工业锅炉智能PID控制与仿真.doc

摘 要 本文研究了工业锅炉燃烧的自动控制问题。以某型工业燃煤锅炉控制系统， 作为研究对象，主要对其燃烧过程进行了系统的分析，得到了相应的控制方案， 设计了一种模糊PID 复合控制器对主回路系统进行控制。 首先分析了工业燃煤锅炉的工艺流程和特点，简单介绍了工业燃煤锅炉系统 自动控制的主要任务，并介绍了目前对锅炉控制系统研究的一般控制规律以及模 糊控制系统的发展及其在控制工程中的应用。其次在对工业燃煤锅炉系统的工艺 流程和工作过程的分析基础上，针对锅炉这一复杂的控制系统中存在的问题如： 强耦合，大滞后，燃烧过程的效率低等问题展开研究与分析，并提出一定的解决 方案，然后设计工业燃煤锅炉燃烧系统的整体控制方案。接着对模糊控制系统的 基本理论基础和设计方法进行了介绍，给出了模糊控制器的基本设计步骤，最后 应用 MATLAB 编程语言，及 Simlink 与模糊控制箱对控制系统进行计算机仿真研 究，给出仿真曲线，通过比较分析得出结论。 仿真结果表明，对在工业锅炉中存在的非线性、时变性等特点，所设计的模 糊自整定 PID 控制策略具有较好的控制效果和品质，具有一定的自适应能力，能 够对外来的扰动做出及时调整，保证整个系统的平稳运行。 关键字：工业燃烧锅炉，模糊-PID，模糊控制，MATLAB，Simlink Industrial Boiler Intelligent PID Control And Simulation Author: Tutor: Abstract This thesis studies the automatic control of industrial combustion.We focus on the study by taking a certain type of industrial coal-fired boiler control system, and get a corresponding control-project through systematic analysis of the combustion process. Then we design a controller to control based on the project above composite Fuzzy-PID controller on the main circuit control system . First of all, we analysis the process and feathers of industrial coal-fired boiler ,introduce not only the main task of industrial coal-fired boiler automatic control system briefly but also the general discipline of this system, including the development and application of Fuzzy Control System based on the analysis above, we deliver solutions to problems existing in this system, such as large-delay, time-varying and inefficient combustion which will be studied, therefore, we come up with some relative resolve plans and design the whole-control plan of this system.Next comes to the introduction of the FCS systems basic theory and methodology used, and provide fundamental design procedures of a Fussy Controller.Finally by the application of MATLAB and programming languages and the computer emulation research of this system by Simlink and fussy control algorithm, we get the emulation curve. Based on comparative analysis, we will be able to provide the finial conclusions. Simulation results show that ,industrial boilers in the existing non-linear,time- varying characteristics,the fuzzy self-tuning PID control strategy has better control performance and quality,has a certain adaptability to external disturbances make timely adjustments,ensuring the smooth functioning of the whole system. Key Words：industrial combustion boiler, Fussy-PID, Fussy-Control, MATLAB，Simlink 目 录 目 录III 1 绪论.1 1.1 研究背景和研究意义1 1.2 国内外相关研究的历史及发展现状2 1.3 研究的主要内容3 1.4 设计的重点和难点5 2 工业锅炉燃烧系统自动控制方案.6 2.1 工业锅炉的构造及工作过程6 2.1.1 工业锅炉的构造6 2.1.2 工业锅炉的工作过程7 2.2 工业锅炉燃烧控制系统分析9 2.2.1 工业锅炉燃烧系统模型9 2.2.2 工业锅炉燃烧系统控制任务11 2.3 工业锅炉燃烧控制总体方案12 2.4 本章小结13 3 工业锅炉燃烧控制滞后与耦合问题.14 3.1 工业锅炉燃烧控制过程中滞后问题及解决方法14 3.1.1 Smith 预估控制算法14 3.1.2 Smith 算法在工业锅炉控制中的应用16 3.2 工业锅炉燃烧过程的解耦分析19 3.3 本章小结19 4 模糊 PID 控制的理论基础.20 4.1 模糊控制系统原理框图20 4.2 模糊控制器20 4.3 模糊PID 复合控制.22 4.3.1 PID 参数 Fuzzy 自整定控制原理.22 4.3.2 PID 参数 Fuzzy 整定模型.23 4.4 工业锅炉燃烧控制方案设计26 4.5 本章小结27 5 工业锅炉燃烧系统控制算法及仿真.28 5.1 锅炉燃烧系统的控制方法28 5.1.1 燃料控制系统的模糊控制方法29 5.1.2 送风控制系统的模糊自寻优控制方法30 5.1.3 引风控制系统的控制方法32 5.2 模糊控制器的设计准备工作32 5.3 主回路模糊自整定 PID 控制、仿真及结果分析36 5.3.1 主回路的模糊 PID 控制参数整定及工作流程36 5.3.2 主回路控制系统的模糊自整定 PID 仿真38 5.3.3 仿真结果的分析42 5.4 本章小结42 6 结论.43 6.1 本篇论文完成的主要工作43 6.2 需要进一步完善的工作43 致 谢.44 参考文献.45 附 录.47 附录 A47 附录 B 英文文献 .51 附录 C 中文译文 .58 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第45 页 1 绪论 1.1 研究背景和研究意义 我国现在用的锅炉大多为中小型锅炉，由于吨位小，控制设备简陋，燃用煤 种复杂，既无法实施昂贵的通用 DCS 控制系统，也无法进行定制性改造，只能 采用低水平继电器简单控制方我国现在用的锅炉大多为中小型锅炉，由于吨位小， 控制设备简陋，燃用煤种复杂，既无法实施昂贵的通用 DCS 控制系统，也无法 进行定制性改造，只能采用低水平继电器简单控制方式，造成了严重的能源浪费 和环保问题。由于锅炉内煤的燃烧是一个非常复杂的过程，锅炉运行过程是一个 复杂的非线性、时变、大滞后、强耦合系统，燃煤情况、设备状况、负荷状况都 在一直发生变化，目前国内外在中小型工业锅炉上所实施的系统都没有具备智能 自学习能力，因此给锅炉的稳定节能减排控制带来了极大的困难，这些产品表现 为在调试阶段仅仅能保持短时间的稳定调节，长期的自动投运很难实现，稳定节 能更是难上加难。因而采用传统的控制方法难以实施有效的控制，智能控制技术 是通过基于数学模型的控制技术结合基于经验知识的控制技术，以实现更高级的 控制，从而获得过去难以达到的控制效果。该智能控制技术综合了基于经验知识 的专家控制器技术和先进 PID 控制技术、热能工程学技术，将智能控制和常规控 制思想结合起来，实现有效控制。 因此本文采用模糊-PID 的控制策略，与传统 PID 控制方法相比,模糊控制有许 多优点,特别适合于那些难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程,然而 模糊控制并不能代替传统的 PID 控制。加热炉是一个参数非线性和时变的复杂系 统,采用单纯的 PID 控制,在炉况不稳定时,常出现温度波动,并易引起震荡。因而选 用模糊控制和 PID 控制相结合的方法,既可保持 PID 控制的静差小、稳定性好的 优点,又具有模糊控制参数自适应和调节速度快的特点。 目前，工业燃煤锅炉采用计算机控制是一项重要的节能措施。实践证明，燃 煤锅炉采用计算机控制可以节能 510%，还具有减少环境污染、提高产品质量、 提高自动化水平及改善劳动条件、提高安全性能等优点。因此，全面了解燃煤锅 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第46 页 炉生产的工艺流程，对锅炉设备作比较深入的分析，对炉膛负压、烟气成分、给 水流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测显示，然后找到切实可行 的燃煤锅炉自动控制方案，达到提高蒸汽品质和节能降耗的目的是工业燃煤锅炉 生产控制的必然发展方向。 1.2 国内外相关研究的历史及发展现状 燃煤锅炉的自动控制是自动控制理论的具体应用。 控制理论作为一门学科，其产生可以追溯到十八世纪中叶英国的第一次革 命。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段: 第一阶段:“古典控制理论”1时期(二十世纪 4060 年代)。主要采用传递函 数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法，解决单输入输出 SISO)问题。研 究系统多为线性定常系统。 第二阶段:“现代控制理论”时期(二十世纪 6070 年代)。 由于计算机技术的高速发展，给解古典控制理论中的高阶常微分方程提供了 新的途径-状态空间法2。这种方法可以解决多输入多输出(MIMO)问题。系统 从原来的线性定常系统拓宽为非线性时变系统。最优控制理论、自适应控制理论 得到了飞速的发展和广泛的应用。 第三阶段:“大系统理论”和“智能控制理论”时期(二十世纪 70 年代以来)。前者 是应用控制和信息的观点研究各种大系统的结构方案、总体设计的分解和协调等 问题的理论基础;而后者是研究模拟人类智能的工程控制与信息处理系统。这使控 制理论在宽度和深度上得以开阔和挖掘3。 控制理论的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动 化、信息化时代。 在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段，即手工控制阶段、专用仪表控制 阶段、电动单元组合控制阶段和计算机控制阶段4。 1972 年能源危机之前，对锅炉的运行控制大多是注重安全性和可靠性。在越 来越重视节约能源和环境保护的今天，人们则更注重于实现最佳燃烧控制，既把 燃烧过程的热损失控制在最小，使热效率最高，且对环境污染最小的所谓最佳燃 烧状态5。因此，国内外相继对燃煤锅炉实行自动控制。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第47 页 目前，国内外锅炉主要的自动控制系统有:汽包水位控制系统6、过热蒸汽温 度控制系统7、炉膛负压控制系统、经济燃烧控制系统8、空气预热温度控制系 统等。这些控制系统最先是由 DDZ-II 电动组合仪表4来承担的，并且取得了一 些经济效益。这些仪表组成的控制系统有一定的局限性，主要表现在： (l)难以实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制、模糊控制9； (2)控制参数一旦确定后就难以修改，要改变控制方案比较困难4； (3)一组仪表只能控制一条回路，难以实现集中的监视、管理和操作； (4)一次性投资较大，随着计算机价格的不断降低，性能价格比和可靠性的提高， 将计算机用于自动控制系统的时机已经成熟，各单位已陆续将计算机用于各种工 业生产的过程控制4。目前国内最新提出了多功能绿色环保锅炉，CFB 炉等具有 高性能的新产品。 而在国外 70 年代石油危机以来，能源研究的重点就转到节约能源和广泛利用 各种燃料方面。这一时期西方国家对环境治理提出了更高的强制的要求。而为解 决燃烧电厂脱硫建造的全脱硫装置有着与电厂本体相近的价格，在建种情形下， 各种流化床燃烧技术得以迅速发展。循环流化床锅炉具有适应多种燃料，低温燃 烧控制 NOx和燃烧加入石灰石脱硫等优点，这是传统煤粉炉和链条炉所达不到的。 目前世界上循环流化床锅炉有两种流派，第一种是在传统锅炉基础上发展， 代表厂家有 AHLSTOM 和 FW 等，另一种是将锅炉作为一种燃烧工况尽善尽美的 燃烧装置来设计，代表厂家有鲁奇（LURGI） ，美国拜特尔实验室等（日本三井 公司利用其专利生产的 MSFB 炉） ，后者的主要特点是设计有外部热交换器 （EHE） ，三井的 MSFB 炉 80多的蒸发量在 EHE 内完成。国内锅炉类似于第一 类。 综上所述，国外当前水平的循不流化床锅炉在技术上的一些特点是值得我们 参考的，要求锅炉稳定可靠地运行，就要保证锅炉整体设计的完善。我们应努力 改变目前国内 CFB 炉 在某些方面的不足，选择合适的破碎设备及流程，达到燃 煤粒度要求，应用防磨技术，保证锅炉连续可靠运行，尽快设计出先进的排渣设 备，便于灰渣的综合利用并 能提高锅炉的热效率，而完成上述工作必需的重要 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第48 页 的一环是；工厂设计与锅炉设计在某些方面应协调一致，保证锅炉系统的完整统 一，真正发挥出 CFB 锅炉的优越性。 1.3 研究的主要内容 工业锅炉按燃料种类，大致可分为燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。所有这 些锅炉，虽然燃料及燃料的供给方式不同，但它们的结构大同小异，蒸汽发生系 统和蒸汽处理系统是基本相同的。锅炉可分为蒸汽锅炉与热水锅炉两种，本课题 研究的是蒸汽锅炉。 蒸汽锅炉依其蒸发量的大小又分为三类:蒸发量在 10T/h 以下的锅炉称为小型 锅炉；蒸发量大于 10T/h、小于 75T/h 的锅炉属于中型锅炉；蒸发量大于 75T/h 的 锅炉属于大型锅炉。本文介绍的是以煤为燃料的，蒸汽量为 35T/h 的水管锅炉， 属中型锅炉4。 锅炉最基本的组成是汽锅和炉膛两大部分。燃料在炉膛里进行燃烧，将其化 学能转化为热能，高温的燃烧产物高温烟气，通过汽锅受热面将热量传递给汽 锅内温度较低的水，水被加热，进而沸腾汽化，生成蒸汽。所以锅炉的工作概括 起来应包括三个同时进行的过程:燃料的燃烧过程.、烟气向水的传热过程和水的 气化过程。 工业锅炉是一个典型的多输入，多输出，非线性，滞后大，存在强交叉耦合的 复杂被控对象10。对于锅炉燃烧过程，由于其时变性和不确定性，一般难以建立 既有足够精度又便于系统控制的数学模型。 针对以上情况，本文主要研究的方向为： 1对于工业锅炉的多输入，多输出系统且控制量之间存在强耦合11，本文将工 业锅炉系统看成是一个三输入三输出系统。因此控制级首先要实现解耦功能。 （1）本文决定采用静态解耦;采用静态解耦是出于以下考虑： 完全的动态解耦是以大幅度地频繁调整炉排转速及送风、引风量为代价的,但 从稳定燃烧角度来看,大幅度地频繁调整炉排转及送、引风量将导致燃烧恶化。因 而,在实际锅炉运行中也是不允许的； 锅炉燃烧系统是时变系统，其各种参数在不同的工况下会发生飘移,因而固定 的数学模型难以准确地反映系统特性，相应的解耦环节也就不可能真正做到完全 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第49 页 动态解耦； 工业锅炉中静态解耦也已基本上可以满足生产的需要。 （2）并对经过静态解耦的各单回路实施模糊控制。 2针对锅炉系统的大滞后，主要应用 Smith 预估控制。史密斯(Smith)预估控制 的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，再由预估器进行补偿的过程 控制技术。它的基本思想是按过程特性设计出一种模型加入到反馈控制系统中， 以补偿过程的动态特性,然后由预估器进行补偿，力图使滞后了 t 的被控量超前反 映到控制器,使控制器提前动作，从而明显地减少超调量,加速调节过程.特别是对 于那些被控对象具有不同程度的纯滞后，而被控对象又不能及时反映系统所承受 的扰动的控制系统，史密斯(Smith)预估控制12技术获得了广泛的运用。 3.鉴于锅炉燃烧过程的复杂性和控制难点，本文主要对提高锅炉的燃烧效率13 方面进行了分析和总结。 4由于工业锅炉是一个复杂的被控系统，所以应用传统的控制方法的行不通的， 本文针对此情况引入了模糊 PID 控制算法14，模糊控制与控制理论有机地结合起 来，可构造成 Fuzzy-PID 复合型控制系统，既具有模糊控制灵活而适应性强的优 点，又具有 PID 控制精度高的特点。因此模糊控制并不是代替，而只是拓展了传 统的控制。模糊自整定 PID 参数控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、 延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现 PID 参数 KP、KI和 KD的在线自整定，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性15较 强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更精确，对锅炉进行行之有 效的控制。 1.4 设计的重点和难点 1针对锅炉这一复杂的被控对象，各输入量之间存大强耦合,因此首先要实施解 耦功能，本文决定采用静态解耦16，并同时对经过静态解耦的名单回路实施模 糊控制。 2对于锅炉的滞后问题本文进行 SMITH 补偿法17。 3针对燃烧过程中的如何提高锅炉的效率问题本文需要对此进行深入的研究， 主要是对燃烧系统的控制算法进行的研究。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第50 页 基本思想:由于锅炉是一个存在大滞后，多扰动，无法建立精确数学模型的系统 因此主调节回路采用模糊自整定 PID 调节器18，调节蒸汽温度，利用其可以根据 不同工况要求自己整定 PID 参数的性质达到较好的控制效果。另一方面，为了维 持锅炉燃烧处于最佳状态，可以利用风/煤比与炉膛总辐射能间的峰值特性，用最 高炉膛辐射能量为指标，通过适当施加送风摄动信号，来搜索最佳风/煤比19。 4工业锅炉是一个多输入、多输出、多回路的严重非线性控制对象。若采用传 统的 PID 控制势必会给系统带来很大的超调，甚至会影响正常工作。而 Fuzzy(模 糊)控制器20有更快的响应和更小的超调，对过程参数的变化也不敏感，具有很 强的鲁棒性21，可以克服非线性因素的影响，但由于存储量的影响，在控制精度 方面，模糊控制没有 PID 控制理想。因此本文采用模糊控制与经典 PID 控制相结 合的控制策略，使系统既有 PID 控制的精度高特点，又有具有模糊控制的灵活、 适应性强的特点。 2 工业锅炉燃烧系统自动控制方案 2.1 工业锅炉的构造及工作过程 2.1.1 工业锅炉的构造 锅炉按燃料种类，大致可分为燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。所有这些锅 炉，虽然燃料及燃料的供给方式不同，但它们的结构大同小异，蒸汽发生系统和 蒸汽处理系统是基本相同的。本课题研究的是燃煤锅炉。 锅炉构造和工艺流程示意图13】如图 2.1 所示。它主要由以下几部分组成： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第51 页 图 2.1 燃烧锅炉结构和工艺流程示意图 (l)汽锅：由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管内发 生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里面。为了得到干 湿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 管使用，同时储存水和水垢。 (2)炉膛：是使燃料充分燃烧并释放出热能的设备。煤由煤斗落在转动的链条炉 蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉蓖下面的风箱送入，燃尽的残渣被 炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。经过加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热 量传递给蒸汽，使蒸汽变为过热蒸汽以后，经由烟囱排至大气。 (3)过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 (4)省煤器：利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度和提高锅炉给水 温度的换热器，省煤器由蛇形管组成。小型锅炉中常采用有肋片的铸铁管式省煤 器或不装省煤器。 (5)空气预热器：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。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉 热效率。通常，大、中型锅炉均设有空气预热器，小型锅炉一般不采用空气预热 器。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第52 页 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： (1)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和省煤器的流 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)燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需要 燃料的供应。 (6)除灰除尘设备：除灰设备是收集锅炉灰渣并运往存灰场地的设备，除尘设备 除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。 2.1.2 工业锅炉的工作过程 锅炉最基本的组成是汽锅和炉膛两大部分。燃料在炉膛里进行燃烧，将其化 学能转化为热能，高温的燃烧产物高温烟气，通过汽锅受热面将热量传递给汽 锅内温度较低的水，水被加热，进而沸腾汽化，生成蒸汽。所以锅炉的工作概括 起来应包括三个同时进行的过程:燃料的燃烧过程.、烟气向水的传热过程和水的 气化过程。现分别简要叙述如下4： (1)燃料的燃烧过程 燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上，炉排靠电动机通过变速齿 轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤代入炉内。新煤入炉，经预热阶段后开始着 火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃料在燃烧的同时，向后移动。燃烧需 要的空气是由送风机送入炉体内的风仓，向上通过炉排到达燃料层。风量和燃料 量要成比例，进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末段 翻过除渣板后排入灰斗。燃烧过程进行的完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。 要使燃料量、空气量、和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就要根据所需要的负 荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该过程 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第53 页 的特点是时间常数和滞后时间都比较大，而且随着煤质、煤种以及风量的改变， 这两个参数将有很大的变化。 (2)传热过程 燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛内四周墙 面上的水管进行强烈的辐射传热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和 烟囱的引力作用而向炉膛上方流动，经过蒸汽过热器，汽锅中产生的饱和蒸汽被 烟气加热而过热。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热 器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高， 所以在炉膛四周墙面上都布置一排水管，称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈 的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内工质，继而烟气受引风机、烟囱的引 力而向炉膛上方流动。烟气出烟窗(炉膛出口)并掠过防渣管后就冲刷蒸汽过热器 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胀接在上、下锅筒间的设置了折烟墙的对流管束， 使烟气呈“S”形曲折地横冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内 的工质。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工 质进行热交换后，以较低的烟温排出锅炉。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， 从而节省了燃料。 传热过程是一个十分复杂的过程，受到各种因素的影响，其中包括一些很难 确定的随机因素，如受热面的结焦、煤质变化、火焰中心的移动等。此外由于锅 炉受热面是按温度范围布置的，因此受热面是交叉的。在交换过程中，一个受热 面热交换情况的变化会影响到其它受热面的热交换。其次是介质的比热不是常值， 随着温度的升高，在不同的温度下，每升高 1所需的热量多少是不同的;同样每 降低 1释放出的热量也是不同的。再次就是有些参数是分布式的，有些参数是 非迭加性的多元函数，由此决定了锅炉设备是一个多输入、多输出，非线性、强 藕合的对象。 (3)气化过程 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第54 页 过处理的水由泵加压，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。它们位于烟气温度较低的对 流管束中，由于受热较弱，汽水工质的容重较大;而位于烟气高温区的水冷壁和 对流管束，因受热强烈，相应地工质的容重较小，因而容重大的工质往下流入下 锅简，而容重小的工质则向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。此外，为了组 织水循环和进行输导分配的需要，一般还设有置于炉墙外的不受热的下降管，借 以将工质引入水冷壁的下集箱，而通过上集箱上的汽水引出管将汽水混合物导入 上锅筒。蒸汽产生的过程是借助于上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本 身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后进 入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环也 保证了与高温烟气相接触的金属受热面得以冷却而不会烧坏，这是锅炉能够长期 安全可靠运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过 热器可靠工作的必要设备。 2.2 工业锅炉燃烧控制系统分析 2.2.1 工业锅炉燃烧系统模型 从控制的角度来看，锅炉是燃烧过程一个复杂的调节对象，有着许多个调节 参数被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图 2.2 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第55 页 燃烧量供水温度 炉膛负压 引风量 烟气含氧量 给水量 燃料品质 运行状态 补水量 送风量 图 2.2 工业锅炉燃烧系统输入输出关系图 1 同时应该考虑道，锅炉是燃烧一个多输入、多输出、多回路、非线性的相 互关联的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，如当锅炉负 荷变化时，所有的被调量都会发生变化。而且改变任一个调节量时，也会影响到 其它几个被调量。因此，理想的锅炉燃烧控制系统应该是多回路的控制系统，但 这种控制系统十分复杂，其数学模型多以经验性为主，是经过许多假设与简化推 导得出的，无法应用到实际的控制系统中。目前实际解决锅炉燃烧控制的方法是 将锅炉看作几个相对独立的调节对象，将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系统， 输入量为给煤量、送风量和引风量;输出量为供水温度、烟气氧含量和炉膛负压。 这些参数互相作用如图 2.3 所示。 燃烧量 送风量 供水温度 炉膛负压 引风量烟气含氧量 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第56 页 图 2.3 工业锅炉燃烧系统输入输出关系图 2 2.2.2 工业锅炉燃烧系统控制任务 供热锅炉燃烧供热过程的控制目标、被控制量和控制量如表 2.1 所示。 表表 2.12.1 锅炉控制明细锅炉控制明细 控 制 目 标被 控 制 量控 制 量 锅炉供水温度稳定供水温度给煤量 燃烧过程的经济运行氧含量值送风量 锅炉炉膛负压稳定炉膛负压引风量 由表 2.1，可将供热锅炉燃烧系统简化为三个独立的子系统:供水温度控制系 统、送风控制系统、引风控制系统。供热锅炉燃烧控制的基本任务，就是使燃料 燃烧所产生的热量，满足热网负荷的需求，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全 运行。具体控制目标可概括为三个方面： (l)保证供水温度适应热网负荷 这是燃烧过程自动控制的第一项任务。如果供水压力变了，就表明锅炉供水 量和回水量不相符合，必须相应地改变补水量，维持供水压力在安全运行范围内， 这项控制由补水控制来完成。供水温度的变化表明锅炉供热总量与热网负荷不适 应，必须改变给煤量，保证供水温度适应热网负荷，这可通过控制给煤量来实现。 (2)维持供热锅炉燃烧的最佳状态和经济性 当因热网负荷的需要或其它因素影响使得燃料量发生改变时，应当相应地调 节送风量，使它与给煤量变化相配合，以使锅炉的运行处于最佳燃烧状态，考虑 到燃烧的经济性，到目前为止不能直接测量，需要用间接的方法来判断燃烧的经 济性。通过测量烟气含氧量判断锅炉燃烧是否充分合理，维持烟气含氧量在一定 的范围内就可保证充分燃烧。 (3)保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。本系统锅炉正常燃烧 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第57 页 要求炉膛负压保持在-1300Pa 左右，正负偏差不能超过 100Pa。如果炉膛负压太小， 在煤粉炉点火爆燃的瞬间炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备 与操作人员的安全。负压大，炉膛漏风量增大，增加烟气带走的热量损失，过大 还会影响炉火的稳定燃烧。 这三项控制任务是相互关联的，它们可以通过控制给煤量、送风量和引风量 来完成。对于燃烧过程控制系统的要求是:在热网负荷稳定时，应使给煤量、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，这些内部扰动包括给 煤的质量变化，以及由于电气系统频率变化引起的给煤量、送风量和引风量的变 化等。在有热网负荷变化的外扰作用时，则应使给煤量、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:供水温度、炉膛负压和燃烧 经济性指标保持在允许范围内。 2.3 工业锅炉燃烧控制总体方案 至今为止，锅炉燃烧系统还没有一个定型的控制方案，各种方案各有利弊。 主要困难在于燃烧通道存在一定的滞后时间，给煤量的精确测量尚缺乏实用可靠 的方法，以及不同炉体的漏风状况各有差别。 锅炉是一个复杂的调节对象，没有精确的数学模型，并且具有许多调节参数， 它们之间又存在着错综复杂的扰动参数和交叉影响。因此将锅炉这样一个大系统 解耦成几个以主要参数为调节参数的相对独立的调节系统，不失为一个好办法， 然后再考虑其它主要的耦合作用，实现锅炉自动控制系统的最佳控制。 锅炉自动控制包括蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压三个量的控制。给煤量、 送风量和引风量均对被调节量(汽压、烟气含氧量、和炉膛负压)产生影响。根据 锅炉的生产过程可知，在设计控制系统时，这些影响不可忽视，须采取解耦措施。 实际上，三个调节量(给煤量、送风量和引风量)之间在着密切的联系，即在锅炉 运行时，它们之间应随时保持适当的比例关系。蒸汽压力是锅炉处理和供应热量 时平衡的指标，烟气含氧量是一个经济性指标，可用来衡量给煤量和送风量的配 比是否适当，炉膛负压是保证锅炉内燃安全性的指标，可用来衡量送风量和引风 量的配比是否适当。对整个锅炉控制系统的基本要求是:当由于负荷的改变引起 汽压的改变，应首先调节给煤量(于是以给煤量为调节量，蒸汽压力为被调节量 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第58 页 构成个控制系统)，同时按比例地协调地调节送风量和引风量。送风量是否适当 烟气含氧量来衡量(于是以送风量为调节量，以烟气含氧量为被调节量构成一个 控制系统)。引风量是否适当用炉膛负压来衡量(于是以引风量为调节量，以炉膛 负压为被调节量构成一个控制系统)。当锅炉的负荷不变时，给煤量、送风量和 引风量应各自保持不变，并迅速消除可能发生的自发扰动。由于各变量之间的严 重耦合，如果上述三个调节系统彼此不变，将难以达到对燃烧调节系统的要求。 一根据锅炉运行的实际情况可知:三个调节量的协调动作主要是锅炉负荷的变化。 另外，三个控制系统的设计已保证能迅速消除可能发生的自发扰动，所以在设计 以给煤量为调节量气压为被调节量的控制系统时，可以不考虑送风量和引风量对 蒸汽压力的影响。在设计以送风量为调节量烟气含氧量为被调节量的控制系统时， 可以不考虑引风量的影响，但必须考虑给煤量对烟气含氧量的影响。而在设计以 引风量为调节量炉膛负压为被调节量的控制系统时，可以不考虑燃料量的影响， 但必须考虑送风量对炉膛负压的影响。 在总体控制方案中，主要输入量为给煤量、送风量和引风量；主要输出量为 蒸汽压力、烟氧含量和炉膛负压。各主要控制回路之间的耦合关系如下：由蒸汽 压力变化导致给煤量变化后，使送风量发生变化，两者的变化导致烟气含氧量发 生变化；送风量发生变化后，要求引风量相应变化来维持负压。锅炉燃烧系统控 制方框图如图 2.5 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第59 页 蒸汽负荷G1(s) 燃料量 (s) 2 G G4(s) G6(s) 燃料扰动 G7 (s) 送风 (s) 3 G 烟气含氧量 蒸汽压力 炉膛负压 引风 G5(s) _ _ _ _ _ _ _ 图 2.5 燃烧系统控制方框图 2.4 本章小结 工业锅炉燃烧系统是一个非常复杂的多变量系统，是工程控制中的难点和 重点。对它的理论研究将非常有助于控制理论的发展和应用。本文分析了工业锅 炉燃烧系统的动态特性原理，确定了对于锅炉燃烧系统的理论控制总体方案。并 在下一章中对工业锅炉燃烧控制系统中存在的问题提出相应的解决方法。 3 工业锅炉燃烧控制滞后与耦合问题 3.1 工业锅炉燃烧控制过程中滞后问题及解决方法 工业生产中,广泛采用煤气作为燃料,同一煤气总管道给多台加热炉加热。当 某一台加热炉的供气阀门的开度位置发生变化时，煤气压力也相应地发生变化， 其他加热炉也要相应地调整其阀门的开度来保证煤气流量的恒定以保证炉温的恒 定。如果采用传统的 PID 单回路控制，煤气压力的变化导致流量的变化，流量的 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第60 页 变化随之引起炉温的变化，炉温变化以后才调节煤气阀门的开度改变煤气的供给 量，因此产生了过程上的时间滞后问题,使对象的等效纯滞后时间 t 很长，从而 达不到预期的控制效果。对于这类具有时变参数和非线性的大滞后、大惯性环节 的控制问题，国外比较流行的控制方法是 Dahlin 算法和 Smith 预估控制。史密 斯(Smith)预估控制的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，再由预 估器进行补偿的过程控制技术.它的基本思想是按过程特性设计出一种模型加入 到反馈控制系统中,以补偿过程的动态特性,然后由预估器进行补偿,力图使滞后 了 t 的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作,从而明显地减少超调量，加 速调节过程。特别是对于那些被控对象具有不同程度的纯滞后，而被控对象又不 能及时反映系统所承受的扰动的控制系统，史密斯(Smith)预估控制技术获得了 广泛的运用。 煤气流量的控制过程内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢,参数间关联密切。 本文针对这类工业加热炉温度控制系统的设计和技术改造的现状，提出采用主控 回路和副控回路相配合、二次扰动(主要扰动)设计在副控回路、一次扰动(次要 扰动)设计在主控回路的史密斯预估串级控制，可以获得较好的控制效果。 3.1.1 Smith 预估控制算法 图 3.1 为具有纯滞后的对象进行传统 PID 调节的反馈控制系统,设对象的特性为 ( )( ) ts pcp GsGs e （3.1） 其中，Gp(s)为对象传递函数中不含纯滞后的部分，调节器的传递函数为 Gc(s)， Gc(s)为 PID 控制规律，干扰通道的传递函数为 。)(sGD 系统给定作用下的闭环传递函数为 ts pc pc esGsG sGsG sR sY )()(1 )()( )( )( （3.2） 系统对干扰的传递函数为 ts Pc D esGsG sG sD sY )()(1 )( )( )( （3.3） 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第61 页 (3.3)式的特征方程为 0)()(1 ts esGsG （3.4） 在反馈回路中设计一个补偿通路,其传递函数为 GL(s),如图 3.2 所示. R + + )(sGD ts P esG )()(sGC y _ _ + + D 图 3.1 具有纯滞后的常规 PID 调节的反馈控制系统 R + + )(sGD ts P esG )()(sGC y _ _ + + + D + )(sGL YS+ 1 Y 图 3.2 具有时间补偿的反馈控制系统 为了补偿纯滞后，要求 )()()( )( )( 1 sGsGesG sU sY PL ts P （3.5） 得史密斯（Smith）补偿函数为 )1)()( ts PL esGsG 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第62 页 (3.6) 于是，史密斯（Smith）预估控制结构图如图 3.3 所示。经史密斯补偿后，纯滞后 的影响已被消除，从而使系统可以使用较大的调节增益来改变调节品质。 R + + )(sGD ts P esG )()(sGC y _ _ + + D + )(sGL YS+ 1 Y ts E 图 3.3 Smith 预估控制结构图 设 由（3.6）式得 1 )( sT k sG P p P 1 )1 ( )1)()( sT eK esGsG p ts Pts pL （3.7） （3.7）式相应的微分方程为 )()()( )( 1 ttutuKty dt tdy T p s p （3.8） （3.8）式相应的差分方程为 ) 1() 1() 1()(tTkuTkubTkaykTy ss （3.9） 式中， （3.9）式为史密斯（Smith）预估控制算)exp(1 ),exp( P p P T T Kb T T a 式。 由上分析，史密斯（Smith）预估控制克服了传统 PID 控制在处理过程上具有 时滞、非最小相位或非常规的动态特性时在性能上会受到的限制，对于一些较为 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第63 页 复杂的系统，可采用史密斯(Smith)预估控制策略22。 3.1.2 Smith 算法在工业锅炉控制中的应用 试验和经验表明，炉温控制对象可近似为一个纯滞后环节和一个一阶积分环 节组成。用出料温度 y 与煤气流量 Q 来构成计算机串级随动控制，辅以史密斯 (Smith)预估控制技术设计该系统。图 3.4 所示 温度设定 FC TC SC 流量设定 计算机 燃料 流量变送器 加热炉 空气 进料 出 料 y 流量变送器 图 3.4 Smith 预估串级炉温控制系统 图中 TC 表示温度调节器，FC 表示煤气量调节器。温度调节器 TC 通常按 PID 调节规律，气流量调节器 FC 按 PI 调节规律，SC 是史密斯预估器。史密斯 (Smith)预估控制器作为一种模型加入到反馈控制回路中，以补偿过程的动态特性， 使被炉温对象的纯滞后时间 t 前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间 滞后问题，起到了减少系统的超调量、加速系统的调节过程的作用。当温度发生 变化时，由主调节器(温度调节器 TC)进行控制，其输出作为副调节器(煤气流量 调节器 FC)的给定值,最终控制煤气阀门的开度。主控回路的输出作为副控回路设 定值修正的依据,副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象。煤气流量一 旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了煤气流量的变 化对出料温度的影响。 在这个史密斯(Smith)预估串级控制系统中，阀位与煤气流量得到了及时的调 节，并且具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间 t 很长的 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第64 页 问题。二次干扰为系统的主要扰动，该系统把主要扰动包含在副控回路中，通过 副控回路的调节作用，在扰动影响到主控回路被调参数之前，大大地削弱了扰动 作用的影响。副控回路中包含积分环节，减少了相角滞后，从而改善了系统的动 态品质。当扰动发生在副回路内，例如煤气流量发生波动引起炉温变化时，由于 有副控回路的存在，煤气流量调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当 扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起温度变化，由史密斯 (Smith)预估控制器推算出其测量值发生的变化，通过温度调节器改变其输出信号， 由副控回路改变煤气流量，克服了扰动影响.该系统有效地解决了对象等效纯滞后 时间 t 很长的问题。串级控制技术和史密斯(Smith)预估控制技术的引入改善了控 制系统的调节品质，增强了系统的抗干扰能力，克服了因副对象惯性大、滞后大 而引起的调节品质差的问题。另外，通过增大煤气流量调节器 FC 的比例增益 KP，系统的等效时间常数 t 可以获得较小的数值,从而增加了副控回路的响应速度,提 高了系统的工作频率。 该系统的串级控制结构图如图 3.5，Qr(k)为煤气流量的给定值，D1(z)、D2(z) 是由计算机实的温度数字控制器和流量数字控制器，一般采用主控回路的采样周 期 T 主与副控回路的采样周期 T 副相的办法进行控制。如果采用主控回路的采样 周期 T 主与副控回路的采样周期 T 副不等进行控制时，为了免主控回路和副控回 路之间发生相互干扰和共振，应使 T 主与 T 副之间相差 3 倍以上。 u(k) + D2(z) Smith 预估器 副 对 象 D/A 调 节 阀 A/D 主 对 象 D1(z) (k) + e(k) + e(k) + u(k) + A/D 一次干扰二次干扰 y(k) + + + + 计算机 图 3.5 Smith 预估炉温串级控制系统结构图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第65 页 加热炉的炉温控制问题是一个典型的时