引入干扰信号之后，系统较好的抑制了干扰，曲线很漂亮的达到了稳定。Tp,Ts和超调量均无明显变化。系统最终符合要求。
以上说明，对于锅炉燃烧过程控制系统所进行的参数设置、整定是符合系统稳定性要求的。
32[参考文献]
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Predictive
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录
蒸汽压力给定
+-蒸汽压力
调节器
+-燃料流量
调节器
燃料流量
检测与变换系统
被控对象
（燃料流量）
被控对象
（燃料流量与蒸汽压力）
燃料流量
蒸汽压力
蒸汽压力
检测变换系统
+-空气流量
调节器
空气流量
检测与变换系统
被控对象
（空气流量）
空气流量
前馈补偿
调节器
+负压给定
-负压检测变换
+-引风与负压关系
送风对负压影响
++炉膛负压
引风调节器
控制系统框图
34燃烧炉控制系统仿真框图
35燃烧炉控制系统仿真结果36致
谢
四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。
伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。
感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！
非常感谢杨老师给我设计上的指导，我才能这么顺利的完成毕业毕业设计。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得
及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作
者
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作者签名：
日期：
年
月
日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年
月
日
导师签名：
日期：
年
月
日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□
优
□
良
□
中
□
及格
□
不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□
优
□
良
□
中
□
及格
□
不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□
优
□
良
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中
□
及格
□
不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□
优
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良
□
中
□
及格
□
不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□
优
□
良
□
中
□
及格
□
不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□
优
□
良
□
中
□
及格
□
不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□
优
□
良
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中
□
及格
□
不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□
优
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良
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中
□
及格
□
不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□
优
□
良
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中
□
及格
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不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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优
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良
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中
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及格
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不及格
建议成绩：□
优
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良
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中
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及格
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不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）
单位：
（盖章）
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月
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评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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优
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良
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中
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及格
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不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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优
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良
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中
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及格
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二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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优
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及格
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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优
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良
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中
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及格
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不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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优
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良
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及格
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建议成绩：□
优
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良
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中
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及格
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（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）
单位：
（盖章）
年
月
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□
优
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良
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中
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及格
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不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□
优
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及格
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3、学生答辩过程中的精神状态
□
优
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良
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及格
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二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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优
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良
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中
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及格
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2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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优
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及格
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不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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优
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良
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中
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及格
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不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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优
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良
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中
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及格
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不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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优
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中
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及格
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不及格
评定成绩：□
优
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中
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及格
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不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
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月
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教学系意见：
系主任：
（签名）
年
月
日
篇五：锅炉燃烧过程控制系统设计论文
摘
要................................................................................................................2关键词
....................................................................................................................21．1课题来源
...........................................................................................................31．2课题发展状况
...................................................................................................31．2．1工业锅炉简介
.........................................................................................31．2．2工业锅炉控制的发展与现状
.................................................................5第二章
锅炉燃烧过程的控制系统....................................................62．1锅炉燃烧系统简介
...........................................................................................62．1．1燃烧系统的任务
.....................................................................................62．1．2燃烧系统的调节对象
............................................................................72．2燃烧系统调节对象的特性
...............................................................................72．3锅炉燃烧控制系统的结构
.............................................................................142．3．1目前常见的燃烧控制系统
..................................................................142．3．2燃烧控制系统总体方案设计
..............................................................17第四章
主汽压控制系统..................................................................184．1PID控制
.......................................................................................................184．1．1PID控制系统结构
............................................................................194．1．2系统仿真
..............................................................................................194．2SMITH预估补偿控制
.................................................................................204．2．1SMITH预估补偿原理[26][27]
..............................................................204．2．2系统仿真
..............................................................................................224．3模糊控制
........................................................................................................224．3．1主汽压模糊控制结构
..........................................................................224．3．3系统仿真
..............................................................................................234．4仿真研究
........................................................................................................244．4．1仿真比较
..............................................................................................244．4．2控制器参数对FUZZY-SMITH输出的影响
.......................................264．4．3抗干扰分析
..........................................................................................274．5结
论..............................................................................................................28第五章
锅炉的经济燃烧控制............................................................285．1锅炉燃烧分析
.................................................................................................285．2锅炉燃烧效率分析
.........................................................................................295．3锅炉经济燃烧控制方案分析
........................................................................30第六章
炉膛负压控制......................................................................316．1炉膛负压控制系统
........................................................................................316．2系统仿真
........................................................................................................32结
论
.............................................................................................32参
考
文
献
.............................................................................................33摘
要
本文研究了燃煤锅炉燃烧系统的自动控制问题。首先简述了燃煤锅炉的工艺流程、特点及调节系统的任务；分析了燃烧系统调节对象的特性。根据工艺特点，把燃烧控制分成主汽压控制、燃烧经济性控制和炉膛负压控制三部分，分别进行讨论。针对主汽压控制系统这一复杂对象，结合模糊逻辑控制理论，提出了FUZZY—SMITH控制算法，并且与传统PID控制和PID—SMITH控制相比较，仿真结果表明该算法具有良好的动静特性及很强的鲁棒性。
根据现场采集到的数据分析，在锅炉实际生产中，蒸汽压力一定的情况下，热效率和送风量存在着二次曲线的关系。由于二次曲线存在极值，这个极值就是我们要寻求的燃烧最优点。本论文以热量信号为寻优的目标函数，采用动态自寻优控制方法，使系统不断向最优工作点靠近，提高了热效率。其次，由于寻优是一个连续不断的过程，所以算法可以适应由于煤质变化或工况变化等引起的最佳工作点的漂移，具有较好的实用性。
炉膛负压的控制采用传统的PID控制。
关键词
PID控制
SMITH预估控制
模糊控制
燃煤锅炉
燃烧控制
自寻优
1．1课题来源
工业锅炉已被广泛地应用于国民经济各个部门。通常蒸发量较小的用来供热或提供循环热水，蒸发量大的用来驱动蒸汽轮机和蒸汽机，使热能转化为机械能，或进而转换为电能。一台锅炉要能安全、可靠、有效地运行，运行参数达到设计值，除了锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求自动化仪表工作正常和自动控制系统方案正确。
通过调研我们发现，我国的工业或民用采暖锅炉的运行普遍存在自动化程度不高，靠人工经验来控制燃烧的问题。这些问题导致锅炉效率不高，能量浪费。同时，生产现场蒸汽用量经常变化，且没有规律，而供汽量目前都采用人工调节的办法来满足热用量的变化，这种人工调节的办法，使供汽的“量”存在浪费的问题，且供汽的“质”也难以保证。因此，锅炉的自动控制成为一个不容忽视的研究课题。
随着科学技术的不断发展以及对节省能源和自动控制要求的不断提高，对实现自动控制的手段也提出了更高的要求。这样就为计算机在自动控制中的应用提供了迫切性，而计算机技术本身的迅速发展也为其应用提供了可能性，利用计算机来实现生产过程的自动控制是目前自动控制技术发展的方向。
本课题为内蒙古重点攻关项目。
1．2课题发展状况
1．2．1工业锅炉简介
一、工业锅炉的工作过程[1]
图1.1为锅炉结构和工艺流程示意图。燃烧的煤层厚度通过闸板控制，炉排转速可由交流变频调速电机控制。尾部受热面有省煤器和空气预热器。
图1.110t/h锅炉结构和工艺流程示意图
给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器后由炉排左右两侧6个风道进入，烟气通过除尘器除尘，由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经过过热器送至汽柜和用汽部门。鼓风机、引风机都是由交流变频器来控制，通过调节鼓风机、引风机的速度来实现控制鼓风量、引风量。
二、锅炉自动控制的主要任务
（一）锅炉汽包水位的控制
汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热管爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉，例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包容积较小，一旦给水停止，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。
（二）过热蒸汽温度的控制
大型锅炉的过热器是在接近过热器金属管的极限高温条件下工作的，金属管道强度的安全系数很小，过热蒸汽温度过高会使金属管道的强度大为降低，影响设备安全；温度过低则使全厂热效率显著下降。所以过热蒸汽温度是有关安全和经济性的重要参数。过热蒸汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。
（三）
锅炉燃烧过程的控制
燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃料的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联接方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程调节[2]
系统有三大任务。
第一个任务是维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。
第二个任务是保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。
第三个任务是调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。
对于一台锅炉，燃烧过程的这三项调节任务是不可分隔的，对调节系统设计时应加以注意。
1．2．2工业锅炉控制的发展与现状
一、锅炉自动控制装置的发展
锅炉是一种将一次能源（煤炭、石油、天然气等）转换为二次能源的重要设备。由于多数单位的锅炉生产实行人工操作，不仅工作人员劳动条件差、劳动强度大，而且锅炉的热效率低。为了提高效率，改善工作人员的劳动强度，使仪表控制逐渐取代人工操作，锅炉生产过程自动化就相应出现了。在生产过程中，对炉膛负压，烟气成分，给水管道的压力、流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测和显示；同时，对给水系统、燃烧系统进行调节，取得了很好的效果。随着工业检测技术的发展，DDZ型系列仪表参与锅炉控制，目前已经由第一代DDZ-I型电子管式，到第二代DDZ-II型晶体管式，到目前最大量使用的DDZ-III型集成电路式，都在锅炉控制中起主要作用。
常规仪表控制有如下局限性：
1、难于实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制、人工智能控制等；
2、难于实现集中监测和操作，管理水平低；
3、改变控制方案较困难。
随着计算机技术革命的到来，计算机也逐渐被用在工业锅炉的控制上。美国的霍尼维尔公司能源管理情况中心证明，锅炉计算机控制比一般锅炉仪表控制优势明显得多。我国在这方面也成果显著。例如：南通醋酸化工厂与北京工业大学研制的GJK-805型微型机计算机锅炉控制装置，应用于该厂20吨/小时的锅炉上，使锅炉的热效率提高了5.37%，年节煤约800吨，它采用TP805为主体，CTC定时中断，每秒采集一次数据，采用积分分离PID控制算法。重庆工业自动化仪表厂和重庆农药厂联合研制的智能式工业锅炉控制系统用于控制[3]
SHL10-13型饱和蒸汽锅炉取得了满意效果，运行稳定，使用方便，软件上采用模块化设计，构成了全新的数字化实时过程控制系统。还有大连计算机技术研究所研制的锅炉微机控制系统能够不停机实时进行参数修改功能，又有无扰手动/自动切换和双套报警系统，实现了对水位、汽压、负压、含氧量等主要参数的监控，算法上采用了模糊控制分别对炉膛负压系统和含氧量调节系统进行了一些模糊判断，使该系统有了一定的适应能力
二、锅炉自动控制规律的发展
自从仪表取代人工成为工业锅炉的控制核心以来，PID控制一直是仪表过程控制系统中[4][41]。
应用最为广泛的一种控制规律。由于PID技术发展的比较成熟，在计算机锅炉控制系统中就成为了首选，是最为可靠、效果很好的控制规律。随着锅炉控制的发展，出现了许多改进的PID控制算法，如带死区的、积分分离的，参数自整定的等一系列PID控制规律。
随着控制理论的发展，自适应控制、预测控制也被应用到锅炉的控制中，近年来，以专家系统、模糊控制、神经网络控制为代表的智能控制也开始应用到工业锅炉的控制系统中，国内、外许多学者的许多理论和实践也都表明，智能控制，尤其是模糊控制将成为现阶段实际控制系统中应用较为广泛的一种控制方法[5]。
第二章
锅炉燃烧过程的控制系统
2．1锅炉燃烧系统简介
2．1．1燃烧系统的任务
燃烧过程自动调节有三大任务[7]：
1．维持汽压。汽压的设定值是根据生产要求设定的；负荷量是由生产需要随时调整；锅炉的蒸汽流量是由蒸汽压力和负荷的阀门开度共同决定的。汽压的变化表明蒸汽流出量与负荷需求量不相符，需改变给煤量以维持汽压恒定，使蒸汽流量满足负荷要求。
2．保证燃烧的经济性。改变给煤量时，必须相应地改变送风量，使之与燃料量相配合，保证燃烧过程的经济性。送入空气量不足，则燃料不能充分燃烧；送入空气量过大，则过剩空气带走炉膛的热量，造成热损失。
3．保证引风和鼓风的正确配比，维持炉膛负压值。膛压为正，会使炉膛有爆炸危险，并且使炉火外喷，对锅炉周围设备及操作人员造成威胁；负压过大，则过剩空气会带走炉膛中的热量。
2．1．2燃烧系统的调节对象
燃烧调节系统一般有3个被调参数，气压p、过剩空气系数α（或最佳含氧量O2）和炉膛负压Pf；有3个调节量，它们是燃料量M、送风量F和引风量Y。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。对于送风量和引风量一般是鼓风电机和引风电机。
2．2燃烧系统调节对象的特性
锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。为了达到上述目的，燃烧过程的控制系统应包括三个调节任务：即维持汽压、保证最佳空燃比和保证炉膛负压不变。与此相对应，应有三个控制回路分别调节燃料量、送风量和引风量，从而构成了多参数的燃烧过程控制系统。为了能正确地设计控制系统，应先了解对象的动态特性。
一、气压调节对象的特性[8]～[11]
锅炉的燃烧过程是一个能量转换、传递的过程，也就是利用燃料燃烧的热量产生用汽设备所需蒸汽的过程。主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的一个标志。因此，要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性。
1．
气压被控对象的生产流程及环节划分
锅炉汽包压力是燃烧过程控制的主要被控量，分析燃烧过程对象的动态特性，是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。汽压被控对象的生产流程示意图如图2.1所示，整个系统由炉膛1，汽包、水冷壁组成的蒸发受热面2，过热器3，母管4和用汽设备5组成。工质(水)通过炉膛吸收了燃料燃烧发出的热量，不断升温,直到产生饱和蒸汽汇集于汽包内，最后经过过热器成为过热蒸汽，输送到用汽设备作功。
W——给水量；is——给水热焓；Pb——汽包压力；
D——蒸汽流量；
DT——汽机耗汽量；?T——汽机进汽阀开度；Pi"——过热蒸汽焓；PMO——汽机背压；——母管压力
图
2.1汽压对象生产流程示意图
环节1：其输入量为单位时间内炉膛燃烧的燃料量M（kg/s），输出量为单位时间内传给炉膛受热面的燃料发热量Qr（kJ/s），又称炉膛热负荷。
在锅炉运行中，当燃料量M发生变化时，送风量与引风量应同时协调变化，这时的燃料量M的变化，表示锅炉燃烧率的变化，Qr的变化与燃烧率的变化（相当于M的变化）成正比。
燃料从煤斗下来落在炉排上，形成均匀的、有一定厚度的燃料层进行燃烧。所谓“火床”即是形象地表达了这种燃烧方式的特点。根据给煤量阶跃扰动响应曲线求得床温被控对象的近似传递函数为：
KQT(s)
WT(s)???e??Ms
（2—1）
M(s)1?T1s
燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理过程，燃料量改变后，首先需要经过一定的吸热、燃烧、放热时间，而后将热量传给受热面的金属管壁（辐射传热和对流传热同时进行），然后将热量传给锅炉的汽水容积。
根据热力学定律，当物体吸收热量时其温度将升高，并有下列等式成立（式中认为物体质量为单位质量）。
Q=CT
（2—2）
式中
T——温度（K）；
C——比热（kJ/kg·K）；
Q——热量（kJ）。
根据式（2—1）可得：
T(s)?M(s)?KQ1?T1s?e??Ms。
将式（2—2）两边取拉氏变换，并把上式代入得：
Q(s)?C?M(s)?KQ1?T1s?e??Ms。
由此得到汽压被控对象环节1的近似传递函数为：
W1(s)??Qr(s)KM??e??Ms
（2—3）
M(s)1?T1s?——M变化引起Qr变化的比例系数（kJ/kg）式中
KM；；
?M——M改变至Qr变化的滞后时间（s）
T1——M变化引起Qr变化的惯性时间（s）；
环节1的方框图如图2.2所示。
图2.2环节1方框图
环节2的动态热平衡方程式可以表示如下：
Qrdt?(i???is)Ddt?Wbdib
（2—4）
式中
ib——汽包水焓值（kJ/kg）；
Wb——汽包蓄水量（kg）。
由于锅炉内饱和水的热焓是饱和蒸汽压力Pb的函数，即
ib?f(Pb)
则：
dib?df(Pb)?dPb
（2—5）
dPb
将上式代入式（2—4）得：
Qrdt?(i???is)Ddt?Wbdf(Pb)?dPb
d(Pb)
Qr?D?i???isWbdf(Pb)dPdPb?b
（2—6）
i???isdt
Wb令
Cb?df(Pb)QrdPb；DQ?
得：
????i?isi?isdPb
（2—7）
dt
DQ?D?Cb式中
Cb——蓄热系数（kg/MPa）；
DQ——用蒸汽量单位表示的锅炉汽水容积吸热量（kg/s）。
环节2的输入量取为热量信号与蒸汽流量信号之差，输出量为Pb，对式（2—7）进行拉氏反变换，得环节2的传递函数为：
W2(s)?Pb(s)1（2—8）
?DQ(s)?D(s)Cbs
环节2的方框图如图2.3所示。
图2.3环节2方框图
过热器出口、入口差压的大小与过热器流通阻力、蒸汽流量D有关，可用下式近似为：
Pb?PM?KgrD
（2—9）
对上式两边取增量，为
d(Pb?PM)?2KgrDdD
令2KgrD=Rgr，则上式写成如下形式：
dD?d(Pb?PM)
（2—10）
Rgr式中
d(P；
b?PM)——压力变化增量（MPa）
dD——蒸汽变化增量（kg/s）；
Rgr——过热器动态阻力（cm2/s）。
Rgr的大小与D有关，随负荷增加而增加。将式（2—10）进行拉氏变换，得到环节3的传递函数：
W3(s)?D(s)1（2—11）
?Pb(s)?PM(s)Rgr
环节3的方框图如图2.4所示。
图2.4环节3方框图
PM作为环节4的输出量，取D与DT之间差值作为输入变量，则环节4的传递函数为:
W4(s)?PM(s)1(2—12)?D(s)?DT(s)CMs式中
CM——蒸汽母管的容量系数（kg/MPa）。
环节4的方框图如图2.5所示。
图2.5环节4方框图
环节5的传递函数可用下式表示：
DT?1PM?KT?T
（2—13）
RT式中
RT——汽轮机动态流通阻力系数（MPa/kg·s-1）；
KT——调节阀的静态放大系数（kg/s）；。?T——调节阀开度（%）
对式（2—13）取拉氏变换后为：
DT(s)?1PM(s)?KT?T(s)
（2—14）
RT
取母管压力PM及阀门开度?T作为输入量，DT作为输出量，环节5的方框图如图2.6所示。
图2.6环节5方框图
为了研究问题的方便，将环节1的输出量Qr也用热量信号DQ来表示，则环节1的比例系数K"M用KM来代替,此时：
?(i???is)
KM?KM
环节1的传递函数为：
DQ(s)M(s)?KM??Ms
（2—15）
e1?T1s式中
KM——锅炉燃料量变化引起蒸汽流量变化的比例系数。
汽压被控对象的方框图和信号流图分别如图2.7及图2.8所示。
图2.汽压被控对象方框图
图2.汽压被控对象信号流程图
2．
燃烧率扰动下汽压被控对象的动态过程模型
由于给煤量提供煤粉量不均匀以及煤的质量（发热量）发生变化，引起了燃料量的变化。若燃料量增加，炉膛热负荷立即增大，致使汽包压力上升，压差增大，就使蒸汽量增加。由于汽机调汽门开度不变，主汽压将随着蒸汽的积累而增大。主汽压的升高又会使蒸汽通向用汽设备的流出量增加，最终达到新平衡。M扰动下的汽包压力变化的传递函数可以由图2.8根据梅逊增益公式求出为：
KMe??ms(CbRgrCMRTs2?CbRTs?CbRgrs)Pb(s)?
Wb(s)?
（2—16）
M(s)(1?T1s)Cbs(CbRgrCMRTs2?CbRTs?CbRgrs?1)由于实际母管容量系数CM很小，可以认为CM≈0，则上式可写为：
Wb(s)?KM(RT?Rgr)Pb(s)?e??Ms
（2—17）
M(s)(1?T1s)[Cb(RT?Rgr)s?1]
同样，燃烧率扰动下母管压力PM变化的传递函数为：
KM(RT?Rgr)PM(s)RTWb(s)???e??Ms
（2—18）
M(s)RT?Rgr(1?T1s)[Cb(RT?Rgr)s?1]3．
负荷扰动下汽压被控对象的动态过程模型
负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性有下列两种情况。
（1）μT扰动下汽压被控对象的动态过程模型
在这种情况下，μT的阶跃变化是汽压被控对象的输入量，而Pb和PM是输出量，由图2.8可以得到相应的传递函数：
WbT(s)?Pb(s)?KTRT
（2—19）
?2?T(s)CMCbRTRgrs?CMRTs?CbRTs?CbRgrs?1由于CM≈0，则
WbT(s)?
同理求得：
Pb(s)?KTRT
（2—20）
??T(s)Cb(RT?Rgr)s?12?KTRTRgr?PM(s)KR1TT??
（2—21）
WMT(s)????????T(s)?RT?RgrRT?RgrCb(RT?Rgr)s?1?（2）
用汽量D扰动下汽压被控对象的动态过程模型
由图2.8可以得到在D阶跃扰动下汽压被控对象的传递函数：
WbD(s)?由于CM≈0，得：
WbD(s)?同理可得：
WMD(s)?
二、送风自动调节对象的特性
Pb(s)?1（2—22）
?2D(s)CMCbRgrs?CMs?CbsPb(s)?1（2—23）
?D(s)CbsCbRgrs?1?PM(s)1???????R?
（2—24）
gr2??D(s)Cbs?CMCDRgrs?CMS?Cbs?
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，几乎没有延迟和惯性，近似为以比例环节。而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有迟延。
三、炉膛负压自动调节对象的特性
炉膛负压主要受鼓、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的动态特性分析可知，燃烧过程的主要干扰量为给煤量（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。根据汽压的变化去改变燃烧率（即同时协调地改变燃料量、送风量和引风量）能够较为有效地控制汽压，这就为燃烧过程的设计提供了依据。
2．3锅炉燃烧控制系统的结构
2．3．1目前常见的燃烧控制系统
研究控制系统的组成十分重要，由于设计思想的不同产生了不同结构的控制系统。燃煤锅炉燃烧控制系统发展至今已形成了几种典型的系统结构，串接串联式、串接并联式、控制反系统等。煤粉锅炉还有交叉限幅式。下面简单分析前三种控制系统的结构。规定：PM表示蒸汽压力，V表示送风，M表示给煤，VS表示引风，ST表示炉膛负压，ɑ表示风煤比，PI（iI=1，2，3，4）表示PI控制器。
一、串接串联燃烧自动控制系统[12]
空气先行串接串联燃烧自动控制系统的简化结构见图2.9所示，它的缺点是当蒸汽负荷减少时，空气流量先于燃料减少，从而导致燃料过多，使黑烟增多。F（t）是前馈补偿系数。
图2.9空气先行串接串联燃烧控制系统
空气先行串接串联控制系统很容易变为燃料先行串接串联控制系统，如图2.10所示。当蒸汽负荷增加时，燃料先增加，后增加风量，从而导致过多的燃料，使黑烟增多。对链条炉来说，一般采用的是空气先行控制系统。
图2.10燃料先行串接串联燃烧控制系统
二、串接并联燃烧控制系统[13]
该系统是以控制燃料量和空气量的比例来保证燃烧的经济性。结构见图2.11所示。PI2和PI3设定值，PI2接受负荷要求信号和燃料反馈信号M，其任务是使燃料与负荷要求相适应。PI3接受负荷要求信号和送风量信号，其任务是使送风量与负荷要求相适应，从而间接地使送风量与燃料量成正比，即保证燃烧的经济性。为了保证送风量与引风控制协调进行，以减小炉膛负压偏差，由送风系统经补偿装置F（t）（时间函数转换器）加一前馈信号送入引风调节器PI4。该补偿装置可以是一个微分环节，动态时前馈补偿信号发生作用，静态时微分信号消失，炉膛负压任由PI4控制。
图2.11串接并联燃烧控制系统
前面讨论的二种典型的燃烧控制系统是靠空燃比ɑ保持一定值来达到经济燃烧的。这在负荷、煤种经常变化，燃料测量不准确的情况下，不能较好地保证经济燃烧。对串接并联系统，由于燃料调节部分和送风调节部分的动态特性可能不一致，所以空燃比会发生变化。对图2.11略加改进，在送风控制子系统中串入一个氧量校正调节器PI5，组成具有氧量校正的燃烧控制系统。
蒸汽负荷与烟气含氧量有关系，故通过一个函数转换器f（x）对它进行负荷修正。经过修正的氧量信号进入PI5调节器与最佳含氧量给定值进行比较，当产生偏差时，PI5输出给PI3进行风量校正，这个校正应进行的相当缓慢，因为PI3的调节作用已基本上保证了风煤比例。
三、燃烧控制反系统[14]
燃烧控制反系统具有这样的特点：引风量与负荷相适应，送风量维持炉膛负压。用氧量信号调节燃料量。这种系统不要求测量热量信号，燃料信号，送风量。但要求准确迅速的测量烟气中的含氧量。这种系统结构见图2.12所示。
图2.12燃烧控制反系统
这种系统具有的优点是可以消除漏风的不利影响，而与之对应的燃烧控制正系统，由于漏风则会导致送风、引风的相互干扰，致使炉膛工况不稳定。该系统的缺点是对含氧量测
量信号提出了较高的要求，对这种要求，目前较难达到。
2．3．2燃烧控制系统总体方案设计
锅炉燃烧系统是一个复杂的多变量耦合系统。输入量有：给煤量、鼓风量和引风量；输出量有：蒸汽压力、烟气含氧量(燃烧的经济性)、炉膛负压。燃料是热量的唯一来源，给煤量的变化直接影响锅炉提供的蒸汽量，也影响汽包压力的变化，是燃烧系统的主控量。鼓风量的变化产生不同的风煤比和相应的燃烧状况，表现出不同的炉膛温度，并决定炉膛损失的大小，直接决定着锅炉能否经济运行。在送风量改变的同时也改变引风量，使炉膛负压保持稳定，保证锅炉安全运行。这三个控制子回路组成了一个不可分割的整体，统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉运行的机动性、经济性和安全性。
可见，锅炉的燃烧过程是个复杂的物理化学过程。各输入，输出的耦合关系十分复杂。锅炉系统具有大的延时，并且参数是时变的，对于这样的对象，难以建立精确的数学模型。
经典的PID算法具有很强的适应能力，如果锅炉的负荷是平稳的，那么，PID可以达到控制要求。本文提到的锅炉的负荷变化范围从零到最大负荷量，并且是不定时变负荷。这种情况常规PID是难以控制的。解决这些问题的方法是采用比PID更为有效的智能控制技术，这里采用模糊控制的方法。
下图为锅炉燃烧控制系统框图：
图2.13锅炉燃烧控制系统框图
将人工智能引入控制方案，主汽压控制采用模糊控制的思想，以克服汽压被控对象时变、大延时的特性；为了保证锅炉的经济燃烧，送风量的控制采用自寻优控制；炉膛负压的控制采用PID控制。为便于分析，现分成三个系统进行讨论：以燃料量维持汽包压力恒定的主
汽压调节系统；以送风量维持经济燃烧的送风调节系统；以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。在介绍这三个系统之前,我先介绍一下模糊控制。
第四章
主汽压控制系统
主蒸汽压力的变化反映了锅炉的蒸汽产量与负荷耗汽量之间的不平衡，这时需要改变燃料量以改变锅炉的蒸汽产量，来达到适应负荷耗汽量变化的目的，从而构成主蒸汽压力控制系统。主蒸汽压力的主要干扰量为给煤量（内扰）和蒸汽负荷变化量（外扰），在前面我们已经分析了这两种干扰对汽压对象的动态模型，从这两种模型可以看出，应该以内扰为主，可以使主汽压保持稳定。
所以，选择汽压为被控量，控制量是控制链条速度的交流电机的转速。汽压被控对象的传递函数为：
Gp(s)?KpG(s)exp(??ps)?Kp(1?Tp1s)(1?Tp2s)pexp(??ps)(4—1)式中，静态增益Kp、时间常数Tp1和Tp2、延迟时间τ数。
都是随运行工况的不同而变的参
下面，我将采取三种不同的控制方法对汽压模型进行仿真，并比较各自的优缺点。控制对象的各参数取为[24]：τP=40，Kp=1，Tp1=100，Tp2=50。
输入为单位阶跃信号。
4．1PID控制
PID控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。
PID控制具有以下优点[25]：
①原理简单，使用方便；
②适应性强；
③鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
4．1．1PID控制系统结构
图4.1PID控制结构图
PID控制结构如图所示，其中U=Kpe+Ki∑e+Kdde/dt，式中：
u——PID控制输出
e(t)——PID控制输入，即偏差e(t)=r(t)-y(t)Kp——比例系数
Ki——积分系数
Kd——微分系数
4．1．2系统仿真
取PID各参数如下：Kp=1.2,Ki=0.008,Kd=20。得仿真结果如图所示：
图4.2阶跃响应仿真曲线
从图可看出，响应曲线的超调比较大，调节时间比较长，大概需要400S左右，改变PID参数，效果仍不理想。要想获得较满意的控制效果，PID参数整定非常困难，而且即使整定了一组满意的控制参数，当被控对象特性发生时变或随机干扰较大时，就很难保持良好的控制效果。因此，在工业过程具有非线性、大纯滞后、时变性、随机干扰大的情况下，要获得良好的控制，就要在控制过程中根据系统的动态特性和行为，引入补偿措施或智能控制。
4．2SMITH预估补偿控制
在工业生产过程中，被控对象除了具有容积延迟外，往往不同程度地存在着纯迟延。由于纯迟延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯延时间τ以后，才波及被调量，使之受到控制。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以，具有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程。
普通的PID控制对大延迟系统很难收到理想的效果。在PID控制中引入SMITH预估器，它将消除大延迟对系统过度过程的影响，使调节过程的品质与过程无纯延迟环节的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间τ。
4．2．1SMITH预估补偿原理[26][27]
史密斯（SMITH）预估补偿方法是得到广泛应用的方案之一。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了τ的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显的减小超调量和加速调节过程，其控制系统原理如图所示。
图4.3史密斯预估补偿控制原理图
图中，Kpgp(s)是对象除去纯延时环节e??ds以后的传递函数，Kpgp(s)是史密斯
预估补偿器的传递函数。假若系统中无此补偿器，则由调节器输出U(s)到被调量Y(s)之间的传递函数为
Y(s)?Kpgp(s)e??ds
（4—2）
U(s)上式表明，受到调节作用之后的被调量要经过纯延迟?d之后才能返回到调节器。若系统采用预估补偿器，则调节量U(s)与反馈到调节器的信号Y?(s)之间的传递函数是两个并联通道之和，即
Y?(s)?kpgp(s)e??ds?ksgs(s)
（4—3）
U(s)为使调节器采集的信号Y?(s)不至延迟?d，则要求式为：
Y?(s)?Kpgp(s)e??ds?ksgs(s)?kpgp(s)
U(s)从上式便可得到预估补偿函数
Ksgs(s)?Kpgp(s)(1?e??ds)
（4—4）
一般称式（4—4）表示的预估器为史密斯预估器，其实施框图如图所示，只要一个与对象除去纯延迟环节的传递函数Kpgp(s)相同的环节和一个延迟时间等于?d的纯延迟环节就可以组成史密斯预估模型，它将消除大延迟对系统过渡过程的影响，使调节过程的品质与过程无纯延迟环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间?d。从图4.4可以推导出系统的闭环传递函数为
KpGc(s)gp(s)e??ds1?KpGp(s)gp(s)(1?e??ds)KpGc(s)gp(s)e??dsY(s)
（4—5）
????dsKpGc(s)gp(s)eR(s)1?KpGc(s)gp(s)1?1?KpGc(s)gp(s)(1?e??ds)
图4.4史密斯补偿系统方框图
很显然，此时在系统的特征方程中，已不包含e??ds项。这就是说，这个系统已经消除了纯??ds滞后对系统控制品质的影响。当然闭环传递函数分子上的e设定值延迟?d时间。
说明被调量y(t)的响应还比4．2．2系统仿真
控制器采用常规的PID调节器，预估模型各参数与被控对象各参数相同。PID调节器各参数为：Kp=3.2,Ki=0.023,Kd=22.0。仿真结果如图所示：
图4.5史密斯预估控制仿真波形
从图可看出，PID控制中引入SMITH预估器，控制效果有很大改善，调节时间比普通PID控制缩短许多，PID—SMITH控制调节时间只有270S左右，而普通PID控制调节时间需要400S。
PID—SMITH控制也有很大缺点，对模型要求的精确程度很高，预估模型的参数必须与被控对象的参数保持一致，当被控对象参数变化时其控制性能会显著变坏，甚至会出现不稳定的渐扩振荡。
4．3模糊控制
4．3．1主汽压模糊控制结构
主汽压模糊控制系统结构如图4.6所示。基本模糊控制缺乏对具有较大纯时间滞后对象的控制能力，因此，在模糊控制系统中引入SMITH预估控制，以提高模糊控制器对具有纯时
间滞后对象的控制能力。常用的模糊控制器输出环节有比例输出和积分输出两种形式，前者阶跃响应快，但为有差控制，后者可接近无差控制，但响应慢，且超调较大。本系统采用二者相结合的比例积分输出结构，具有超调小、暂态时间短的优点[28]。
图4.6主汽压模糊控制结构
由模糊控制器的一般工作原理，可知实际控制量为i[29]：
u(i)?Ku?DE{f1[Ke?e(i),Kec?ec(i)]}?Ki??DE{f1[Ke?e(n),Kec?ec(n)]}（4—6）
n?0式中DE{·}表示模糊判决,f1为非线性算子,Ke为误差量化因子,Kec为误差变化量化因子,Ku为控制量比例因子,Ki为积分因子。
4．3．3系统仿真
这里，取量化因子、比例因子和积分因子的值如下：
Ke=6,Kec=120,Ku=4,Ki=0.04输入为单位阶跃信号，得仿真结果如图：
图4.11FUZZY—SMITH控制仿真结果
从上图可看出，与PID—SMITH相比，控制效果有了显著改善，几乎没有超调，调节时
间也缩短许多，只有130S左右。
4．4仿真研究
4．4．1仿真比较
当被控对象参数改变时，对FUZZY—SMITH与PID—SMITH控制进行仿真，并分析其影响。
被控对象静态增益Kp改变。
下面，分两种情况来讨论。Kp小幅度的波动，从1改变到1.2；
Kp大幅度的波动，从1改变到1.85。并且比较FUZZY—SMITH和PID—SMITH的仿真结果。
1)
Kp由1改变到1.2图4.12FUZZY—SMITH图4.13PID—SMITH从上图中可看出,PID—SMITH控制对被控对象参数变化特别敏感,FUZZY—SMITH控制虽对被控对象的参数变化也有反应,但远没有PID—SMITH控制那么明显。
2）Kp由1改变到1.85图4.14FUZZY—SMITH图4.15PID—SMITH
当被控对象的参数变化幅度再增大，PID—SMITH控制已不能稳定工作，FUZZY—SMITH虽也振荡了几次，但最终还是稳定下来。
因此，可以得出一个结论，模糊SMITH控制比传统的SMITH控制具有更优越的性能，它的适应能力更强，适合在参数时变的复杂系统中使用。
被控对象其他参数变化时对模糊SMITH控制的影响。
1）
?d改变时对模糊SMITH的影响。
下图，分别为延迟时间常数?d从40改变到35和从40改变到45时，模糊SMITH控制的仿真曲线。
图4.16?d：40→35图4.17?d:40→452）
时间常数Tp1改变时对模糊SMITH的影响。
下图为时间常数Tp1从100改变到80时，模糊SMITH控制的仿真曲线。
图4.18Tp1：100→803）被控对象几个参数同时改变时，对模糊SMITH的影响。
当被控对象的几个参数发生如下变化时：
τp：40→50，Kp：1→1.2,Tp1：100→80,Tp2：50→40阶跃响应曲线如下图所示。
图4.19仿真曲线
当被控对象的其它参数改变时，对FUZZY—SMITH控制或多、或少都有影响，但影响不大，在允许范围内。
4．4．2控制器参数对FUZZY-SMITH输出的影响
当模糊控制器的四个参数Ke、Kec、Ku和Ki增大或减小时对系统输出的影响，如下图所示。
图4.20Ke改变
图4.21Kec改变
图4.22Ku改变
图4.23Ki改变
从上图可看出，模糊控制器参数对系统输出有一定影响。通过对仿真结果的分析，总结出模糊控制器参数对控制系统性能的定性分析：
1．Ke越大，系统的调节惰性越小，系统的上升速率越大；Ke过大，则系统的上升速率过大，将产生较大的超调，使调节时间增长，严重时还会产生振荡，甚至使系统不能稳定工作；若Ke过小，则一方面使系统的上升速率较小，导致快速性变差；另一方面也严重影响系统的稳态特性，导致稳态精度降低。
2．Kec过大时，系统输出的上升速率减小，使系统的过度时间变长，甚至导致系统输出发散；Kec过小时，系统输出的上升速率增大，会导致系统输出产生过大的超调和振荡，并
且反向超调也大。
3．Ku过大时，导致系统输出的上升速率过大，使系统输出产生波动，可能导致等幅振荡甚至发散；Ku过小时，系统的前向增益很小，因而，系统输出的上升速率较小，快速性变差，还会导致稳态误差增大。
4．
Ki较小时，可以提高稳态精度；Ki太大会导致系统运行不稳定。
4．4．3抗干扰分析
从前面我们已经了解到，汽压控制系统的主要干扰量是给煤量和蒸汽负荷变化量，下面我将分别讨论这两种干扰对系统输出的影响。
图4.24带干扰量的系统框图
1．
给煤量干扰
在系统运行300S后(此时系统已稳定)，由于某种原因实际给煤量有20%的波动，系统仿真如下图所示。
图4.25给煤量扰动下的仿真图
从上图可看出，在给煤量有大幅度的波动下，主汽压的波动还不到5%，说明本系统对内扰有很强的抑止能力。
2．
用汽量干扰
在系统运行300S后(此时系统已稳定)，由于某种原因用汽量突然增加20%，系统仿真如
下图所示。
图4.26用汽量扰动下的仿真图
从上图可看出，在用汽量有大幅度的波动下，主汽压的波动在5%之内，说明本系统对外扰有很强的抑止能力。
4．5结
论
模糊控制算法具有阶跃响应速度快、精确度较高、对参数变化不敏感以及整定更为容易等特点，充分体现了智能控制方法对于被控对象的良好适应性。将SMITH预估引入模糊控制器，提高了控制系统对具有纯时间滞后对象的控制能力，模糊SMITH控制无论从控制的快速性还是对参数变化的适应性都比常规SMITH控制优越的多。
但本系统也有一些缺点，模糊控制规则的建立必须建立在一定的操作经验上，规则的好坏对系统有很大影响。模糊控制器四个参数Ke、Kec、Ku和Ki整定起来虽然比PID控制容易的多，但是要达到最优效果，需经过多次凑试才能得到。
第五章
锅炉的经济燃烧控制
工业锅炉是一种重要的耗能设备，提高工业锅炉的热效率，降低能源消耗，实现其自动化节能，是人们关注已久的课题。
5．1锅炉燃烧分析
燃煤链条锅炉燃烧系统实现经济燃烧必须完成以下两方面任务：
1）保证入炉燃煤充分燃烧；
2）锅炉的燃烧效率应尽量高，炉膛内未参与燃烧的过剩空气吸收的热量应尽量少。
燃煤锅炉的燃烧，实际上是在一定的温度下煤中的炭和空气中的氧发生的氧化反应，产生和释放热量，其反应过程为：
C+O2=CO2+409kJ/mol
（5—1）
上式表明，为保证燃料的充分燃烧，即氧化反应充分完成，燃料量和空气量之间的比例即风煤比必须合适。送风量不足（O2量不足），燃料不能充分燃烧，即进行的氧化反应不完全，譬如：
C+1/2O2=CO+123kJ/mol
（5—2）
反过来，如果送风量过大，燃料在进行氧化反应时将剩余O2，该过剩氧气将吸收热量，排入烟道后又将带走有用热量，降低燃烧效率。为此，采取低过剩空气燃烧控制，是实现锅炉经济燃烧的关键所在。通常，应用过剩空气系数α来衡量锅炉炉膛内燃烧过程是否经济，其定义为[31]：
??21%
（5—3）
21%?O2%式中：O2%为炉膛尾部烟气含氧量。
众所周知，对于工业燃煤锅炉，其过剩空气系数α的理论值一般控制在1.3~1.5，但考虑到漏风及煤质等实际因素，α可选在1.4~1.8之间[32]。
5．2锅炉燃烧效率分析
影响锅炉燃烧效率的因素是比较复杂的，其中负荷的匹配、排烟温度、燃烧充分与否均影响燃烧效率η，而烟道中烟气的成分（CO2，O2，CO含量）在一定程度上可以代表锅炉燃烧系统是否实现了经济燃烧。在烟道的烟气中，CO2的含量高，则说明燃料燃烧充分，燃烧效率η高；反之亦然。但是CO2的含量随入炉燃煤的煤质和类型不同而不同，且CO2含量并不能正确地反应过剩空气系数α的值是大还是小。因此，采用分析烟道中CO2含量，来实现经济燃烧控制是不可取的。
从式（5—3）可知，过剩空气系数α与烟气中O2含量成线性关系，用最佳含氧量反映锅炉燃烧经济与否是比较合理的。反过来，控制了空气过剩系数α值，也就控制了烟道中的O2的含量。实现最佳α值也就使燃烧效率提高了。
α值与热损失、热效率的关系曲线[33]见图5.1图5.1ɑ值与热效率、热损失的关系
5．3锅炉经济燃烧控制方案分析
锅炉的经济燃烧控制主要有两种方法[34]：一种方法是在锅炉的实际运行中，保持空燃比为一定值，当负荷或煤种、媒质变化后，凭经验人工调整空燃比。这种方法简单易行。但当负荷，煤种或媒质等经常变化时，人工很难将空燃比调整到最佳值。因为，经验是人们的一种模糊认识。第二种方法是氧量校正送风控制方法。从四十年代起，在锅炉燃烧控制中就已开始使用氧量校正方法。目前国内外微机控制系统中多采用该方法。其特点是测量并控制锅炉烟气中的含氧量，来修正与所给燃料成固定比例的送风量。烟气中O2的浓度越低，燃烧效率越高。低氧燃烧是节约燃料的好方法。例如，日本Honewell公司采用低氧燃烧控制，使烟气含氧量由10%降为4%，结果燃料消耗节约22%。然而由于炉尾烟室和省煤器等部位有漏风，此外还有扒渣拨火等扰动，影响烟气含氧测量的准确性，并且氧化锆分析仪比较贵，易损坏。因为大气中CO极少，烟气中的CO不受漏风等的影响，近来国外采用测量烟气中CO含量做为氧量控制的精调，取得了良好的节能效果。目前常用测量含氧量的仪器是氧化锆测氧仪，但氧化锆有许多不实用之处：氧化锆仪器贵重，反应迟钝（约几分钟），寿命短，其设定值也是经验值。
燃烧状况的检测是燃烧过程控制的关键。目前日本某公司开发出一代火焰检测装置——光学映像火焰扫描器（OPTIS），它采用摄像机和传像光纤直接拍摄火焰图像，并利用计算机处理来判别炉内燃烧状况[35]。然而，由于这些装置价格昂贵、火焰检测缺少统一的判别标准而无法进行定量识别，使其目前仅适于炉膛安全保护系统的应用，而应用于锅炉燃烧过程控制以提高燃烧效率的作用是有限的。
第六章
炉膛负压控制
负压控制系统的任务在于调节引风机的速度以改变引风量，维持炉膛负压恒定。炉膛负压变化反映引风量与送风量相适应程度，采用炉膛负压单回路调节及送风量作为扰动补偿信号来调节引风，使炉膛负压保持在一定范围内。炉膛负压控制系统的调节量为引风量，主要干扰量为送风量。负压调节系统的数学模型可简化为一个一阶惯性加滞后的对象，其传递函数为[38]：
Gf(s)?Kf1?Tfs?e??fs
（6—1）
式中：
Tf
对象时间常数；
K
过程增益；
Τf
纯滞后时间。
6．1炉膛负压控制系统
图6.1炉膛负压控制系统框图
炉膛负压控制系统框图如上图所示。由于送风量增大，炉膛负压升高，在炉膛压力调节器输入端产生偏差，使炉膛压力调节器输出增加，引风机速度升高，引风量增大，从而使炉膛负压回复到给定值上。当炉膛压力回复到给定值时，其调节器输入偏差为零，炉膛压力调节器的输出就不再变化，引风机的速度就稳定在新的值上，炉膛压力调节系统也经历了一个从平衡到不平衡的平衡的调节过程。在炉膛压力调节系统中，由于有风量的微分信号加入到调节器的输入端，因此风量增加，而在炉膛负压还来不及变化时，引风机的速度由于调节器输出增大而升高了。这样可以使调节过程比较平缓，不易产生过调现象。
如若负荷减小，那么调节系统同样经历一个从平衡到不平衡的调节过程。只是调节过程中，相应的动作方向与增加负荷时的情况相反罢了。
6．2系统仿真
1．炉膛负压仿真框图
下图为炉膛负压仿真框图，其中，炉膛负压——引风量通道特性为
炉膛负压——送风量通道特性为
?2.3?e?5s；
14s?13?e?4s。
15s?1图6.2炉膛负压仿真框图
2．仿真曲线
取PID各参数为Kp=0.92,Kd=0.8,Ki=0.06。在炉膛负压控制系统稳定运行100S后，送风量有10%的波动。
图6.3炉膛负压仿真曲线
从仿真结果可看出，送风量干扰对炉膛负压并没有造成太大影响，在很短时间内就得到稳定。实验证明用常规的PID控制可以保证锅炉的安全运行，即简单，又方便。
结
论
工业锅炉的精确数学模型难以建立，以及锅炉的复杂特性使得其采用常规基于数学模
型的经典控制方法难以获得良好的控制效果。这主要是因为在对象动态特性不断变化的情况下，控制器的参数难以整定。即使整定好，随着工况的不断变化，控制参数也会偏离最优点。用模糊集合理论设计模糊控制器时，并不要求建立被控对象的精确的数学模型，而着重注意的是系统的输入与输出的对应关系，一个操作熟练的优秀司炉工可以给出输入与输出的最好对应关系，这种关系的积累是司炉工的实践的总结。这也就是模糊控制最适意于那些对象复杂其模型难以确定的一类工业生产过程的控制的原因，这正好解决了经典控制理论所不能解决的问题。仿真实验表明，模糊控制算法具有阶跃响应速度快、精确度较高、对参数变化不敏感以及整定更为容易等特点，充分体现了智能控制方法对于被控对象的良好适应性。模糊控制运用到主汽压控制上是可以满足要求的、可行的。
为了保障经济燃烧，提出一个理论上属于自适应控制范畴，不需建立准确的数学模型，简单而行之有效的以热效率最高为目标函数的自寻最佳控制系统。
炉膛负压控制比较简单，用PID控制就可满足要求。
参
考
文
献
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[22]
篇六：锅炉燃烧过程控制系统设计论文
锅炉燃烧过程控制系统设计
摘
要
锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备之一。而锅炉燃烧所用的煤炭、重油等又是极其重要的战略资源,不可再生。因此锅炉的燃烧控制相当重要,控制不好将造成资源浪费、环境污染和效益低下。要使锅炉燃烧达到最佳的燃烧状态,锅炉燃烧控制系统对锅炉的燃烧过程进行自动化控制是至关重要的。
燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。
燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。本文通过对整个燃烧系统的分析和研究，分别确定了锅炉燃烧控制系统中的主蒸汽压力控制系统和炉膛负压控制系统的控制方案，然后对其控制规律及参数进行选择和整定。在仪表选型时，采用了先进的数字式仪表，井以PID控制来实现，最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。
论文详细介绍了锅炉控制系统的设计，其中包括硬件结构、系统主要功能、系统硬件配置、软件设计原则、主程序流程等。系统投入运行后，锅炉的燃烧效率和稳定运行情况都有了明显改善，有利于锅炉高效稳定运行，实现增产降耗的目标。
关键词：锅炉；燃烧控制；PID控制
I
BoilercombustioncontrolsystemdesignAbstractBoilerischemical,oilrefining,powergenerationandotherindustrialprocessesessentialtooneoftheimportantpowerequipment.Usedintheboilerburningcoal,heavyoilisanextremelyimportantstrategicresource,non-renewable.Thereforeveryimportanttotheboilercombustioncontrol,thecontrolwillnotresultinwasteofresources,environmentalpollutionandlowefficiency.Toburncombustiontoachievethebeststate，Boilercombustioncontrolsystemforautomaticcontrolofthecombustionprocessisessential.Powerplantboilercombustioncontrolsystemisthemaincontrolsystem,Includingfuelcontrolsystems,airvolumecontrolsystem,furnacepressurecontrolsystem.Currently,mostpowerplantboilercombustioncontrolsystemstillusesPIDcontrol.Combustioncontrolsystemconsistsofmainsteampressurecontrolandcombustionratecontrolcascadecontrolsystemcomponents,Whichcontroltheamountoffuelburnratecontrol,airvolumecontrol,volumecontrolofthewindstructure,Respectively,eachindifferentsub-controlsystemMeasurement,controlmeanstoensureeconomicandsafeburningfire.Basedontheentirecombustionsystemanalysisandresearch,respectively,theboilercombustioncontrolsystemtodeterminethemainsteampressurecontrolsystemandthefurnacepressurecontrolsystemofthecontrolscheme，Anditscontrollawandparameterselectionandsetting.Intheselectionofinstruments,theuseofadvanceddigitalinstrument,wellthePIDcontroltoachieve,andfinallyreachtheboilersafety,economy,efficientoperation.Paperintroducestheboilercontrolsystemdesign,includinghardwarestructure,the
II
mainfunctionofthesystem,hardwareconfiguration,softwaredesignprinciplesthemainprogramprocesses.Systemputintooperation,theboilercombustionefficiencyandstabilityofoperationhasasignificantimprovementisconducivetoefficientandstableoperationoftheboilertoachievethetargetyieldandreducingconsumption.Keywords:Boiler;combustioncontrol;PIDcontrol
III
目
录
1绪论.................................................................................................................................11.1锅炉燃烧的目的和意义......................................................................................11.2锅炉燃烧的研究现状及发展............................................................................11.2.1锅炉燃烧研究现状.................................................................................11.2.2锅炉燃烧控制系统优化方法.................................................................21.3锅炉燃烧的研究内容..........................................................................................42锅炉燃烧的工艺流程
.....................................................................................................62.1锅炉燃烧系统的组成..........................................................................................62.2锅炉燃烧系统的工作过程..................................................................................72.2.1锅炉燃烧系统的工艺流程简介...............................................................72.2.2锅炉燃烧过程的基本问题.....................................................................93锅炉燃烧控制系统设计
...............................................................................................103.1锅炉燃烧控制系统的任务................................................................................103.2锅炉燃烧控制系统的组成................................................................................103.2.1主蒸汽压力控制系统系统.....................................................................103.2.2炉膛压力控制系统..................................................................................113.3锅炉燃烧控制系统中被控变量的选择............................................................123.4锅炉燃烧控制系统的控制方案........................................................................133.4.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统方案的确定.................133.4.2燃烧过程的烟气含氧量控制.................................................................183.4.3炉膛压力控制系统控制方案确定..........................................................203.4.3总体设计方案..........................................................................................22i
3.5锅炉燃烧控制系统的实施................................................................................233.5.1锅炉燃烧控制系统控制器规律的选择.................................................233.5.2炉膛压力控制系统控制方案确定.........................................................243.5.3炉膛压力控制系统控制器规律的选择.................................................243.6锅炉燃烧控制系统中控制器的正、反作用的选择........................................253.6.1主蒸汽压力控制系统控制器正、反作用的选择.................................253.6.2炉膛压力控制系统控制器正、反作用的选择.....................................263.7锅炉燃烧控制系统的参数整定........................................................................263.8仪表的选择........................................................................................................293.8.1变送器的选择.........................................................................................293.8.2控制器的选择.........................................................................................303.8.3调节阀的选择.........................................................................................314利用MATLAB对锅炉燃烧控制系统仿真
.................................................................334.1建立数学模型.....................................................................................................334.2控制系统参数整定............................................................................................334.3控制系统Simulink仿真...................................................................................385总结................................................................................................................................40参考文献...........................................................................................................................41谢
辞...........................................................................................................................42附
录...........................................................................................................................43ii
1绪论
1.1锅炉燃烧的目的和意义
锅炉作为石油化工、炼油等工业生产过程中的主要动力设备，其产生的高压蒸汽，不仅可以为发电设备提供动力源，也可以为化学反应、蒸馏等过程提供热源[1]。随着工业生产规模的不断扩大，生产技术以及生产设备的不断创新，作为工厂动力和热力源泉的锅炉，也不得不向着更大容量和更高效率发展。因此，为了确保工厂能够安全、稳定地生产，达到最佳状态，锅炉的控制变得愈发重要。
锅炉燃烧在摸索锅炉的运行特性和规律，通过试验确定锅炉在现有设备和燃料性质条件下的安全经济运行方式[2]。通过较全面的燃烧试验，可以获得锅炉在最佳运行方式下的技术经济特性（包括燃料、空气、烟气、和汽水工质的运行参数及锅炉效率、厂用电指标等，为加强电厂技术管理、掌握设备性能、制定运行规程、投入燃烧自动调节系统以及做好全厂的经济调度提供依据。
燃烧的目的就是掌握锅炉运行的技术经济特性，确定锅炉燃烧系统的最佳运行方式和各种影响因素变化的规律，从而保证锅炉机组的安全、经济运行。
1.2锅炉燃烧的研究现状及发展
1.2.1锅炉燃烧研究现状
锅炉系统是一个复杂的时变动态过程,有多个控制回路,具有很强的非线性、紧藕合、大滞后、强干扰的特点，传统的PID控制算法很难使之达到理想的控制效果和较高的自动投运率[3]。通过对国内外锅炉控制现状、发展趋势和长期现场实验的分析,以及对锅炉应用先进控制进行深入研究,采取智能控制系统对锅炉进行控制,使锅炉控制系统获得了优良调节品质、提高了燃烧效率、实现了节能节源,不仅具有学术研究价值,而且具有一定的经济效益和社会效益。此控制系统在一定程度上克服了传统控制算法的弊端,能够实现工业燃气锅炉的最优化燃烧控制，并且节能，可靠
高效,污染少[4]。
目前关于燃烧的研究多集中在最优化的研究，主要基于模型预测和多目标优化技术方面，具有很明确的优化目的，可以提高燃烧效率，降低污染物排放量。一些欧美的公司已经在此基础上开发了燃烧优化软件产品，如Ultramar公司的基于贝叶斯统计和加权非线性回归相结合的燃烧优化技术，该系统的优化实际上是一个模型实时更新基础上的稳态优化[5]。
另外还有美国的Pegasus公司基于人工智能神经网络技术设计的燃煤电厂控制的NeuSIGHT系统，powerPerfect系统等。NeuSIGHT系统利用DCS本身具有的数据库的数据作为数据分析的基础，经过神经网络模型在线分析，迅速得出运行参数的最优值，然后输出到DCS，DCS系统通过控制偏移量，进而实现NeuSIGHT对锅炉燃烧控制powerPerfect系统国外也称它为DeltaE3系统，它基于与NeuSIGHT系统类似的神经网络技术，并增加了模型预测控制（MPC）技术，能通过建立多目标的动态化控制器，动态调整DCS设定参数与偏置，实现锅炉优化动态闭环控制。这种技术所利用的数据必须准确，需要安装分析仪表，对现场的测控仪表有较高的要求，不符合我国的实际国情。同时，国外的锅炉燃烧优化控制系统缺少本地化的开发，培训和服务也不到位，难以适应我国的工业现状[6]。
1.2.2锅炉燃烧控制系统优化方法
如今，不管是我国抑或是国外很多人员都在积极的探索高效率的燃烧优化工艺，这方面的资料非常多，具体可以分成如下的几大层次。
1、基于燃烧优化调整试验的研究[7]
经由合理的调节能够得到精准的风煤比例，进而明确体系的最为合理的运行指数，而且得到精准的电脑控制曲线，以此来指引工作的开展。在运作的时候，可以结合特殊的意义开展调整测试活动，获取最佳的燃烧工艺。此类优化内容都要靠着
专门的工作者多次的进行测试，非常的耗费时间和经历，通常只是在新的设备运行或是旧有的运行方式有很大变化时才进行。
2、基于燃烧理论建模技术的研究
由于不断的对燃烧理论进行建模分析，并且积极的探索求解措施，因此在该方面获取了很多的成就。不过此类措施的运算步骤很繁琐，尤其是当燃烧机理模糊时，无法进行精准综合的建模工作。所以，这个方法一般是用到离线分析工作中，要想用到在线建模中还是有一定的困难。
目前,我国大型锅炉发展迅速，且技术不断成熟完善，但由于对锅炉结构的特殊性认识不足，简单照搬锅炉的结构特点，因此，锅炉燃烧存在以下几个问题[8]：
(1)炉内燃烧时间不足问题
燃煤技术对煤在炉内的燃烧时间有一定要求，通常要求燃烧时间至少要达到4秒，从而对锅炉炉膛高度有一定要求。以炉内达到快速床的平均烟气速度为5m/s计算，则炉膛高度至少要达20m左右。当锅炉蒸发量小于35t/h时，受锅炉成本因素的限制,炉膛高度很少能达到20m以上，煤在炉膛内也就没有足够的燃烧时间，这样往往不能满足一次通过燃烧室的细煤粒燃尽时间的求，造成飞灰含碳量高，固体不完全燃烧损失增大，这样就会降低锅炉效率。
(2)中低压汽水参数特性与锅炉配合问题
随着锅炉容量、蒸汽参数的降低，蒸发吸热量大幅增加，比如在16.8MPa压力下的蒸发吸热量为875.63kJ/kg，而在1.3MPa压力下的蒸发吸热量则增加1970kJ/kg。不同压力下蒸发段吸热量的变化势必会引起包括预热段和过热段在内的三部分吸热比例的变化。
(3)受热面布置与磨损矛盾
随锅炉容量、蒸汽参数的降低，炉内蒸发吸热占汽水总吸热的比例大幅增加，即使全部炉墙都布置水冷壁，炉膛出口温度仍然很难控制在950℃以下。大型锅炉可以采用悬吊的屏式受热面，因为其锅炉采用的是悬吊结构；而工业锅炉采用的是支撑结构，采用悬吊屏式受热面的困难很大。为此，只得在炉内密相区布置埋管受热面，虽然埋管受热面的传热系数高，但由于锅炉的烟气速度较高，烟气中的物料浓度也很大，埋管受热面的磨损十分严重。如何在炉内布置足够多的蒸发受热面，以保证炉膛出口烟温的条件下，减少磨损，是至今未能很好解决的技术难题。
1.3锅炉燃烧的研究内容
本题目是针对影响锅炉燃烧的因素特点，在深入剖析锅炉燃烧特性以及控制难点和设计原则的基础上，依据预测控制理论知识设计模型预测控制器，并应用于锅炉燃烧控制系统中。影响锅炉的燃烧因素有很多，主要影响因素有[9]：
(1)炉膛温度是燃烧的基本条件；
(2)适当的空气供应，为燃料提供足够的氧气，是燃烧反应的原始条件；
(3)良好的混合条件，混合是燃烧反应的重要物理条件；
(4)足够的燃烧时间，燃料在炉内停留足够的时间，才能达到可燃物的高度燃尽，这就要求有足够大的炉膛容积。
只有满足了上述条件，锅炉的燃烧才能稳定，燃烧才能完全。
本设计通过对锅炉燃烧的工艺过程的全面了解制定锅炉燃烧控制系统：
主要包括主蒸汽压力控制系统、风煤交叉限制回路、煤量控制系统及送、引风控制系统[10]。
其功能为：第一，确保汽压以及蒸发量等正常。第二，保证着火稳定，火焰充满炉灶，没有残渣，过热器的气温不会太高。第三，确保机组运作的费用最为节省。第四，降低污染物的释放量。
纵观目前对锅炉燃烧控制策略的研究及缺点和现有锅炉运行状况，本文的目的在于探讨一种简单实用，易于调整，收效高的锅炉控制方案，主要手段是采用智能PID控制方法，形成一种新的对锅炉控制实用的算法。首先收集并分析相关技术资料，以太网技术发展和锅炉燃烧控制系统特点的基础上,提出整体性技术解决方案,为系统研发做好必要的准备工作。该系统用组态软件,以实现锅炉汽包水位、过热蒸汽、燃烧过程自动控制,以达到节能增效,促进企业生产管理的信息化建设,提高企业竞争力的目的[11]。
论文的研究内容主要包括：
(1)本课题的研究背景、意义和锅炉燃烧控制系统发展现状。
(2)对锅炉产生扰动的主要因素及调节原理进行分析，依据控制对象特性是比较复杂的、不确定性的非线性系统并且具有时滞性，将模糊自适应PID控制算法应用于汽包水位控制中，以达到良好的控制效果；根据锅炉燃烧的动态特性，从提高热效率入手，提出锅炉燃烧过程的控制算法。
(3)从生产过程管理和控制两个方面综合考虑实现总体目标最优化出发，系统采用Simulink进行仿真,使系统构成更完善、更合理。
(4)作为锅炉控制装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。
2锅炉燃烧的工艺流程
2.1锅炉燃烧系统的组成
燃烧过程的目的是为了完成热交换，把热能最终转化为电能，在锅炉中，用来完成能量交换的介质是水。经过化学处理的纯净水由给水泵打进高压加热器加热，再经过省煤器回收一部分尾烟中的余热后进入汽包。汽包的水在水冷壁中进行自然或强制循环，不断吸收炉膛辐射热量，由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出，再经过多级加热器进一步加热成过热蒸汽，这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品。蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。
锅炉的主要设备包括气锅、汽包、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃料供给设备以及除灰除尘设备等[12]。
锅炉设有一套完整的燃烧设备，可以适应燃料气、燃料油、液态烃等多种燃料。根据不同蒸汽压力即可单独烧一种燃料，也可以多种燃料混烧，还可以分别和CO2废气混烧。
(1)省煤器：主要作用是预热锅炉给水，降低排烟温度，提高锅炉热效率，在锅炉尾部的垂直烟道中。同时，由于提高了进入汽包的给水温度，减少了因温差而引起汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。
(2)汽包：装在锅炉的上部，包括上下两个汽包，它们分别是圆筒型的受压容器，它们之间通过对流管束连接。上汽包的下部是水，上部是蒸汽，它受省煤器的来水，并依靠重力作用将水经过对流管束送入下汽包。
(3)炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。
(4)除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场的设备。
(5)水冷壁：是布置在燃烧室内四周墙上的许多平行的管子。它主要的作用是吸收燃烧室中的辐射热，使管内的水汽化，蒸汽就是在水冷壁中产生的。
(6)过热器：过热器的作用是利用烟气的热量将饱和的蒸汽加热成一定温度的过热蒸汽。
(7)空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。
(8)水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。
(9)燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。
(10)引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。
2.2锅炉燃烧系统的工作过程
2.2.1锅炉燃烧系统的工艺流程简介
锅炉是用热能来加热工质(一般为水)产生蒸汽的设备，最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分。常见的锅炉系统流程图如图2-1所示。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。现简要叙述锅炉的三个过程[13]。
汽包蒸气出口控制省煤器给水调节阀传煤器炉排空气预热器除尘器锅炉给水泵烟囱锅炉引风机
图2-1锅炉燃烧系统流程图
(l)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。
(2)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（蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面,使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热）。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。
2.2.2锅炉燃烧过程的基本问题
与燃料种类、燃烧设备以及锅炉形式等有密切的关系。现以燃煤锅炉讨论燃烧过程的控制问题。
燃烧控制的基本问题有三个[14]：
(1)保证出口蒸汽压力的稳定，能按负荷要求自动增减燃料量。
(2)燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使煤炉冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失。
(3)保证锅炉安全运行。保持炉膛一定负压，以免负压太小，甚至为正，会造成炉膛内热烟气往外冒出，影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量冷空气温进炉内，从而使热量损失增加。
3锅炉燃烧控制系统设计
3.1锅炉燃烧控制系统的任务
锅炉燃烧系统的控制任务相当多，第一是要使锅炉出口蒸汽稳定，因此当负荷扰动而是蒸汽压力变化时，通常是调节燃料量（或送风量），第二是保证燃烧过程的经济性。在蒸汽压力恒定的情况下，要使燃料量消耗最少，且燃烧尽量完全，使燃烧效率高，为此燃料量与送风量应保持一个合适的比例，第三是要保证炉膛负压的恒定，通常用引风调节量使炉膛保持在微负压（-2—8mmH2O）。如果炉膛负压太小甚至为正，则炉膛内的烟气甚至是火焰将会向外冒出，影响设备和操作人员的安全，反之，炉膛负压太大，惠氏冷空气进入炉膛内，从而使热量损失增加，降低热效率。
上述三项任务是有关联的，为了完成这三项任务，有三个可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量。控制设计总的原则是当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协调动作。这样既适应负荷变化的需要，又使燃料量和送风量成一定的比例，炉膛负压为一定的数值，而产生负荷稳定不变时，则应保持燃料量、送风量和引风量都稳定保持不变，并迅速消除它们的各自的扰动作用。
锅炉燃烧系统控制的主要目的是使染料与空气达到合理比例，以使燃料燃烧时能过充分燃烧，达到节能的经济目的。同时燃料的安全燃烧也是正常操作时需要密切注意的问题，所以在锅炉燃烧控制的系统中，往往设计有安全联锁控制等保护型控制系统。
3.2锅炉燃烧控制系统的组成
3.2.1主蒸汽压力控制系统系统
当锅炉负荷变化，调节给粉机转速时，给粉量的增减应缓慢进行，调节范围不
易太大。若转速过高，不但会因煤粉浓度过大堵塞一次风管，而且容易使给粉机超负荷。若转速过低，则在炉膛温度不太高的情况下，由一于浓度不足，着火不稳，容易发生熄火。给粉机的转速控制在300-800r/min的范围内。调整给粉机转速的同时，应注意调整送、引风量，保持汽压和气温的稳定。增加负荷时，先增加风量，随之增加给粉量；减负荷时，先减少给粉量，随之减少风量，并使同层给粉机的下粉量一致，以便于配风。
当外界负荷变化而需要调节锅炉出力时，随着燃料量的改变，锅炉的风量也需要做出相应的调节。
在锅炉运行中，实际进入炉内的空气不可能全部与燃料接触并发生完全反应。为了减少化学不完全燃烧热损失和烟气热损失，获得良好的燃烧效率，实际送入炉内的空气量通常比理论计算空气量多一些，两者之比称为过量空气系数α。过量空气系数的控制是通过烟气分析仪测量烟气中的O2成分来实现的[15]。由一于目前普遍采用氧量计，过量空气系数α与烟气中O2含量关系如式3-1所示：
α=
21(3-1)21-o2式中：O2——烟气中的含氧量%；
α——过量空气系数。
因此运行人员可直接根据氧量表的数值来控制送入炉膛内空气量，而不必换算过量空气系数。
3.2.2炉膛压力控制系统
炉膛压力是反应燃烧情况稳定与否的重要参数。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛压力将迅速发生相应的变化。当锅炉的燃烧系统发生故障时，最先将在炉膛压力的变化上反应出来，而后才是蒸汽参数的一系列变化。因此，监视和控制炉膛压
11力，对于保证炉内燃烧工况的稳定具有及其重要的意义。
炉膛负压过大，将会增加炉膛和烟道的漏风，锅炉在低负荷或燃烧.工况不稳的情况下运行时，便有可能由于漏入冷风而造成燃烧恶化，甚至发生锅炉熄灭。反之，若炉膛压力偏正，则炉膛内的高温火焰就有可能外喷，不但影响环境卫生还将造成设备损坏或引起人身事故。
运行中引起炉膛负压波动的主要原因是燃烧工况的变化。为了使炉内燃烧连续进行，必须不间断的向炉膛供给燃料燃烧所需的空气，并将燃烧后产生的烟气及时排走。在燃烧产生烟气及其排放的过程中，如果排出炉膛的烟气量等于燃烧产生的烟气量，则进、出炉膛的物质保持平衡，此时炉膛负压就相对保持不变。若上述平衡遭到破坏，则炉膛负压就要发生变化。例如在引风量未变时，增加送风量，就会使炉膛出现正压。
运行中即使送、引风量保持不变，由于燃烧工况总有小量的变化，故炉膛压力总是波动的。当燃烧不稳时，炉膛压力将产生剧烈的波动，炉膛风压表相应作大幅度的剧烈晃动。运行经验表明;当炉膛压力发生剧烈波动时，往往是熄火的顶兆，这时必须加强监视炉内燃烧情况，分析原因，并及时进行调整和处理。当燃料量发生变化时,炉膛燃烧发热量也立即发生变化,此时向调节器发出的热量信号也会随之变化,调节器调节燃料量使之恢复正常。这样,就不会由于燃料量扰动而引起汽包压力发生过大变化。
炉膛压力通常是通过改变引风机的出力来调节的。引风机的风量调节方法要求和送风机基本相同。
3.3锅炉燃烧控制系统中被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果
12被控变量选择不当，不论采用何种仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到顶期的控制效果，满足不了生产的技术要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产上艺的基础上才能正确的选择相互被控变量。
在锅炉燃烧控制系统中包含两个控制系统：主蒸汽压力控制系统和炉膛压力控制系统，而主蒸汽压力又由主蒸汽压力与燃料流量构成的燃料控制系统和燃料流量与空气流量构成的送风控制系统组成;炉膛压力的变化主要是由引风量的调节来实现的，所以有时，也可以把炉膛压力控制系统称为引风控制系统。如果想要对该系统进行高效、精确的控制，首先得依次对这三个子控制系统进行被控变量的选择。
在燃料控制系统中，要完成的任务是使燃料流量的变化要随着蒸汽负荷的变化而变化，所以很明显的可以看出在该系统中，被控变量是蒸汽压力(负荷)，操纵变量是燃料量;在送风控制系统中，要求保持合理的风、煤配合，才能使锅炉经济的燃烧，所以该控制系统的被控变量是烟气成分，操纵变量是送风量;在引风控制系统中，主要的目的是使炉膛负压能够保持在一定的范围内，从而保证锅炉的安全运行，所以它的控制变量是炉膛负压，操纵变量是引风量。
3.4锅炉燃烧控制系统的控制方案
3.4.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统方案的确定
蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。当蒸汽负荷及燃料量
波动较小时，可以采用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统。如图3-1所示。
主蒸汽压力控制器-调节阀压力对象压力变送器图3-1蒸汽压力控制燃料量的单回路控制系统方框图
13但是，从上图我们明显的可以看出:当燃料流量波动较大时，等到主蒸汽压力控制器感受到这样的偏差去控制调节阀时，燃料量已不是原来的流量了，所以对它的控制总是存在着一定的偏差和滞后的。所以，要对燃料流量设置一个调节器，让它对干扰进行快速的控制，这便构成了一个串级控制系统。如图3-2所示。
此外，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以是主流量，它的空气流量为副流量。
-主蒸汽压力控制器-燃料流量控制器调节阀燃料流量对象主蒸汽压力对象燃料流量变送器主蒸汽压力变送器
图3-2蒸汽压力控制燃料量的串级控制系统方框图
当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使燃料量与空气量的比值达到一个最优比以保证锅炉燃烧的经济性。在这里，不管燃料量还是送风量都应该是可控制的，所以采用的是双闭环比值控制系统，如图3-3所示。
14燃料流量控制器-调节阀燃料流量对象燃料流量变送器K空气流量控制器-调节阀空气流量对象空气流量变送器
图3-3双闭环比值控制系统方框图
它在提降量上也是很方便的，只要缓慢的改变主流量的给定值，就可以提降主流量，同时副变量也就跟踪提降，并保持两者比值不变。在该系统中空气量是随着燃料量变化的，所以燃料量是主流量，空气流量是副流量。通过上述分析，得到了燃烧过程的基本控制控制方案如图3-4所示。
图3-4a)是将蒸气压力调节器的输出同时作为燃料和空气流量调节器的设定值。这个方案可以保持蒸气压力的恒定，同时燃料量和空气量的比例是通过燃料流量调节器和送风流量调节器的正确动作而间接得到保证的。图3-4b)的方案是蒸汽压力对燃料流量的串级控制，而送风量随燃料量变化而变化的比值控制。这样可以确保燃料量与送风量的比例。
15燃料P汽空气量量KPCF2CF1C燃料阀空气阀a）
蒸燃空汽料气量量量KPCFCFC燃料阀空气阀b）
图3-4燃烧过程基本控制方案
上述方案在负荷发生变化时，送风量的变化必然落后于燃料量的变化，以致燃烧不完全，为此设计图3-5。
16燃料量PCI1蒸汽量K空气量I2IpF2CLSHSF1C燃料阀空气阀图3-5燃烧过程的改进控制方案
为了使锅炉能够充分且完全的燃烧：在蒸汽量要求增加时，应先加大空气量，后加大燃料量；在蒸汽量要求减小时，应先减燃料量，后减空气量。完成该逻辑提降量是依靠系统中设置的两个选择器：高选择器HS，低选择器LS。
在正常工况下，即系统处于稳定状态时，蒸汽压力控制器的输出IP等于燃料流量变送器输出I1，也等于空气流量变送器的输出呈上空气过剩系数K后的值I2。高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行上作。当系统进行提量时，随着蒸汽量的增加，蒸汽压力减少，压力控制器的输出Ip增加(根据串级控制系统的要求，压力控制器应选用反作用式控制器)，这个增加了的信号不被低选器选中，而被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加，也就使I2开始增加。因此时I2 3.4.2燃烧过程的烟气含氧量控制 前面介绍的锅炉燃烧过程的控制方案中，虽然考虑了燃料量与送风量的比例，但并不能确保燃烧的经济型（即两流量的最优比例）。这不仅是因为流量测量信号的不够正确而引起的，还有可能是由于燃料的质量变化所造成的，即使不考虑上述两方面的原因，由于锅炉负荷的不同，燃料量和送风量间的最优比值也是不同的。因此，最好选择一个检查燃料量与送风量是否比例适当的直接指标，因此来校正送风量。这就是下面要讨论的问题。 理论和实践已经证明，锅炉的热效应（经济燃烧）主要反映在烟气成分（特别是含氧量）和烟气温度两个方面，而烟气中各种成分如氧气、二氧化碳、一氧化碳、以及未燃烧烃的含量基本上可以反映燃料燃烧的情况，最简便的方法是用烟气中的氧含量A来表示。根据燃料燃烧时的化学反应方程式，可以计算出使燃料完全燃烧时所需的空气量。即理论空气量，用Qt表示。但实际上燃料在完全燃烧时所需的空气量QP，往往要大于Qt，即有一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值。即所谓最优经济燃烧。如图3-6所示。对于液体燃料，最优过剩空气量约为8%~15%。过剩空气量常用于过剩空气率μ来表示，即为实际空气量QP和理论空气量之比。 因此，μ是衡量经济燃烧的一种指标。但是，μ很难直接测量，可以利用μ与烟气中含氧量的近似关系，即 μ=QpQt (3.2)1μ=(3.3) 0.22A?1?0.22-A0.22?A 由最优值μ计算出A的最优值。例如当μ的最优值为1.08~1.15时，可得A的最优值为1.6%~3%。因此，烟气中的含氧量A可作为一种直接衡量经济燃烧的指标。 根据以上分析可知，只要在图3-5的控制方案上对进风量用烟气含氧量加以校正，就可构成图3-8所示的烟气含氧量的闭环控制系统。在该控制系统中，只要把氧含量成分控制器的给定值按正常负荷下烟气含氧量的最优值设定，就可使过剩空气量稳定在最优值，保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。 此外，在锅炉实际运行中，蒸汽负荷是经常变动的。要使不同负荷运行时锅炉总是处于最佳燃烧过程，则还需对闭环控制系统进一步完善。已知蒸汽量与烟气中最优含氧量之间呈一曲线关系。如图3-7所示。 不完全燃烧的损失最高效率区总能量损失烟气的热损失-20020过剩空气量/%406图3-6过剩空气量与能量损失的关系 1锅炉效率O264过量O2201020304图3-7过剩空气量与O2及锅炉效率间的关系 燃料量PCP汽空气量O2AC最优解F2CLSHSF1C燃料阀空气阀 图3-8烟气中含氧量的闭环控制方案 3.4.3炉膛压力控制系统控制方案确定 图3-9所示是一个典型的锅炉燃烧过程的炉膛负压及有关安全保护控制系统。 主蒸汽P2C汽包LSP2C燃料P3CP4CK 图3-9炉膛负压与安全保护控制系统 21.炉膛压力控制系统 炉膛负压控制系统也叫引风控制系统，它的控制一般可通过控制引风量来实现。当锅炉负荷变化较小时，单回路的控制系统就能满足;但是，当炉膛负荷变化较大时，单回路就很难控制，因负荷变化后，燃料及送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引风控制器去控制，这样引风量的变化落后于送风量。为此用反映负荷变化的蒸汽压力作为前馈信号，K为静态前馈放大系数。通常把炉膛负压控制在-20Pa左右。 2.有关安全保护系统 当炉膛负压太小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气玩外冒出，影响设备和工作人员的安全;如果炉膛负压过大，会使冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，以要采取相应的安全保护系统。 (1)防脱火系统这是一个选择性控制系统，在燃烧背压正常情况下，由蒸汽压 力控制器控制燃料阀，维持锅炉出口蒸汽压力稳定。当燃烧嘴背压过高时，为避免造成脱火危险，此时背压控制器几P2C通过低选器LS控制燃料阀，把阀关小，使背压下降，防止脱火。在图3-9中，低选择器输出PY与输入信号的关系如下： 当PA 当PA>Pa时，PY=PB 且以上两个控制器均为反作用(这是根据系统的要求确定，有关控制器正反作用的选择问题待后而讨论)，其中P1C为正常情况下工作的控制器，P2C为非正常情况下工作的控制器，而且是窄比例(即比例放大倍数很大)。 在正常情况下，燃料压力低于产生脱火的压力(即低于给定值)，P2C感受到的是负偏差，因此，它的输出PB呈现为高信号(因为P2C为反作用)。而与此同时P1C的输出信号相对来说则呈现为低信号。这样，低选器LS将选中P1C的输出PA送往控 21制阀，构成蒸汽压力控制系统。 当燃料压力上升到超过P2C的给定值(脱火压力)时，P2C感受到的是正偏差，因此它是反作用、窄比例，因此P2C的输出PB一下跌为低信号。于是低悬着器LS就改选P2C的输出PB送往控制阀，构成燃料压力控制系统，从而控制燃料压力的上升，达到防止脱火的产生。 待燃料压力下降到低到给定值时，PB又迅速上升为高信号，而蒸汽压力控制P1C输出PA相对而言又成为低信号，为低选择器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。 (2)防回火系统当燃料压力不足时，燃料气管线的压力又可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的“回火”现象，这会危机燃料气罐发生燃烧和爆炸，因此必须设法加以防止。 为此可以在原有的炉膛负压控制系统中增加一只带下限接点的压力控制器P3C和一个电磁三通阀。当燃料压力正常时，P3C下限接点是断开的，电磁阀是失电低选器LS输出直通控制阀，此时系统的工作情况和以上防止脱火的工作情况相同。一旦燃料压力下降到低于下限值，P3C下限接点接通，电磁阀得电，于是便切断了低选器LS至控制阀的通路，并使控制阀的膜头与大气相通，膜头压力将迅速降至零，于是控制阀将关闭，以防止“回火”产生。当燃料气管线压力慢慢上升到正常值时，P3C接点又复断开，电磁阀复断开，于是低选器LS的输出又能直通控制阀，恢复到正常的工作状态。 3.4.3总体设计方案 根据以上控制方案，设计出总体控制方案，对锅炉燃烧进行控制。如图3-10所示。 22P-29pc1蒸汽PC2ACKM含氧量LSFCIKPC4空气量燃烧量LSFC2PC3HSPAL 图3-10锅炉燃烧系统总体控制方案图 3.5锅炉燃烧控制系统的实施 3.5.1锅炉燃烧控制系统控制器规律的选择 工业用控制器常见的有开关控制器、比例控制器、比例—积分控制器、比例—微分控制器、比例—积分—微分控制器。过程工业中常见的被控参数有温度、压力、液位和流量。而这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，控制要求也是各种各样，因此控制器规律的选择要根据具体情况而定，但是有一些基本原则可在选择时加以考虑： (1)对于不太重要的参数，例如中间储罐液位、热量回收预热系统等，控制一般要求不太严格，可考虑采用比例控制，甚至采用开关控制； (2)对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制器，但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例—微23分控制器； (3)对于气比较重要的，控制精度要求比较高的参数，可采用比例—积分控制器； (4)对于比较重要的，控制精度要求比较高，希望动态偏差较小、控制对象的时间滞后比较大的参数，应当采用比例—积分—微分(PID)控制器。 3.5.2炉膛压力控制系统控制方案确定 在该控制系统中，蒸汽压力和燃料流量构成的是串级控制系统:在串级控制系统中，主、副控制器的类型是根据控制的要求进行选择的。串级系统中主变量是生产上艺的主要操作指标，它直接关系到产品的质量和生产的安全，工艺上对它的要求比较严格，一般来说，主变量不允许有余差。而对副变量的要求一般都很不严格，允许它有波动和有余差。因为副变量的稳定并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。在干扰作用下，为了维持主变量的不变，副变量就要变。另外，从串级控制系统的结构上看，主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。为了主变量的稳定，主控制器必须有积分作用，因此主控制器一般选用比例-积分控制器。然而副环是一个随动系统，它的给定值跟随主控制器的愉出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器不带积分，因为积分会使跟踪变的缓慢。所以副控制器采用比例控制器。 燃料流量与空气流量组成的是双闭环比值控制系统，在该闭环比值控制系统中，主流量是燃料流量，副流量是空气流量。首先两流量不仅要保持恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结果是副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器均应选比例—积分控制规律。 3.5.3炉膛压力控制系统控制器规律的选择 在该系统中，炉膛负压是一个单纯的前馈-反馈控制系统；反馈回路是一个简单的单回路控制系统，它的对象是炉膛负压，所以该控制器可以选比例—积分控制规 24律，前馈控制器则直接选用具有比例作用的控制器；安全保护控制系统是一个混合型选择性控制系统：一般正常上作的控制器起着保证产品质量的作用。因此，应选比例积分形式，由一于该控制系统的对象是压力对象，所以不考虑微分作用；至于在非正常情况工作下的控制器，为了使它能在生产处于不正常情况时迅速而及时地采取措施，以防事故的发生，其控制规律应选比例式(即比例放大倍数很大)。选择器的类型可以根据生产处于不正常情况下、非正常情况控制器的输出信号高、低来确定，如果在这种情况下它的输出为高信号，则应选高选器；如果在这种情况下它的输出为低信号，则应选低选器。 3.6锅炉燃烧控制系统中控制器的正、反作用的选择 3.6.1主蒸汽压力控制系统控制器正、反作用的选择 主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。考虑问题的出发点与单回路控制系统相同，即为了使副回路构成一个稳定的系统，对于副回路可将它视为一个放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是一个随动系统，对它的要求是:副变量能快捷的跟踪给定值。在蒸汽压力和燃料流量构成的串级控制系统中，蒸汽压力控制器为主控制器，燃料流量控制器为副控制器，当系统处于危险状况时，燃料阀应处于关闭状态，则阀门为气开阀，所以Kv为正；当阀门开度增加时，燃料流量增加，所以KO场为正，变送器一直为正，故Km为正；由KvKoKmKc为正可得Kc为正，所以燃料控制器(副控制器)为反作用控制器，这样，只根据主对象与主变送器放大倍数的符号就可以确定主控制器的正、反作用;当阀门打开时，主蒸汽压力上升，所以瑜K01为正，主变送器为正，Km为正，所以KC1为正，故主压力控制器（主控制器）为反作用控制器。同理可知空气流量控制器也为反作用控制器。 253.6.2炉膛压力控制系统控制器正、反作用的选择 在炉膛负压控制系统中，当该系统处于危险状况时，阀门应处于打开状态，则阀门为气关阀，所以Kv为负；当阀门开度增加时，炉膛压力降低，所以KO与为负；变送器一直为正，故Km为正；由KvKoKmKc为正可得Kc为负，所以炉膛压力控制器为正作用控制器。 在安全保护控制系统的防脱火控制系统中，阀门为气开阀，则Kv为正；变送器为正，则Km为正。在正常情况下，该系统构成的是蒸汽压力控制系统，当阀门开度增大时，蒸汽压力增大，则Ko为正，所以由KvKoKmKc为正，可得Kc为正，所以蒸汽压力控制器为反作用控制器；在非正常情况下，该系统构成的是燃料气压力控制系统，当阀门开度增大时，燃料气压力升高，则K01为正，同理可得，燃料压力控制器也为反作用控制器；在防回火控制系统中，根据同样的方法可得该控制器也为反作用控制器。 3.7锅炉燃烧控制系统的参数整定 所谓控制系统的目的，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数(δ、Ti、TD)的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。 由于蒸汽压力与燃料流量构成的控制系统为串级控制系统，串级控制系统的整定方法比较多，有逐步逼近法、两步法和一步法等。整定的顺序是先整副环后整主环，这是它们的共同点。但两步法较为费时，所以采用一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验现将副控制器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路系统的方法，直接整定出主控制器参数。 一步整定法的依据是：在串级控制系统中，一般来说，主变量是上艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此，对它的要求比较严格。而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定的26范围内变化。因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。此外，对一于锅炉燃烧控制这样一个具体的串级控制系统来说，在一定的范围内，主、副控制器的放大倍数是可以匹配的，只要主副控制器的放大倍数及Kcl与Kc2的乘积等于心（Ks为主变量呈4:1衰减振荡时的控制器比例放大倍数），系统就能产生4:1衰减过程。虽然按照经验一次放上的副控制器参数不一定适合，但可以通过调整主控制器放大倍数来进行补偿结果仍然可使主变量呈4:1衰减。人民根据长期的时间和大量的经验积累，总结出对于不同的副变量情况，副控制器参数可按下表所给出的数据进行设置。 表3-1副控制器参数经验设置值 系统 温度 流量 压力 液位 一步整定法的具体步骤如下： (1)根据副变量的类型，按上表的经验值选好副控制器参数，并将其置于副控制器上(副控制器只用比例调节)； (2)将串级投运后，按单回路系统整定方法直接整定主控制器参数； (3)观察控制过程，根据K值匹配的原埋，适当调整主控制器参数，使主变量的品质指标达到规定的质量要求； (4)如果系统出现振荡，只要加大主、副控制器的任一参数，就可消除，如“共振”剧烈，可先转入手动，待稳定后，再在比生产“共振”时略大的控制器参数下重新投运和整定，直到达到满意时为止。 2副控制器比例度 20~6030~7040~8020~80副控制器比例放大倍数 5~173~1.42.5~1.255~1.25由燃料流量与空气流量构成的是双闭环比值控制系统，比值控制系统的参数整定，关键是先要明确整定要求。双闭环比值的主流量回路为一般定值系统，可按常规的单回路系统进行整定，该设计所选的是衰减曲线法:衰减曲线法是在系统闭环情况下将控制器的积分时间Ti放到最大，微分时间TD放到最小，比例度δ放到适当数值(一般为100%)。然后δ由大往小逐步改变，并且每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加—阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4:1，δ继续减小当衰减比小于4:1时δ应增大，直到过渡过程呈现4:1衰减时为止。如下图3-11所示[16]。 通过上述试验，可以找到4:1衰减振荡时的比例度δs及振荡周期Ts。在按表3-2给出的经验公式，可以算出采用不用类型控制器使过渡过程出现4:1振荡的控制器参数值。 y41Ts 图3-11衰减曲线 按表3.2经验公式算出控制器参数后，按照先比例、后积分、最后微分的程序，依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前，应将δ放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后，再将δ放到计算机上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4:1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整TD下δ值，直到达到满意为止。副流量为随动控制系统，而对少于随动系统，2表3-2衰减曲线法整定控制器参数经验公式 控制器参数 控制器类型 δ/％ PPIPIDδs 1.2δs 0.8δs Ti/％ -0.5Ts0.3TsTd/％ --0.1Ts希望从物料能迅速正确的跟随主物料变化，且不宜有过调，也就是说，要使随动控制系统达到振荡与不振荡的临界过程，这与一般定值控制系统的整定要求是不一样的。按照随动控制系统的整定要求，整定方法步骤为； (1)进行比值系数计算及现场整定； (2)将积分时间置于最大，调整比例度由大到小，找到系统处一于振荡与不振荡的临界过程为止； (3)适当放宽比例度，一般放大20%左右，然后把积分时间慢慢减小，找到系统 处于振荡与不振荡的临界过程或微震荡的过程为止。 3.8仪表的选择 3.8.1变送器的选择 (1))温度变送器：用于测量炉膛温度、汽包温度、给水温度、省煤器进口烟气温度、省煤器出口温度、空气预热器进口温度、除氧箱温度。 目前工业上常用的接触式测温仪表有： ①膨胀式温度计：一种是利用液体和气体的热膨胀及物质的蒸汽压变化来测量温度；另一种是利用两种金属的热膨胀差来测量温度； ②热电阻温度计：它利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量温度； ③热电偶温度计：它利用热电效应测量温度。 2根据现场的条件和需求,在测量炉膛温度和省煤器进口烟气温度时采用铂铑一铂热电偶,因为该测量点温度较高,而铂铑1010一铂热电偶是一种贵金属热电偶,其测温上限最高可达1600℃,是一种比较理想的测量高温的热点偶,其正(Pt9O%+Rh10%)铂铑丝。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，故它的复制精度和测量精度较高,可用于温度精确测量。适用于在氧化或中性气氛介质中使用。省煤器出口烟气温度采用镍铬一镍硅热电偶,测量上限为1000℃,它的优点是热电动势较大,和温度的关系接近线性关系,化学稳定性好。其余的采用铂热电阻,测量上限为500℃。同时为防止高温下套管软化和高温腐蚀,采用耐腐蚀、耐高温的刚玉套管保护铂铑一铂热电偶,采用不锈钢套管保护镍铬一镍硅热电偶及铂热电阻。 (2)压力变送器：用于测量压力同时可用于测量液位,主要测量点有:给水压力、汽包压力、除氧箱压力、鼓风压力、引风压力、汽包液位、除氧箱液位。采用日本横河公司的压力变送器检测有关压力;通过差压变送器检测两点压力差,液位可结合同温度下水的比重算出。压力、差压变送器可通过手持电脑终端进行量程调整和校准。 (3)含氧量变送器：用于测量烟气中的氧的含量,选用氧化锆氧传感器,它属于浓差电池型氧传感器,基于固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电势,通过测量电势可以间接测量出氧含量,适合于在高温环境下使用,具有灵敏度高、响应快、信号易于处理的优点。 3.8.2控制器的选择 控制器(或称调节器)将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，井输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、液位及其他工艺变量的自动控制。在该设计中，所选用控制器是AI全通用人土智能调节器，有以下特点： 3(1)人性化设计的操作方法，非常方便易学，并且不同功能档次的仪表操作相互兼容； (2)包含国际上同类仪表的几乎所有的功能，通用性强、技术成熟可靠； (3)提供多个型号，无论事要求功能强大，还是要求价格经济，都能获得满意的经济； (4)全球通用的85—264VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外型尺寸供客户选择； (5)输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定； (6)采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定(AT)功能； (7)采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。 在该设计中所选的型号是AI-808，AI-808型可替换原来的DDZ-II、III型调节器且精度高。AI-808将温度变送器、手操器和伺服放大器等功能集成起来，通过变成可随意使其中一项或多项功能;除具备AI-708的全部功能及特点外，还具备外给定、手动/自动切换操作、手动自整定及显示输出值等功能。具备能直接控制阀门的位置比例输出(伺服放大器等功能)，也可独立做手动操作器或伺服放大器用，适合在化工、石化、火电、制药、冶金等所有行业做高精度调节器用，能精确控制温度、压力、流量、液位等.各种物理量。 3.8.3调节阀的选择 调节机构是执行器的调节部分，一般称为调节阀。在执行机构的输出力F(直行程)或输出力矩M(角行程)作用下，调节阀阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应的变化。 31在该设计中所选用的是直行程单级节流调节阀，它可以调节空气和煤粉的流量，单级调节阀和截止阀非常相似，只是在阀芯上多出了凸出的曲而部分，通过改变阀杆的的轴向位移来改变阀芯处的通流面积，以达到调整流量或压力的目的。单级节流调节阀的特点是流体截止仅经过一次就能达到调节目的。 324利用MATLAB对锅炉燃烧控制系统仿真 4.1建立数学模型 (1)建立燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统数学模型 2e?3s 燃料流量被控对象：G(s)?13s?1燃料流量至蒸汽压力关系约为：G(s)=3蒸汽压力至燃料流量关系约为：G(s)=1/3蒸汽压力检测变换系统数学模型：G(s)=1燃料流量检测变换系统数学模型：G(s)=1燃料流量与控制流量比值：G(s)=1/23e?2s 空气流量被控对象：G(s)?11s?1(2)建立路膛负压控制系统数学模型 10?s e引风量与负压关系：G(s)?7s?12送风量对负压的干扰：G(s)? 3s?14.2控制系统参数整定 (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：G(s)=Kp+(KI/s)，其中，参数Kp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（由系统被控对象Bode图知，在Kp=3.72附近时系统震荡），即系统处于临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图4-1(a)和图4-1(b)所示。 33(a)系统临界振荡仿真框图 21.510.50-0.50510152025303540455(b)系统临界振荡响应 图4-1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Ter≈11s和比例系数Ker≈3.8。则Kp=Ker/2.2=1.73，KI=Kp(0.85Ter)=0.18。 在Kp=1.73，KI=0.18基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如图4-2(a)所示[17]。 调节Kp=1.1，KI=0.1时，系统响应如图4-2(b)所示，可见系统有10%的超调量。 34(a)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图 1.41.210.80.60.40.200510152025303540455(b)燃料流量闭环控制系统参数整定 图4-2燃料流量闭环控制系统参数整定 (2)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4-3(a)所示。 当Kp=1，KI=0时（此时相当于无调节器，因此系统最简单），仿真结果如图4-3(b)所示。 35(a)蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图 10.90.80.70.60.50.40.30.20.1005101520253035404550系统阶跃响应阶跃输入 (b)蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果 图4-3蒸汽压力控制系统参数整定仿真 由仿真结果图4-3(b)可以看出，系统响应超调量约为25%。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度都较好。 (3)空气流量控制系统参数整定 空气流量控制系统的正定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，此处不再赘述。当Kp=0.08，KI=0.05时，系统阶跃响应如图4-4所示，可见系统响应超调量约为25%。 361.4系统阶跃响应阶跃输入1.210.80.60.40.20010203040506070809010图4-4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 负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，此处不再赘述。当Kp=0.03，KI=0.05时系统阶跃响应如图4-5所示。可见系统响应超调量约为25%。 1.4系统阶跃响应阶跃输入1.210.80.60.40.20010203040506070809010图4-5整定后负压控制系统阶跃响应 (5)负压控制系统前馈补偿整定 3采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：G(s)?7s?115s?54.3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4-6(a)所示。假定蒸汽压力设定值为10，路膛负压设定值为5，系统受幅值±0.1的随机干扰。仿真结果如图4-6(b)所示[18]。 (a)燃烧炉控制系统仿真框图 3504030蒸汽压力设定值波形负压变化波形实际蒸汽变动波形空气流量波形干扰波形负压设定值波形20100-10-2002040608010012014016018020(b)燃烧炉控制系统仿真结果 图4-6燃耗控制系统仿真 35总结 锅炉作为工业锅炉的一个特例是一个典型的多输入、多输出、非线性相关联的对象。一般将热锅炉分为几个相对独立的控制系统，如汽包液位控制统、过热蒸汽温度控制系统、燃烧控制系统。汽包液位的控制对少于整个锅炉的安全运行有着重要的作用;过热蒸汽温度的控制任务是要保证过热器的温度保持在530℃±5℃。这样才能使整个发电过程保持高效性和经济性。锅炉燃烧控制系统是上述几个子系统中最复杂的系统，可将其分为主蒸汽压力控制系统和炉膛负压控制系统，这两个子系统是紧密联系的。主蒸汽压力控制系统是由燃料一主蒸汽压力构成的串级控制系统和空气一主蒸汽压力构成的逻辑提降量双闭环比值控制系统组成；炉膛负压控制系统采用的是前馈一反馈控制系统。在方案确定以后对其进行控制规律的选择、控制器正反作用的选择、参数整定及仪表选型。 4参考文献 [1]周艳荣.组态王在加热炉燃烧控制系统中的应用[J].科技信息.2013.14[2]陈非,孙灵芳.锅炉燃烧控制的优化设计及应用[J].电站系统工,2009.25(1):57～58. 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