毕业设计（论文）-燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真.doc

燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真燃油蒸汽锅炉的燃烧控制摘要 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，simulinkthe design and simulation of the combustion control system based on fuel steam boilerabstractindustrial automation involve a very wide range, while process control is one of the most important branches. it mainly refer to control techniques of five industrial processes parameters which are temperature, pressure, and flow, liquid level (or bits), composition and characteristics. process control covers many industries, such as petroleum, chemical industry, electric power, metallurgy, light industry and textile department.it occupied an extremely important position of the national economy.the control modes and their emphasis depend on the different actual application and process engineering.combustion is essential in the industrial production.burning speaking, it can be divide into fuel, coal and gas. although burning applications and fuel combustion process may be different, the control of burning process all involve burning control, temperature control and burning level control, safety control, degree of saving energy control etc. this paper only to take fuel steam boiler combustion system as an example,it illustrates the control problems with certain universality in the combustion system. the purpose of this subject is to design the system framework for steam pressure control, fuel air ratio control and hearth negative pressure based on the actual production needs, also make model in the matlab environment as well as research for the algorithm of control . it mainly uses the matlab and simulink toolbox, adjusting the parameters in terms of the waveform of oscilloscope.as a result, the control effect improved.key words:,combustion control system,matlab, process control, simulink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-6 1.2.1燃油蒸汽锅炉发展和现状-6 1.2.2燃烧控制系统的简介-8 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-6 2.2 主要控制技术及要求-10 2.2.1稳定蒸汽母管的压力-12 2.2.2维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性-12 2.2.3维持炉膛负压在一定范围- 12 2.2.4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-14 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-14 3.2炉膛负压控制系统-154 matlab环境下控制算法的研究-18 4.1系统辨识-18 4.2控制系统参数整定-18 4.3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-503411 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(data acquisition system, 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(coordination control system ccs)或模拟量控制系统(modulating control system mcs):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(furnace safeguard supervisory system,fsss)或燃烧器管理系统(burner mangement system, 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(sequence control system, 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1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2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3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4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5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。 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2040pa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: 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;-锅炉汽包压力对时间的变化率。 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fc 蒸汽压力 锅炉蒸汽压力检测 锅炉 燃烧系统fc 燃料 fc 空气 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 燃料流量调节器被控对象燃料流量与蒸汽压力 汽被控对象燃料流量量）蒸汽压力 蒸汽压力调节器给定 -燃料流量检测与变换系统燃料流量蒸汽压力检测变换系统空气流量调节器 被控对象（空气流量） + _ 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。 送风量逆风对负 压影响前馈补偿 调节器负压给定 负压测量变换引风与负压关系引风调节器 + + - + + 炉膛负压 _3.3炉膛负压控制系统框图3.4控制系统总框图4 matlab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： 燃料流量至蒸汽压力关系为： 蒸汽压力至燃料流量关系为: 蒸汽压力至燃料流量关系为： 燃料流量检测变换系统数学模型为： 燃料流量与控制流量比值为： 空气流量被控对象为: (2) 炉膛负压控制引风量与负压关系： 送风量对负压的干扰为： 4.2 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：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： 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 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： 4.3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。4.6控制系统仿真图4.7蒸汽压力设定值波形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4.12蒸汽压力设定值波形4.13有扰动蒸汽压力实际波形4.14扰动波形4.15有扰动负压变化波形4.16负压设定波形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