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基于l a b v le w 的锅炉燃烧监控关键技术研究 摘要 随着计算机技术的发展，特别是面向对象编程技术的发展，越束越多的硬件 功能可以通过软件来实现。计算机技术与测量技术的紧密结合就产生了新的仪器 种类虚拟仪器。 本文以某热源厂热水锅炉系统为研究对象，结合锅炉实际运行状况，依靠实 验监测数据和专家经验数据，对供热站提出了f u z z y p i d 复合控制的方法，把模 糊控制理论与技术应用在监控中，能够模拟专家知识满足对供热环境变化的要 求。采用双输入一单输出结构的模糊控制器，系统可根据其任意的控制规则、等 级数、隶属度值得出模糊控制总表，实现自动实时控制。并利用m a t l a b 仿真 工具对模糊自整定p i d 控制器的性能作了初步研究。仿真结果表明，明显优于传 统p i d 控制，具有超调量小、过渡时间短、稳定性好、适应性强等特点，能够达 到预期的控制效果。 采用虚拟仪器的i 0 接口d a q 接口形式和p c i 总线的数据传输方式，将高 性能的嵌入式数据采集乍p c i 一6 0 7 1 e 与传感元件、检测电路、调理电路集于体， 构建了锅炉燃烧自动监控系统。应用晟新的计算机软件编程技术l a b v i e w 虚拟 仪器开发平台，开发了锅炉燃烧计算机管理与控制软件，使程序简单、清晰、操 作界面友好；采用模块化的结构设计，提高了可靠性和可扩展性。 同时，在c l i e u v s e v e r 结构模式上，采用模块化结构和d a t a s o c k e t 技术实现 了远程数据的传输，d a t a s o c k e t 技术可以通过各种协议实时传送数据，因此数据 的网络共享变得非常简单。 关键词：锅炉燃烧系统；监测与控制；虚拟仪器：模糊白整定控制器 s t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o e yo fl a b v i e wi nb o ii e r c o m b u s t io nm o nit o r & c o n t r o i s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，e s p e c i a l l yt h eo b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r em e a s u r ef u n c t i o n sa c q u i r e db yh a r d w a r ec a nb er e a l i z e d t h r o u g hs o f t w a r e s oan e wk i n do fv i r t u a li n s t r u m e n tc o m e sf o r t hb a s e do nt h e i n t i m a t ec o m b i n a t i o nb e t w e e nc o m p u t e rs c i e n c ea n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y f a c i n go nc h a i nb o i l e rs y s t e m so fs o m eh e a t s u p p l yc o m p a n y , t h i sr e s e a r c hi s p r e s e n t e d f u z z y - p i dc o m p o s i t ec o n t r o lm e t h o di sa d o p t e di nt h i sp a p e ra i m e da tt h e p r a c t i c a lr u n n i n gc o n d i t i o n so fb o i l e r s ，w h i c hd e p e n d so ne x p e r i m e n tm o n i t o r i n gd a t a a n de x p e r tk n o w l e d g e f u z z yc o n t r o l l i n gt o t a lt a b l ec a nb ee d u c e df r o maf u z z y c o n t r o l l e rw i t hd o u b l ei n p u t sa n ds i n g l eo u t p u ta c c o r d i n gt or a n d o mc o n t r o l l i n gr u l e s ， g r a d e s ，m e m b e r s h i p a n dt h es i m u l a t i o no ft h ec a p a b i l i t yo ft h es e l f - a d a p t i v ef u z z y c o n t r o l l e ri ss t u d i e dw i t hm a t l a b t h er e s u l ts h o w st h a tf u z z y p i di sb e t t e rt h a n p i d f u z z y p i dh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss m a l le x c e e d e dv a l u e ，s h o r t t r a n s i t i o nt i m e ，a n ds t r o n g e rr o b u s te t c ，a n dc a nr e a c ha n t i c i p a t i v ec o n t r o le f f e c t d a q b o a r do fn a t i o n a li n s t r u m e n ta si n t e r f a c ea n dp c ib u sa sd a t at r a n s m i s s i o n m o d e ，e f f i c i e n te m b e d d e dd a qb o a r d p c i 一6 0 7 1 ei sc o n n e c t e dw i t hs e n s o r c o m p o n e n t ，m e a s u r ec i r c u i ta n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，w h i c hc o n s t r u c tab o i l e r a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t c m i nt h i s r e s e a r c h ，u p d a t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y l a b v i e wi sd e v e l o p e da ss o f t w a r ep l a t f o r m i ta l s oh a saf r i e n d l yi n t e r f a c et h a ti s c o n v e n i e n tt o o p e r a t ea n dw i d ep r o s p e r i t yi nt h ec h a i n b o i l e rf i e l dw i t ha l lt h e s e a d v a n t a g e s o nc l i e n t s e v e rm o d e ，m o d u l i z a t i o ns t r u c t u r ea n dd a t a s o c k e tt e c h n o l o g ya r e u s e dt or e a l i z er e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n d a t a s o c k e tc a nt r a n s m i td a t aw i t hm o s t p r o t o c o l s ，s oi ti sc o n v e n i e n tt os h a r et h ed a t ao nt h ei n t e m e t k e yw o r d s ：b o il e ro o m b u s t i o ns y s t e m ；m o r t i t o r i n ga n dc o n t r o iii n g ；v ir t u a i in s t r u m e n t ：s eif - a d a p tiv ef u z z yc o n t r oiie r l i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 。 i 连! 翅退直墓丝盂星挂里崆盟 鲍! 查拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 兰兰兰三竺兰兰丑参移 签字日期：d g 年6 月乡日 签字日期：d 6 年6 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的上见定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： i 一1 碲争 导师签字 签字日期：d 6 年6 月弓日 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 日 皋十l a b v i e w 的锅炉燃烧精拧关键技术研究 1 绪论 1 1 选题背景及研究的目的和意义 1 1 1 供热现状及发展趋势 目前国内外采取的供热形式有热电联产集中供热、区域锅炉房集中供热( 含 燃煤、燃油、燃气等) 、地热余热、电锅炉、电热膜供热等。但从我国能源消费 结构来看，较为经济合理的是以燃煤为主的热电联产和区域锅炉房供热。也就是 说：在未来的几十年内，热电联产和区域锅炉房供热仍是供热的主要途径。因此， 对这两方面相关问题的研究具有很强的指导意义和实用价值。 煤石油 天然气水电核电 1 9 9 5 年7 5 0 1 7 3 1 8 5 9 2 0 0 0 年7 1 o 2 4 o 2 7 2 3 2 0 2 5 定6 2 o 2 9 o 6 2 2 o o 8 表1 1 我国能源消费结构统计表 根据我国能源消费结构统计资料介绍可见，本世纪初我国能源消费结构仍以 煤炭为主，城市供热消费的能源也应以煤为主。热电联产集中供热不仅能为城市 提供稳定、可靠的热源，而且与传统的分散供热相比，具有节约能源、改善环境、 提高供热质量和增加电力供应等综合效益。 近年来，我国热电联产集中供热事业发展速度快、数量多，因此在设计、施 工、运行管理等方面积累了丰富经验，同时在自动控制方面也有了较大的进步。 1 1 2 论文选题背景 本课题来源于某热源厂锅炉改造系统。该厂的供热运行方式为：在冬运的始 末期运行两台炉或者一台炉加汽水换热站，冬运中期( 深寒期) 两台炉加汽水换 热站全部满负荷运行。运行调整方式为分阶段的量调加分阶段的质调。一天之内 没有随室外温度变化的调节功能，几天( 般为十天) 改变一次供水参数，随着 皋十l a b v i f w 的锅炉燃烧监拧关键技术研究 严寒加剧，温度、流量逐步提高。用丌启循环泵的台数控制管网流量，用阀门来 限制、分配给热水炉和汽水换热站的流量。冬运始未期一般是一大泵- 4 , 泵运行， 满足不了外网负荷时改启两台大泵一台小泵运行。随着室外气温的升高，逐渐减 少泵的运行台数。 供热厂换热站的运行方式：采用无人值守自控运行方式，随室外温度的变化， 自动调节一次供水进换热站流量，保证二次网供热量( 或供水温度) 。 1 1 3 本文研究的目的及意义 当外网流量和压力变化时，该厂的流量和压力必须同步调整，以满足锅炉的 安全稳定运行。但目前的手段存在着压力、流量和热量的调整严重滞后，很难保 证锅炉的安全运行，也无法及时提供热网所需的热量。其次，还要考虑在热网流 量变化的情况下，热水炉的燃烧如何适应这一变化，达到自动调整锅炉燃烧工况， 保证跟上负荷的变化，否则自控站的投入将严重影响热水炉的运行，同时还会使 管网的调节部分或全部失衡，使供热质量下降，投诉率上升。 由此可见，实现热水锅炉的微机自控调节系统，使热网换热站的流量、热量 变化与锅炉的流量、供热量的变化同步进行，既保证了锅炉的安全运行，又满足 了换热站的用热需求。 1 2 锅炉系统监控方法研究现状 1 2 1 国外发展及应用现状 锅炉的自动化控制经历了三、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这几个阶段。 尤其是近二、三十年来，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l l ，2 3 ”。 现阶段的锅炉监控系统采用了大量的先进技术，利用软件来完成复杂的计算 工作，系统的集成度和综合精度都得到了很大提高，而且通用性好，对于不同型 2 苹十l a b v i e w 的锅炉燃烧脏拧父键技术研究 号的同系列锅炉，只需更改相应的软件参数和传感器量程。具有系统自检功能， 当系统硬件或工况设定出现问题时，能及时报警及显示故障代码。系统多采用工 业p c 机及d c s ( 集散控制系统) 系统，减少了硬件的维护量，大大提高了锅炉 运行的安全可靠性和锅炉的热效率，初步实现了锅炉运行系统的自动控制。 在国外，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慨 1 。在英国，一般1 0 0 负荷 时最佳过量空气系数盯= 1 3 ，5 0 负荷时增为口= 1 6 ，2 5 负荷时可到口= 2 。 丹麦a n s a l d ov o l u n da s 公司生产的锅炉控制系统采用了s i e m e n s 的s 7p l c 作为控制系统，由i g s s 3 2 分散控制系统配备数个p c 操作站组成，具 有远程监控功能，系统从燃料的预处理开始控制锅炉运行的全过程，可以实现星 期日无人值守。 1 2 2 国内发展及应用现状 据资料显示，在同样条件下，我国单位面积采暖能耗量是发达国家的3 4 倍；1 吨蒸汽一般只能供4 0 0 0 6 0 0 0 m 2 的采暖面积，仅相当于北欧国家不到一 半的采暖面积。由于经济技术条件的限制，我国中小企业锅炉设备水平一直比较 落后，大多数中小型锅炉水平基本停留在手工和简单仪表操作的水平。8 0 年代 中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很 大的发展。至9 0 年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域。 目前，在国内，人们采用大量的方法和手段力图实现锅炉的燃烧系统的最优 控制。主要采用的控制方法有：自适应控制、自寻优控制、模糊控制等。 国内在锅炉的远程监控方面，上海耀明仪表控制有限公司生产的锅炉监控系 统具有联网功能，并采用了双网冗余的技术，配备了主从两个r s 4 2 2 通讯网， 当主通讯网出错时，系统自动启动从通讯网传输数据，保证数据不丢失。 1 2 3 目前存在的主要问题 由于控制技术单一，或控制方法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况， 皋干l a b v i e w 的锅炉燃烧崎柠关键技术研究 导致在工程实践中并不怎么成功，不能产q 三很好的经济效益，挫伤了用户在工业 锅炉上用计算机进行控制的积极性。另一方面，在热能工程学方面，现在采用先 进的计算机软件进行热工综合测试，由此可以对锅炉的运行状况进行分析和诊 断。但是，这一结果却很少被自动控制技术加以利用。虽然，国内许多专家和工 作者研究、发表了许多关于锅炉控制的先进方法( 大多都引入了模糊控制技术) ， 但在实际应用中模糊控制技术并没有得到推广，大多数锅炉仍1 日沿用传统的p i d 控制方法。 随着国民经济和科学技术的发展以及人民生活水平的提高，人们对日常工 作的条件和环境的要求也在不断提高。在这种情况下，对于以往一些工作环境恶 劣，地理位置较远或者有可能危及人身健康甚至生命的场合，采用无人职守作业 的需求就日益突出了。 无人职守作业已成为现今社会的一个迫切要求，特别是对于现场操作有一定 危险的换热器系统更是如此。对于远距离无人职守的换热器，为了及时了解现场 的工作情况，就需要一套远程监控系统，使之能将现场设备的工作情况及时的反 应给客户端，并由客户端发出控制命令，达到实时控制现场的目的。开发这种通 过公用或者专用网络，将远程现场展现在远端控制中心值班人员面前的系统既可 以避免工作的危险性，又大大地提高工作效率，更重要的是，它提高了控制的准 确性和实时性，因而提高了供热系统的自动化控制水平和供热行业的管理水平。 1 3 本文的主要研究内容及工作任务 本文首先分析了链条锅炉的结构与运行特点，着重对锅炉燃烧控制系统进行 研究。改变传统p i d 控制方法，采用p i d 控制器与模糊控制相结合的控制手段 对锅炉燃烧进行控制。 在锅炉燃烧系统中，给煤系统、送风系统、引风系统是燃烧控制系统的重要 环节，以便携式计算机作为主控设备，通过传感器采集炉膛温度、压力和含氧量 来调节锅炉的给煤量、送风量和引风量，从而达到最佳热效率。同时采用计算机 控制变频器交流调速来控制炉排电动机、鼓风机和引风机的转速，使它们协调运 作，达到准确调节、快速反应的控制效果。 在国内的锅炉控制系统中，虽然已经基本上脱离了原始的手工操作的状态， 堆十l a b v i e w 的锅炉燃烧靛拧关键技术拼f 究 而采用了控制现场无人值班的工作状态。但是，还局限于在局域网内对现场设备 进行控制。这种基于局域网的锅炉控制系统虽然已经大大提高了工作效率，减少 了危险的几率，但是，对于锅炉的控制专家并不一定只局限在工厂的内部，也可 能在生产过程中遇到的一些特殊情况需要研究所的、其他城市的甚至是外国的专 家来帮助解决，这就需要设计一个完善的远程监控的系统，使得i n t e r n e t 上的某 地址的用户能够实时的监控着现场的设备端。一旦有了这样的系统，对于那些对 城市的市区污染严重的工业来说，就可以将控制的工作站建立在市区，而将工厂 建立在远离市区的无人的地方，满足了保护城市环境的要求。因此，本文提出了 对锅炉系统实行远程监控 锅炉控制中的监控系统应具有较高的信息采集和数据处理能力，从而大大降 低作业者的劳动强度，保障人身、设备安全，提高热效率。具备网络管理功能， 即几台锅炉联合工作，把生产的蒸汽都输送到蒸汽母管，再分配到热力站( 用户) 。 为此各台锅炉有负荷分配问题。 利用丌放式图形化设计语言l a b v i e w 开发平台，构建宜人化虚拟控制和故 障诊断中心。优良的人机交互环境通过简单的操作，实现大信息量的显示，并将 锅炉工作过程动态显示在操作界面上。系统具有一定的自诊断能力，能够诊断其 自身的一些故障( 如d a q 卡、传感器、电源) ，并提供处理方案；具有记录功 能：定时记录锅炉的工作状况和报警情况，可以随时进行数据分析，方便于在发 生事故后查找事故原因。 本研究课题主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 引入模糊控制系统。将模糊控制和p 1 d 控制两者结合起来，扬长避短， 既具有模糊控制的灵活性、适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。 ( 2 ) 基于虚拟仪器技术，进行信息采集与监控系统的主控程序设计。完成锅 炉状态监控，数据通讯，信息显示，图形模拟锅炉工作过程等功能，具有优良的 人机界面，另外还具有历史状态信息记录和系统安全块和系统管理模块。 ( 3 ) 通信程序开发。控制中心和现场节点需要相互通信，需要开发通信程序 完成数据的传输。 雉十l a b v i e w 的锅炉燃烧蛉拧关键技术研究 2 锅炉燃烧系统现场控制方法与仿真 2 1 链条锅炉燃烧系统简介 2 1 1 锅炉的工作过程 锅炉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循环过程。 燃煤经煤闸板散落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料 带入炉膛中燃烧，燃烧所需的空气由送风机送入炉排中间的风箱中，向上到达炉 排的燃烧层，引风量和给煤量要成一定的风煤比，以便充分燃烧，形成高温烟气， 燃煤剩下的炉渣，在炉排的末端翻过除渣板后排入灰斗，这一过程称为燃料的燃 烧过程。 燃煤的燃烧在炉膛形成很高的热量，高温烟气通过与周围的水冷壁进行强烈 的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的冷水，继而烟气受引风机和烟囱的 引力向炉膛上方流动，先后经过过热器、省煤器及空气预热器交换热量后，以较 低的烟温排出锅炉，完成了传热过程。 经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入水冷壁进行加 热，由于受热不均而形成了不同容重的水，经自身重力作用及借助辅助设备，形 成了水的循环过程。 2 1 2 燃煤链条锅炉各部分的结构 燃煤链条锅炉的结构原理图如图2 1 所示。 其中可以调节的量为：炉排转速( 调节进煤量) 、鼓风风门开度( 调节进风 量) 、引风风门开度( 调节引风量) 。 锅炉结构主要由以下几部分组成： 1 、汽锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受外烟气加热，因而管 簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里面。下 锅筒起着连接沸水管的作用，同时存储水和水垢。 6 堆十l a b v i e w 的锅炉燃烧临拧关键技术研究 图2 1 燃煤链条锅炉结构简图 2 、炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料( 煤) 由煤斗落在转 动的链条炉炉篦上，进入炉内燃烧。所需的空气由炉篦下面的风箱送入，燃尽的 灰渣被炉篦带到除灰口。落入灰斗中，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过热蒸汽的换热器。 4 、省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 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。 2 1 3 锅炉燃烧系统自动控制的任务 锅炉供暖系统包括两个主要控制任务：一是燃烧系统控制，二是给水系统控 制。其中燃烧系统控制是主要的。 一、燃烧控制的基本任务既要保证供热量适应负荷的需要，还要保证燃烧的 经济性和锅炉运行的安全性。多台锅炉并列运行的母管制方式，还要实现按预定 比例向各台锅炉分配负荷，使各台锅炉负荷均衡，共同维持供热母管的正常运行。 l 、在负荷变化或存在不确定扰动时，及时调节供热量，维护蒸汽压力恒定； 基于l a b v i e w 的锅炉燃烧髓拧关键技术研究 2 、实现经济燃烧，使煤在炉膛中充分燃烧，尽可能提高锅炉的热效率，既 节省能源又减少环境污染。一般以烟道中氧含量来间接反映锅炉燃烧效率，因此 必须将烟气中的氧气含量控制在某个最优值( 一般来说，烟气含氧量应控制在7 8 左右) ： 3 、炉膛负压维持在一定的范围。以免负压太小，甚至为正，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，会使大量冷空气漏 进炉内，从而使热量损失增加。 二、给水控制的任务主要是控制供水流量和回水流量，从而间接地影响供水 温度和回水温度，从一定程度上解决一直困扰供水系统的竖向失调问题。从供热 的角度考虑，应以在节省能源的前提下使室温适中为目标。为此，可以通过控制 锅炉出口的一次高温水的流量和温度，使一次高温水和热交换站交换后的二次低 温水的温度随室外温度变化而变化。 2 1 4 燃烧系统的动态特性 通过对燃料煤的输送过程、燃料煤的燃烧过程和蒸汽形成过程进行分析，可 以得到锅炉燃烧系统的方框图，如图2 2 所示。 图2 2 锅炉燃烧系统方框图 本文主要研究的是燃烧系统控制对象的特性。燃烧系统是多变量耦合系统， 对于这个多变量控制系统，通常把它简化成相互联系、密切配合、但又相互独立 的三个系统来实现。即以燃料量维持母管蒸汽压力恒定的热负荷控制系统，以送 风量维持经济燃烧的送风控制系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压控制 系统。又因为炉膛温度是燃烧控制对象的主要被调量，是燃烧过程自动控制的第 一项任务。因此本文重点讨论炉膛温度的特性。 2 1 4 1 燃烧过程 1 燃烧理论燃烧是燃料在一定温度下与空气中的氧气发生氧化反应，释 放热量的过程，以碳的燃烧为例，其反应过程如下8 l ： 8 基于l a b v i e w 的锅打、燃烧监拧关键技术研究 c + a = c d + 9 7 6 5 千卡摩尔 ( 2 - 1 ) 从上式可以看出，为保证燃料完全燃烧，燃料量和空气量必须保持一定的配 比，这样在排出的烟气中没有剩余的氧，燃料所具有的能量全部转换成热量。 2 实际燃烧在实际燃烧过程中，燃料燃烧时所需要的空气量并非与理论 空气量完全一致，因为燃料量不可能与空气中的氧均匀地混合和充分地接触而完 全燃烧，因此，在实际燃烧时为了使燃料能够完全燃烧，就必须使实际空气量略 大于理论空气量，造成一个适当的低过剩空气条件。 3 过剩空气系数口实际供给空气量的大小，通常以过剩空气系数表示： 故口 l ( 2 2 ) 不同燃料和不同的燃烧方式，都有相应的最佳过剩空气系数o l o p 。低于n 伽， 为空气量不足，将导致下列反应f 8 l ： 2 c + 0 2 = 2 c 0 + 2 9 4 3 千卡摩尔( 2 3 ) 从而引起燃烧不完全，使得等量的碳所产生的热量仅为正常燃烧时的1 3 。 这不但造成燃烧效率下降，而且产生黑烟和c o 污染环境。反之若超过c o o p ，则 为空气过剩，烟气带走热量增加，排烟损失的加大，同样将造成燃烧效率下降。 2 1 4 2 燃烧过程的动态特性 燃料燃烧过程的输入参数是给煤量，输出参数是燃料燃烧所产生的热量， 可以用一阶滞后环节来近似描述其动态特性： g ：熹( 2 - 4 ) 乃+ 1 其中：k 燃烧过程的放大系数； t - 一燃烧过程的时间常数。 9 燕 一 一97一一一扒 量一量 气一气 空一空际一论实一理 = 口 皋千i , a b v i e w 的锅炉燃烧雌拧关键技术研究 2 2 供暖链条燃煤锅炉的控制设计 2 2 1 现场控制系统总体结构 工业燃煤锅炉的运行主要通过链式炉排不断向炉膛中添加燃料煤，并且鼓入 足够量的空气以充分燃烧，从而在炉膛出口得到符合要求的出水的过程。其中可 以调节的量为炉排转速( 调节进煤量) 、鼓风风门开度( 调节迸风量) 、引风风门 开度( 调节引风量) 。 | 璺| 2 3 燃烧控制结构不恿图 锅炉是一个典型的多输入、多输出、多变量互相耦合的复杂非线性被控对象。 燃烧控制结构如图2 3 所示。对于锅炉燃烧过程，通常由于其时变性和不确定性， 很难建立既有足够精度又便于系统控制的数学模型。鉴于锅炉燃烧过程的复杂性 和控制难点，要实现既提高锅炉的热效率，又满足用户负荷要求，并保证运行安 全，其控制算法与决策的参考因素必须是多元的，控制算法应根据多个工艺参量 的现行值和历史数据，进行综合分析、推理和计算。这是传统控制理论不易实现 的，常规的p i d 控制器，很难整定p i d 参数，因此比较难达到预期效果。总结 分析发现，在复杂控制系统中，采用f u z z y - - p i d 复合控制器，可以达到理想的 控制效果，它对各种控制对象，不同的控制指标均能实现较好的效果。 2 2 2 模糊控制算法介绍 2 2 2 1 模糊控制器的基本结构和组成 模糊( f u z z y ) 控制是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言形式的知识表示 和模糊逻辑的规则推理为理论基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈 l o 革于l a b v i e w 的锅炉燃烧临拧关键技术研究 通道的闭环结构的数字控制系统。其概念是由美国加利福尼亚大学著名教授( l a z a d e h ) 于1 9 6 5 年创立的，经过4 0 多年的发展，在模糊控制理论和应用研究 方面均取得重大成功。其组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是它与般 的p i d 在原理和方法上完全不同之处。 模糊逻辑控制器( f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ) 简称为模糊控制器( f u z z y c o n t r o l l e r ) ，因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规 则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。 模糊控制器的基本结构如图2 4 所示。它包括有：模糊化、知识库、模糊推 理和解模糊四个主要部分。 图2 4 模糊控制器的结构图 模糊控制的核心是要设计一个好的模糊控制器，它应该具有以下三项重要功 能： 1 把系统的偏差，从数字量转化为模拟量( 模糊化、数据库实现) ； 2 对模糊量按给定的规则进行模糊推理( 规则库、模糊推理实现) ； 3 把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟 量( 解模糊实现) 。 一模糊化 作用是将输入的精确量转化成模糊量。其中输入量包括外界的参考输入、系 统的输出或状态等。过程如下： 1 对这些输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量； 2 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，再使其变换到各自的论域范 围： 3 对已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变 基于i , a b v i e w 的锅炉燃烧臆拧关键技术研究 成模糊量，并用相应的模糊集合束表示。 二、知识库 包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，通常由数据库和模糊控制 规则库两部分组成。 1 数据库包括各种语言变量的隶属度函数 尺度变换因子以及模糊空间的 分级数等。 2 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制 专家的经验和知识。 三、模糊推理 是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过 程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 四、解模糊 是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换成实际用于控制的清晰量。它包 含以下两部分内容： 1 将模糊的控制量经解模糊变成表示在论域范围的清晰量。 一般有三种方法： ( i ) 最大隶属度函数法 在模糊推理结果的模糊集合中，把隶属度最大的元素作为输出值屹 = m a x g r ( v ) v 矿 ( 2 5 ) ( 2 ) 重心法 取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输出值。 离散论域： v d z v ( v d v = 土生一 i z v ( v d = l 连续集： 心= 器 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 基于l a b v i e w 的锅妒燃烧髓柠关键技术研究 本课题采用的方法是重心法。 ( 3 ) 加权平均法 砘 v o = 鼍 z k , ( 2 8 ) y 为第i 个模糊集的中心，t ，为其高度 2 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换成实际的控制量。 2 2 2 2 模糊控制器的设计步骤 模糊控制器的设计包括以下几项内容： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) ； ( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则； ( 3 ) 确立模糊化和去模糊化( 又称清晰化) 的方法； ( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制 器的参数( 如量化因子、比例因子) ： ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序； ( 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时间。 2 2 3 给煤调节系统的设计 在采暖锅炉的燃烧系统中，从给煤量调节子系统的任务要求上可以看出，它 是整个燃烧控制系统中的重要环节，是满足供暖负荷要求、提高供暖质量的关键 控制对象，也是节约能源、提高经济效益的主要实现途径。 在模糊控制器的设计中，原则上是控制器的维数越多控制的精度越高，但维 数过高，会给模糊规则的确定和模糊决策带来一定的难度，考虑到系统在动态调 节过程中，只要求控制器具有较好的鲁棒性和快速性，对精度要求并不十分高， 因而采用常规的二维模糊控制器就可以满足设计要求。 一、模糊控制子系统的设计模型 燃烧控制系统设计的一个基本要求是要保证供暖用户室内温度稳定在规定 的范围之内，即室内温度保持在1 8 - + 3 c 。但由于室内温度的变化非常缓慢，受 摹于l a b v i e w 的锅炉燃烧髓拧笑键技术研究 外界天气状况和锅炉供水温度的共同影响，且鉴f 用户建筑面积和保温质量的不 同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，若仅简单的将其引入控制回 路，必将引起系统的波动，甚至失稳1 9 1 。在给煤量模糊调节子系统的设计中，假 设室内和室外的热量交换是一个准平衡过程，则将锅炉双子系统的出水口温度作 为间接被控量l 0 】。这样就可以把室内温度“隔离”在控制回路之外，避免了因 将室内温度引入控制回路而可能引起的系统不稳定等问题，取而代之的是供暖锅 炉要求的出水口温度值。 对于给煤量调节子系统的模糊控制，模糊控制器的输入变量应该选定锅炉的 负荷变化及负荷的变化率，实际应用中以出水口温度值的变化及其变化率来表 示，输出应该是链条锅炉的给煤量，以炉排速度和煤层厚度综合计算( 即炉排宽 度煤层厚度炉排速度) 。 二、确定变量论域和量化因子 从模型中可以看出，系统的核心部分是一个两输入单输出的模糊控制器。控 制器的输入定义为出水e j 温度偏差e 和其偏差的变化率e c ，输出定义为给煤量 u 。为了便于模糊控制器的操作，必须将其输入、输出的模糊变量离散化，根据 系统自身特点和实际操作经验，将输入、输出的三个模糊逻辑变量e 、e c 和u 在它们各自的变化范围内，采用模糊非线性量化的方法分成1 3 个等级： e = 卜6 ，一5 ，一4 ，一3 ，2 ，l ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 】；( 2 9 ) e c = 【一6 ，一5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，一l ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 】； ( 2 1 0 ) u = 【一6 ，一5 ，一4 ，- 3 ，- 2 ，一1 ，o ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 】。 ( 2 一1 1 ) 例如，对于模糊变量e ，由于给定误差以及锅炉稳态大约两小时的滞性，它 的变化范围大约在- 3 ，+ 3 之间，而具体的模糊非线性量化过程是： e 一6 ，一3 o e 一2 o ：e 一5 ，一2 o e 一1 5 ； e 一4 ，一1 5 e 一l0 ： c ：一3 ，一】0 e 一0 5 ； e = 一2 ，一0 5 e 一0 3 ；e = - i ，- 0 3 e 一0 1 ； 7 e = o ，一0 1 e + o 1 ；e = + l ，+ 0 1 e + o 3 ； e = + 2 ，+ o 3 e 十o 5 ；e = + 3 ，+ o 5 e + 1 o ； e = + 4 ，+ 1 0 e + 1 5 ；e = + 5 ，+ 1 5 e + 2 0 ； e = + 6 。+ 2 0 e + 3 0 。 幕十l a b v i e w 的锅炉辫烧精拧关键技术研究 三个梭糊变量分别对应三个模糊集合e 、e c 和u ，进一步将它们分别划分 为7 个模糊分量，分别表示为n b ( 负大) 、n m ( 负中) 、n s ( 负小) 、z o ( 零) 、 p s ( 正小) 、p m ( 正中) 、p b ( 正大) ，每个模糊分量的论域u 都为 一6 ，+ 6 ，即 模糊变量的模糊集合。 三、确定模糊状态的隶属函数 模糊变量的隶属函数形状对控制性能影响较大，根据专家经验及模糊控制的 一般规律，选用高斯函数作为各模糊分量的隶属度函数f 1 0 1 ，其结构如下： 舯e x p f 一虹2 0 z h j 协1 2 ) 其中“为模糊分量的中心值，o r 为方差，此处盯= 1 。模糊逻辑变量e 的各 模糊子集的均值 分别取为一6 ，一4 ，- 2 ，0 ，十2 ，+ 4 ，+ 6 ；同样道理，模糊变量 e c 和u 的隶属函数的参数甜也依次取为一6 ，- 4 ，一2 ，0 ，+ 2 ，+ 4 ，+ 6 。这样，根 据输入、输出变量的论域、模糊集合和隶属函数，就可方便地求出论域中各元素 的隶属度。各模糊变量的隶属度如下表2 1 所示。 火 一6 5 4 3 2 10+1+2+3+4+5+6 n b1 0 00 6 l0 1 40 0 】0 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 o o0 0 00 0 00 0 0 n m0 1 40 6 l1 o o0 6 l0 1 4o 0 10 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 n so 0 00 o l0 1 40 6 11 0 0o 6 l0 1 40 0 10 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 zo0 0 00 0 00 0 0o 0 l0 1 4o ，6 l1 0 0o 。6 10 1 40 0 10 0 00 0 00 0 0 ps0 o oo 0 0o 0 0o 0 0o ，0 00 0 10 1 40 6 l1 0 00 6 1o 1 40 0 l0 0 0 pm0 0 0o 0 0o 0 0o 0 0o o o0 0 00 0 0o 0 l0 1 40 6 11 o o0 6 l0 1 4 p b0 0 0o o oo 0 0o 0 0o 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 1 0 1 4 0 6 1 1 0 0 表2 1 模糊变量各分量的模糊隶属度 四、模糊推理规则的生成 模糊控制器设计的核心部分是模糊规则的建立，模糊规则库的优劣直接决定 了控制器的性能。建立模糊控制规则库的方法一般有四种l ： ( 1 ) 根据专家经验生成控制规则； ( 2 ) 对系统执行手工控制即根据工艺操作规程生成控制规则； 基于l a b v i e w 的锅炉燃烧舱拧天键技术研究 ( 3 ) 根据被控对象的模糊模型生成控制规则： ( 4 ) 根掘学习算法生成控制规则。 我们在对给煤量调节子系统建立模糊规则库时，先根据方法( 2 ) 和方法( 3 ) 建立初步的规则库，再利用方法( 1 ) 对其进行修正，形成最终的规则库。模糊 推理则是根据模糊规则库而得到的，推理的i i i 件为e 和e c ，后件为输出量u 。例 如，第i 条推理规则表示为： i fe = p ba n d 飚= p b ，t h e nu 尸p b ( 2 一1 3 ) 此规则表明，如果要求的出水口温度与实际的出水温度偏差很大( p b ) 且 偏差有增大的趋势( p b ) ，为尽快减少偏差并抑制偏差增大的趋势，此时必须尽 可能增大给煤量，使控制量正大( p b ) ，增加燃烧的热量。其余规则的确定与此 条的原则相伺，从而得到如表2 2 所示的模糊控制规则表。 泌 n bmn s z op sp mp b n b n bn bn mn mn sz 0z o n mn bn bn in i ln sz oz 0 n s n bn bn i ln sz o蹦蹦 z on bn bn sz op sp bp b p s n l in mz 0p s蹦 p bp b p mz oz op sp mp mp bp b p bz oz op s p m p i , ip b p b 表2 2 模糊控制规则表 五、建立模糊关系 有了上面的模糊控制规则，就可求出总的模糊关系矩阵r 。表中每一项对应 一条模糊条件语句，每一语句对应一个模糊关系，4 9 条语句就有4 9 个模糊关系， 即： 焉，r ，r ，蜀， ， 其中r = e ，蚂u i ，n = 0 ，l ，2 ，4 9 a 整个系统总的控制规则，即模糊控制规则表所对应的模糊关系矩阵r 为： r = 足u 尼u 马u u ( 2 - 1 4 ) 1 6 肇十l a b v i e w 的锅炉燃烧畸挣关键技术埘究 六、解模糊和模糊控制表 上一步所求的模糊关系r 是一个1 6 9 1 3 的矩阵，根掘它可求出最终的控 制表。例如，e = 3 ，e c = 4 时，将它们看成模糊单点，这时输入的模糊矢量为： e 。【0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，o 】： ( 2 一1 5 ) e c 2 【0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，l ，0 ，0 】。( 2 1 6 ) 由推理公式： “= 幢e q ) 。r ( 2 1 7 ) 可得到输出各元素的隶属度为： 【o 1 4 ，o 1 4 ，o ，1 4 ，0 1 4 ，o 1 4 ，o 6 1 ，0 6 1 ，o 6 l ，0 6 l ，o 6 l ，0 6 1 ，o 1 4 ，o 0 1 ， 0 0 1 】 由于输入矢量中都只有一个元素为l ，根据模糊集合的运算法则可知，r 的 第( f 1 3 + ) 行就是对应的输出模糊集。其中，i 、，就是输入适量e