（检测技术与自动化装置专业论文）基于模糊pid控制的燃气热水锅炉燃烧控制系统的研究.pdf

独创性声明 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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：率之坐! 整 日期：向年月步曰 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：建丕坐垫导师签名：盔丝垄签名：蓝垒坐整导师签名：透丝垄 日期：劾矽年6 月多日 。 r 摘要 摘要 热水锅炉是日常生产、生活中被广泛使用的供热设备，随着我国能源结构的 优化调整，燃气热水锅炉以其经济、高效、环保的特性得到了越来越多的关注。 燃烧控制是锅炉运行的一个重要环节，对提高锅炉运行的经济性、可靠性和安全 性有着重要的意义。本文针对燃气热水锅炉燃烧控制系统进行了研究和探讨，设 计了一种基于模糊自整定p i d 控制算法的燃烧控制系统，实现了对燃气热水锅炉 燃烧系统的自动控制。 本文首先对燃气热水锅炉燃烧控制系统的组成和控制原理进行了分析，并对 燃烧过程机理进行了研究，确定了燃烧控制系统实现自动控制的方法。在此基础 之上，提出了燃烧控制系统的设计方案。针对燃烧控制系统的特点，选择模糊自 整定p i d 控制算法实现控制过程。这种控制算法利用模糊控制器对p i d 控制器的 参数进行自动在线调整，使得p i d 控制器能够脱离对控制对象模型的依赖，适应 控制对象的实时变化。文中详细阐述了模糊自整定p i d 控制器的设计过程，给出 了模糊控制器的各项参数、模糊控制规则以及推理合成过程。利用m a t l a b 作为 仿真工具，建立了模糊自整定p i d 控制器的仿真模型并对其进行了仿真。仿真结 果表明，本文所设计的控制器性能稳定，控制效果优于常规p i d 控制系统，实现 了系统的快速、无差控制。 本文对燃气热水锅炉燃烧控制系统的具体实现方法进行了设计。对于控制系 统的硬件部分，介绍了各主要器件的选型和具体电路设计。本文采用英飞凌x c 8 8 6 单片机作为控制系统的核心，利用其丰富的外设单元满足控制系统的需求。对燃 烧控制系统的主要硬件模块进行了设计，其中主要包括主控制器及其外围电路， 信号采集模块，实时时钟模块，输出控制模块，人机交互模块以及故障保护模块。 本文同时还对系统的软件设计进行了介绍，给出了控制主程序的流程，以及所设 计的模糊自整定p i d 控制算法的实现流程。 关键词：燃烧控制，模糊控制，p i d 控制，m a t a l b 仿真，单片机 一 p - 伊 a bs t r a c t b o i l e ri sw i d e l yu s e da sh e a t i n ge q u i p m e n ti ne v e r y d a yl i f ea n dp r o d u c t i o n w i t h t h ea d j u s t m e n to fe n e r g ys t r u c t u r ei no u rc o u n t r y , t h eg a sb o i l e rh a sb e e nm o r e a n dm o r e a t t e n t i o nf o ri t se c o n o m y ,e f f i c i e n ta n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y f e a t u r e s b o i l e r c o m b u s t i o nc o n t r o li sa ni m p o r t a n tp a r to fb o i l e r sw o r k i n g ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei n i m p r o v i n gt h ee c o n o m y , r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y o fb o i l e r i nt h i sp a p e r , g a sb o i l e r c o n l b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e da n dd i s c u s s e d ，a n dac o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do nf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , t h ec o m p o n e n t sa n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fg a sb o i l e r c o m b u s t i o n c o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s mi s s t u d i e d ，s oc o n t r o l m e t h o d so ft h ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e t e r m i n e d o nt h i sb a s i s ，ad e s i g no f c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m b u s t i o n c o n t r o ls y s t e m ，w es e l e c tt h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h mt o a c h i e v et h e c o n t r o lp r o c e s s t h i sc o n t r o la l g o r i t h mu s ef u z z yc o n t r o l l e rt oa u t o m a t i c a l l ya d j u s tp i d c o n t r o l l e r ，sp a r a m e t e r so nl i n e ，s op i dc o n t r o l l e rc a nb em a d ef r o mr e l i a n c e o nt h e m o d e lo fc o n t r o lo b j e c t ，a n da d a p t i v ec o n t r o lo b j e c t sr e a l t i m ec h a n g e s i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h e 昀s e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l ，a n d t h ep a r a m e t e r s t h ef u z z yr u l e sa n dt h er e a s o n i n gs y n t h e s i so ft h ef u z z yc o n t r o l l e ra r e g i v e n u s i n gm a t l a b a sas i m u l a t i o nt o o l ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ff u z z ys e l f - t u n i n g p i dc o n t r 0 1 1 e ri s e s t a b l i s h e da n dt h ef u r t h e ra n a l y s i so fs i m u l a t i o ni sp r o c e s s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r sp e r f o r m a n c ei ss t a b l e ，c o n t r o l d e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fg a sb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m a r ed e s i g n e d f o rt h eh a r d w a r e ，t h em a i nd e v i c e a n ds p e c i f i cc i r c u i td e s i g na r e i n n d d u c e d a st h ec o r eo ft h e c o n t r o ls y s t e m ，i n f i n e o nx c 8 8 6m i c r oc o n t r o l l e r u n i t ( m c u ) h a sr i c hp e r i p h e r a lu n i tt ou s e i nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ep r i m a r i l ym o d u l e o fc o m l ：i u s ；t i o nc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ew a sd e s i g n e d ，w h i c h i n c l u d e st h em a i n c o n t r o l l e ra n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，r e a l - t i m ec l o c km o d u l e ， t h eo u t p u tc o n t r o lm o d u l e ，i n t e r a c t i v em o d u l e s ，a n df a u l tp r o t e c t i o nm o d u l e i nt h i s i i a b s t r a c t p a p e r , t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s a l s oi n t r o d u c e d t h ep r o c e s so fm a i n p r o g r a ma n dt h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h ma r eg i v e n k e yw o r d s ：c o m b u s t i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，p i dc o n t r o l ，m a t a l bs i m u l a t i o n ， m c u 目录 目录 第一章绪论l 1 1 课题的背景与研究意义1 1 2 相关技术的发展现状2 1 2 1 锅炉控制技术的发展2 1 2 2 单片机技术的发展4 1 3 本文的主要内容、系统设计要求和结构安排5 第二章燃气热水锅炉控制系统分析及实现方案7 2 1 燃气热水锅炉控制系统的组成和工作过程7 2 1 1 燃烧控制系统8 2 1 2 安全控制系统8 2 2 燃烧控制系统分析9 2 2 1 燃气热水锅炉的燃烧过程分析9 2 2 2 燃气比例电磁阀的控制方法1 2 2 2 3 风机调速方法1 2 2 2 4 燃烧控制系统的模型1 3 2 3 燃气热水锅炉燃烧控制系统的总体设计方案1 4 2 3 1 燃烧控制系统的结构1 4 2 3 2 燃烧控制系统控制算法的选择1 5 2 3 3 燃烧控制系统设计方案1 5 2 4 本章小结：1 6 第三章模糊自整定p i d 控制器设计1 7 3 1p i d 控制理论1 7 3 1 1 模拟p i d 控制原理1 7 3 1 2 数字p i d 控制原理18 i v 目录 3 2 模糊控制理论2 0 3 2 1 模糊控制原理2 0 3 2 2 模糊控制器的组成和功能2 1 3 2 3 模糊自整定p i d 控制器2 2 3 4 模糊自整定p i d 控制器的设计2 3 3 4 1 模糊控制器的结构设计2 4 3 4 2 输入量的模糊化和输出量的反模糊化2 4 3 4 3 建立模糊控制规则2 9 3 4 4 模糊推理3 2 3 4 5 选择采样周期3 5 3 5 本章小结3 5 第四章控制系统硬件和软件设计3 6 4 1 控制系统硬件设计3 6 4 1 1 主控制器和外围电路3 6 4 1 2 温度水位采集模块4 0 4 1 3 实时时钟模块4 1 4 1 4 输出控制模块4 3 4 1 5 人机接口模块4 4 4 1 6 故障保护模块4 6 4 2 系统软件设计4 8 4 2 1 主程序软件流程4 8 4 2 2 控制算法模块5 0 4 2 3 初始化模块5 1 4 2 4a d 采样模块5 3 4 2 5 中断模块5 4 4 2 6 键盘模块5 6 4 2 7 显示模块5 7 4 2 8 实时时钟模块5 9 4 3 本章小结6 0 第五章模糊自整定p i i ) 控制器仿真6 1 v 目录 5 1 控制系统仿真模型的建立6 1 5 2 仿真结果及其分析6 2 第六章总结与展望6 7 6 1 工作总结6 7 6 2 研究展望6 7 致谢6 9 参考文献7 0 攻读硕士期间取得的研究成果7 2 v i 第一章绪论 1 1 课题的背景与研究意义 第一章绪论 锅炉是生产和生活采暖的供热源，按其供热的方式分为蒸汽和热水两种。前 者主要用于发电、工业生产及间接供热；后者主要用于生活供暖和生活热水，多 用于集中供暖地区及宾馆、饭店。按锅炉使用的能源分主要有燃煤、燃油、燃气 以及电热几种方式。在我国，由于长期以煤炭为主要能源，因此大量锅炉采用燃 煤加热方式。但这种方式燃烧效率低，对环境污染大，并且随着能源需求的增大， 煤炭燃料的弊端越来越显现出来。 随着近几年技术的进步和社会的发展，我国的能源消耗结构发生了很大变化， 整体趋向多样化调整，各种新能源和替代能源的使用范围越来越广泛，其中气体 燃料凭借其优质、高效、环保的特性成为了拥有着广阔应用前景的清洁能源。燃 气热水锅炉是以液化石油气、煤气或天然气作为燃料进行加热产生热水的锅炉。 燃气锅炉的燃烧效率高、体积小、排放少、噪音低，并且易于实现自动控制，控 制方式灵活，运输和装配简单方便，具有非常广阔的应用发展空间，特别是对于 中小型锅炉而言，燃气锅炉是必然的发展趋势【l 】。在当今的一些发达国家的能源消 费结构中，石油和天然气所占比重约为6 0 ，成为第一能源。统计表明，燃气锅 炉在这些国家的在用锅炉中占据了非常大的份额。我国天然气资源非常具有潜力， 预计天然气总储藏量为3 8 万亿立方。到1 9 9 6 年底，已探明储量2 4 万亿立方，资 源探明度仅为6 3 1 。在二十至三十年内，预计年探明储量1 0 0 0 亿立方左右，在 2 0 1 5 年前后达到探明量增长的高峰期，我国天然气预计储量占全球天然气预计储 量的1 0 左右。同时，在我国的中部和东部地区还分布着3 0 万亿立方至3 5 万亿 立方的煤层气资源。根据发改委能源研究所预测，二十一世纪的头二十年国内天 然气和液化气需求将大幅度攀升，我国将力争在2 0 1 0 年使天然气产量达到6 0 0 亿 立方。与此同时，将煤层气的开发利用列为中国二十一世纪议程中的优选项目， 国家在政策上提供支持，扩大开放程度，尽可能吸引国外先进技术和资金投入到 煤层气开发，在2 0 1 0 年中国煤层气产量将达到1 0 0 亿立方年【2 】。 综上所述，随着我国经济和社会不断推进和发展，我国的能源需求和消费结 构必将发生深刻的变化，燃气能源在能源消耗中所占比重会越来越高，这一变化 电子科技大学硕士学位论文 将极大地促进中小型燃气锅炉应用和发展的基础p j 。另外一个方面，近年来，环境 和发展成为当今世界的主题，环境保护问题已经提到了全球协作的高度。抑s u - 氧化碳的排放，减缓全球变暖步伐已经成为大多数国家的共识。在煤炭、重油、 天然气这三种化石能源中，天然气燃烧所产生的二氧化碳量最少，而且几乎没有 附带的有害气体产生，是一种清洁无污染的燃料。因此天然气、液化石油气取代 煤炭和石油制品是今后发展的必然方向。大量采用燃气锅炉，对于合理调整能源 结构，建立能源节约型社会用着重要作用，所以在生产、生活中应用最为广泛的 中小型燃气热水锅炉有着十分广阔的市场前景，具有很高的研究价值。 1 2 相关技术的发展现状 1 2 1 锅炉控制技术的发展 跟随科学研究和工业技术的发展，锅炉控制经历了由简单到复杂、由人工操 作到自动控制的发展过程。上世纪6 0 年代，基本依靠人工操作控制锅炉的工作， 几乎没有自动控制系统的参与，基本是凭借司炉工人的实际经验对锅炉进行控制， 劳动强度大，经济性和安全性也得不到保障。到了7 0 8 0 年代，出现了由常规检测 和调节仪器仪表组成的模拟式控制系统，这种系统具有较高可靠性，操作和维护 方便等特点，在工业生产中应用较多，实现了基本的自动控制。到了9 0 年代，随 着计算机技术的飞速发展，过程控制技术领域大量采用计算机作为自动控制的主 要工具。基于计算机的控制系统运算能力强，速度快，控制精度高，并且能够进 行分时操作，使用一台计算机就可以实现多台传统控制装置的功能。同时，计算 机具有较强的逻辑判断能力和记忆存储能力，在当工作条件或过程参数改变时， 能快速进行判断和响应，选择最优控制策叫4 卅。进入二十一世纪以来，检测技术 和计算机技术得到了突飞猛进的发展，控制系统进入了数字化、网络化和智能化 的发展阶段。锅炉自动控制系统作为集检测技术、传感器测量与执行机构控制的 综合应用系统，也进入了数字化和智能化时代，各种智能控制系统相继出现。另 一方面，对于大锅炉群组的集成控制，通过结合网络检测技术、计算机技术和通 讯技术，形成了锅炉控制系统的集成化管理、网络化监控和远程控制，这将是锅 炉控制系统发展的新阶段。 控制理论的飞速发展对锅炉控制系统起到了极大地推动作用，许多优良的控 制理论不断应用到锅炉控制系统中。其中的典型代表就是p i d 控制技术，即比例、 2 第一章绪论 积分和微分控制，这项理论已经很好的应用到锅炉控制系统上。但随着实际应用 的发展，人们发现了传统p i d 控制系统的弊端。p i d 控制最关键的问题就是控制 参数的整定，传统p i d 控制系统是通过建立控制对象的精确数学模型，在数学模 型的基础上应用各种方法确定控制参数，而且控制参数一旦确定就无法改变。对 于燃气热水锅炉而言，其工作过程中由于受到水量、燃料、环境等等因素的影响， 工作参数和模型结构都有可能发生变化，对于这种变化传统p i d 控制系统很难实 现准确的实时调整，因而控制效果不理想。要解决这个问题，就要求p i d 控制系 统的参数整定脱离对控制对象数学模型的依赖，并且能够自动根据控制对象的变 化情况进行在线调整。模糊控制理论的正好适应这样的要求。 1 9 6 5 年美国伯克利加州大学l a z a d e h 教授提出模糊数学和模糊控制的概念， 其后2 0 多年的时间里模糊理论得到了飞速的发展。模糊控制器是一种近年来发展 起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的数学模型，而是根据已有的知 识和经验完成控制过程。但是模糊控制也有其缺点，单纯的模糊控制存在控制品 质粗糙、控制精度不高的问题。应用范围最广泛的二维模糊控制器大多属于p i 型 或者p d 型控制器，存在动态特性不好或者稳态误差大的缺陷。基于这两者各自的 优缺点，将模糊控制和p i d 控制相互结合的控制方法被提出来。利用p i d 控制器 能够很好的消除稳态误差的特性，弥补模糊控制器的缺点。同时由于模糊控制器 适应性强，能够很好的解决p i d 控制器参数整定难的问题。 除此之外，还有另外一些结合p i d 控制的智能控制系统，比如基于神经网络 的p i e ) 控制、基于遗传算法的p i d 控制和专家p i d 控制等。这些新的控制理论都 是将智能控制和p i d 控制各自的优势结合起来，互相补充以达到令人满意的控制 效果。 工业大型锅炉系统构成复杂，性能指标要求高，需要控制的部分多，一般需 要采用比较复杂的控制算法，所以大多选用计算能力强、速度快的计算机作为控 制核心。但在中小型锅炉的应用中，由于本身系统比较简单，而且还需要考虑成 本的问题，因此一般采用单片机或p l c 组成控制系统。相应的，受到这些器件本 身运算能力的限制，所采用的控制算法的复杂程度和运算量就显得尤为重要。因 此，整体上看，中小型锅炉控制系统还有很大的研究和发展空间，具有相当的研 究价值【7 ，8 】。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 单片机技术的发展 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r oc o m p u t e r ，s c m ) 又称为微控制器( m i r c o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，是微型计算机的一个非常重要的分支【9 】。1 9 7 4 年，美国 仙童( f a i r c h i l d ) 公司开发出世界上首台单片机f 8 ，在民用电器和仪器仪表领域取 得了巨大的成功。从此，不但单片机技术自身飞速发展，而且应用领域也越来越 广阔，几乎深入到了工业控制和民用设备的所有方面。1 9 7 6 年i n t e l 公司面向市 场推出了m c s - 4 8 单片机，从此形成为真正意义上的8 位单片微型计算机。它以 体积小、功能全、可靠性高、控制功能强、性价比高等特点获得了广泛的应用， 奠定了为单片机快速发展的基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。跟随 m c s - 4 8 的脚步，各大半导体公司陆续研发了自己的单片机，比如z i l o g 公司的z 8 系列。到了8 0 年代初，单片机的发展进入了高性能时代，i n t e l 公司推出了m c s 5 1 系列，m o t o r o l a 公司推出了6 8 0 1 和6 8 0 2 系列，r o k w e l l 公司推出了6 5 0 1 及6 5 0 2 系列等等。在日本，n e c 、h i t a c h i 都先后研发出了具有自身特色的专用单片机。 之后，高性能单片机的发展进入了空前繁荣的时期。据统计，世界上各大公司推 出的单片机总共约有几十个系列，6 0 0 多个品种。 早在2 0 世纪7 0 年代，微处理器面市不久，就被用于自动控制中。这些控制 应用除处理器外，还包括了一些外围电路。为了设计出功能完整的单片机微控制 器，人们试图在半导体芯片上集成尽可能多的外设元件。7 0 年代末出现一系列集 成内部r a m 、串行接口、定时器电路以及可选的r o m 或e p r o m 的8 位控制器。 在1 9 8 0 年，i n t e l 推出的8 0 5 1 微控制器面市，并且迅速成为8 位单片机应用标准。 直到今天它仍在一系列的应用中发挥作用。此时的单片机均属于真正的单片化， 多数在片上集成了c p u 、r a m 、r o m 、数目繁多的i o 接口、各式中断系统，还 出现了一些带a d 转换器及其它常用功能模块的单片机，功能越发强大，r a m 和 r o m 的容量也快速增长，寻址空间已经可达6 4 k b ，可以说，单片机发展到了一 个全新的高度。 1 9 9 9 年，德国西门子半导体公司改名为i n f i n e o n ( 英飞凌) 技术公司。它以 1 6 位单片机和复杂的3 2 位t r i c o r e ( m c u d s p ) 闻名。它的8 位单片机c 5 0 0 系 列，由于其开发方便灵活而得到广大单片机应用开发者的广泛采用【1 。在2 0 0 5 年 4 月4 日，i n f i n e o n 在深圳宣布向亚太区推出一款8 位闪存( f l a s h ) 单片机 _ x c 8 6 6 。英飞凌高性能8 位微控制器x c 8 0 0 系列产品基于标准的8 0 5 1 架构， 4 第一章绪论 片上集成4 k b 、8k b 、1 6 k b 、2 4 k b 或3 2 k b 闪存，其成员主要有x c 8 6 6 、x c 8 8 6 、 x c 8 8 8 等。x c 8 8 6 是x c 8 0 0 系列的新成员，其设计基于和工业标准8 0 5 1 处理器 兼容的x c 8 0 0 内核，两个时钟的机器周期，双数据指针。内存储器包括了1 2 k 字 节b o o t r o m ，2 5 6 字节r a m ，1 5 k 字节x r a m ，3 2 k 字节f l a s h ，可编程1 6 位 看门狗定时器( w d t ) 。片上还集成了还四个1 6 位定时器、产生p w m 波的捕获 比较单元( c c u 6 ) 、全双工串行接口( i ，a r t ) 、同步串行通道( s s c ) ，支持片上 调试。此外，由于x c 8 8 6 具有英飞凌公司8 位微控制器x c 8 6 6 的所有功能，因此 可以方便的进行从x c 8 6 6 到x c 8 8 6 的程序移植。x c 8 8 6 的嵌入式内存( f l a s h ) 结构支持在应用编程( 脚) ，在程序执行期间允许用户编程修改f l a s h 的内容。通 过引导程序加载器( b s l ) ( 位于b o o tr o m 中) 可实现在系统编程( i s p ) ，通过 外部主机( 如p c ) 对嵌入式f l a s h 方便的编程或擦除。x c 8 8 6 片内还集成了振荡 器和电压调节器，可由3 3 或5 0 v 的单电源供电。x c 8 8 6 还为用户提供了不同的 省电模式选择，以满足低功耗应用的需求；其丰富的片上外设功能由特殊功能寄 存器( s f r ) 控制，采用智能分页机制( 优化中断处理) 来扩展s f r 的地址范围。 基于燃气热水锅炉燃烧控制系统在整个锅炉控制中的重要性，且工作环境恶 劣，故使用稳定性好、抗干扰能力强、性价比高、具有通信功能、编程方便、结 构模块化的x c 8 8 6 单片机实现其控制功能。 1 3 本文的主要内容、系统设计要求以及结构安排 本文围绕实际课题进行研究，提出并设计了一种基于模糊自整定p i d 控制的 燃气热水锅炉燃烧控制系统。通过阅读文献研究了燃气热水锅炉控制技术在国内 外的研究现状及发展方向。在研究了燃气热水锅炉系统构成及工作原理、燃烧机 理、燃气调节系统的工作原理的基础上，分析得出了控制对象的控制特性并对控 制目标进行了研究，根据研究结果提出控制系统的设计方案。利用对控制系统的 分析建立其数学模型，通过学习和掌握模糊p i d 控制器的基本原理和设计方法， 对锅炉燃烧系统的控制器进行设计。对控制系统的具体实现方法进行研究，设计 了系统的硬件和软件。最后，利用m a t l a b 对系统的设计进行实验和仿真。 本文设计的燃烧控制系统主要技术要求如下： ( 1 ) 控制对象为中小型燃气热水锅炉，温度控制范围为0 1 0 0 。c ，温度控制 误差不超过3 。 ( 2 ) 具有故障保护功能，能在锅炉运行出现故障时自动停机报警。 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 控制器可实现手动与自动两种操作 ( 4 ) 通过l c d 显示锅炉的实时运行状态 ( 5 ) 可通过键盘更改水温设定值，并通过菜单查看相应信息。 本文的具体组织结构如下： 第一章绪论。本章主要介绍了课题研究背景和应用前景，以及国内外研究现 状及发展态势，同时介绍了本文的主要研究内容。 第二章燃气热水锅炉控制系统分析及实现方案。本章在研究并分析了燃气锅 炉燃烧控制系统的原理和特性的基础上，提出了控制系统总体设计方案，包括控 制算法的确定，硬件的选择以及软件的设计方案。 第三章模糊自整定p i d 控制器设计。本章介绍了p i d 控制、模糊控制的基本 原理，并在此基础上设计了模糊自整定p i d 控制器。 第四章控制系统硬件和软件的设计。本章介绍了系统硬件和软件的实现方 法。硬件部分主要介绍了各个功能模块的构成及工作原理，软件部分主要介绍了 主要模块的设计和流程图。 第五章模糊自整定p i d 控制器控制器仿真。本章主要介绍了利用m a t l a b 对系统进行仿真的方法，以及对所设计的系统进行仿真的结果。 6 第二章燃气热水锅炉控制系统分析及实现方案 第二章燃气热水锅炉控制系统分析及实现方案 燃气热水锅炉是一个相对比较复杂的控制对象，在控制系统中存在多个控制 量和需要控制的参数，是一个典型的非线性多输出、多输入、多回路系统。同时， 这些输入和输出之间还存在着复杂的相互关联。运行状态的变化、工作环境的改 变或者某一个参数的调整，都可能使其他与之相关的所有参数发生改变。所以， 要建立燃气热水锅炉的准确数学模型是很困难的，只能通过简化和限定条件得到 半经验化的模型，而这种模型对于控制系统的设计没有实际意义。目前通常的做 法是将系统分解成几个相对独立的子系统进行相应的设计。燃气热水锅炉主要包 括燃烧控制系统，供水系统，安全保护系统等。 2 1 燃气热水锅炉控制系统的组成和工作过程 燃气热水锅炉控制系统主要由热交换系统、燃烧控制系统，水位控制系统、 点火系统和安全保护系统组成，控制系统的结构如图2 1 所示。 灭然气 图2 - 1 燃气热水锅炉的结构 其中：_ 1 是电磁比例阀，用来控制燃气进气量的大小。s v - 1 、s v - 2 是安全 电子科技大学硕士学位论文 电磁阀，用来控制燃气的引入和关断。s v - 1 6 是点火电磁阀，用来为点火枪提供燃 气。p s 1 、p s 2 是燃气压力开关，用来测试供气管道内的燃气压力。d h 1 6 是点 火枪，用来给燃烧嘴点火，n b 是燃烧嘴。f j 是风机，点火启动时用来进行预吹扫， 正常工作时为燃烧室提供空气。 2 1 1 燃烧控制系统 燃烧控制系统是燃气热水锅炉自动控制系统中最为关键的系统，它的主要任 务就是测量被控对象的参数( 主要指水温) 形成控制信号，通过控制进入燃烧机的热 量实现对温度的控制。燃烧控制系统以锅炉内水温为主要控制对象，根据锅炉内 水温的变化来调节控制燃气进气量的比例电磁阀，调整燃气进气量，以达到控制 水温的目的。同时，为了保证燃气充分燃烧，提高热效率，需要控制空气和燃气 比例以达到最佳空燃比。根据比例电磁阀的开度，也就是实时的燃气进气量，通 过计算得到相应的空气需要量，然后通过调节风机的转速实现空气量的调节，保 证燃烧系统始终工作在最佳燃烧状态下。 2 1 2 安全控制系统 燃气热水锅炉的运行过程是具有一定危险性的，为了确保工作的安全稳定， 必需加入安全控制系统。通常，燃气锅炉的安全控制系统主要包括准备程序，点 火控制，运行保护程序，联锁保护以及停机程序。经过对大量的事故调查发现， 点火控制是对燃气锅炉安全影响最大的，燃气锅炉再点火过程中最容易发生事故。 这里重点介绍一下点火控制过程。 点火系统如图2 1 所示，其点火流程如下： ( 1 ) 初始准备过程结束，控制箱上电自检，自检结束后输出2 2 0 v 交流电，打 开s v - 2 电磁阀，5 秒以后将s v - 2 电磁阀关闭。此时测试燃气压力开关p s 2 的状 态，如果它处于闭合状态，表明此时s v - 1 电磁阀有泄漏。程序停止进行，转回初 始准备状态，并发出告警信号；如果p s 2 不处于关闭状态，说明没有泄漏，程序 继续进行。 ( 2 ) 打开s v - 1 电磁阀，5 秒后关闭。测试开关p s 1 的状态。如果p s 一1 没有 闭合，表明此时燃气压力较低，无法正常点火，同样停止程序，转回初始状态， 发出告警信号；如果p s 1 闭合，则表明燃气压力正常，可以点火，程序继续执行。 ( 3 ) 启动风机进行吹除，清除燃烧室内残余的燃气。吹除结束后打开点火电 第二章燃气热水锅炉控制系统分析及实现方案 磁阀s v - 1 6 ，并给点火枪d h 1 6 上电打火。点燃点火器以后，火焰传感器返回点 火成功信号，关断点火枪并保持s v - 1 6 处于开启状态。当燃烧嘴火焰全部点燃后， 点火过程结束，断开控制箱，锅炉进入正常运行状态。 2 2 燃烧控制系统分析 燃烧控制系统是燃气热水锅炉控制系统的核心部分，它的主要任务是一方面 是根据热水的温度反馈对燃烧机进行实时调整，以保持水温保持相对稳定，偏离 预设值不超过一定范围，同时也要保证锅炉运行过程的安全。另一方面，是调节 燃气与空气的比例，使之处于合适的范围，从而保证锅炉始终运行在最佳燃烧状 态下，提高燃烧的热效率，达到节省燃料，提高经济性的目的。可以看出，燃烧 控制系统的优劣，是决定燃气热水锅炉性能的关键。燃烧控制系统的实现，是采 用燃气电磁比例阀控制燃气进气量，通过可控硅调压调速的风机调节送风量。因 此，本节首先详细分析燃气的燃烧过程，建立最佳燃烧模型。然后对这两个组成 部分的构造和工作原理进行分析，确定其模型并讨论控制方案。最后综合分析结 果，建立燃气热水锅炉的水温控制对象的控制模型。 2 2 1 燃气热水锅炉的燃烧过程分析 燃烧是指可燃物质与氧化剂发生作用而放热的反应，通常伴有火焰、发光和 发烟现象。整个燃烧过程通常伴随着热量释放、物质转化、热量转移、能量形式 互相转换等复杂的物理、化学过程。 空燃比是衡量燃气燃烧效率的主要参数。燃气按照其燃烧的化学反应方程式 进行完全燃烧，标准状态下每立方米燃料所消耗的干空气体积称为燃料的理论空 气量，记为v o ，可以根据燃气的成分和化学方程式计算得出。而实际输入锅炉的 空气体积称为实际空气量，记为v 1 ，这个值通常比v o 要大。实际空气量比理论空 气量多出来的这一部分称为过量空气。所以实际空气量实际上是理论空气量加上 过量空气量。空燃比的定义就是实际空气量和燃气量的比值，取燃气量为单位体 积，则空燃比的数值就是实际空气量。实际空气量与理论空气量的比值称为过量 空气系数，记为0 【，即式2 1 ： 口：旦 ( 2 1 ) 蟛 9 电子科技大学硕士学位论文 根据能量守恒定律，进入锅炉内的燃气燃烧所释放的热量等于炉水吸收的热 量和损失的热量之和，如图2 2 所示： 释放的热量 图2 2 锅炉能量守恒原理图 工作过程中，由于没有对燃气和空气进行预热，所以进入锅炉的总热量就是 是燃气燃烧释放的总热量q 。流出锅炉的热量包括：循环水吸热量q l 、炉水吸收 的热量q 2 、燃气燃烧不完全损失的热量q 3 、锅炉构件吸收及散热损失的热量q 4 和排出烟气时损失的热量q 5 。根据能量守恒定律，得到他们之间的关系如式2 2 ： q = q ，+ q ：+ q ，+ q 。+ q ， ( 2 2 ) 设进入锅炉的燃气的体积为v ( m 3 ) ，燃气的热值( 单位体积燃气完全燃烧所 释放的热量) 为q ( k j m 3 ) ，则进入锅炉的总热量q ( k j ) 为两者的乘积，即： q = v x q ( 2 3 ) 循环水吸收的热量q l 是在指一定时间内蓄水箱出口平均水温和进口平均水温之间 温差所引起的热量改变，炉水吸收的热量q 2 是指在一定时间炉水温度变化所吸收 的热量，其公式表示如下【l l 】： q 1 = c x m 】a t , ( 2 - 4 ) q 2 = c x m 2 t ( 2 5 ) 式中，c 为水的比热容( k j k g ) ；m l 、m 2 分别为炉水和蓄水箱内循环水的质 量( 蚝) ；a t l 为循环水在出口和入口的平均温度的差值( ) ；a t 2 为炉水温度的 变化量( ) o 由于空燃比的不同，燃气可能出现燃烧不完全的情况。在进入锅炉的燃气中 因为没有燃烧或者没有完全燃烧而未能释放出来的热量就是不完全燃烧损失q 3 。 在实际工作过程中，不完全燃烧损失q 3 的主要受到过量空气系数q 的影响，而0 【 可以用风机来调整。在锅炉工作过程中，锅炉各部分构件都会吸收热量，并且通 过对流和热辐射向外界散播热量，所以还存在散热损失的热量q 4 。由于它主要与 环境温度、锅炉结构和设备的隔热保温等因素有关，所以一般只能根据经验数据 l o 第二章燃气热水锅炉控制系统分析及实现方案 和近似计算的确定。排烟温度和排烟量决定了排烟损失的热量q 5 。对于一定的燃 料，排烟量同样取决于过量空气系数0 【的大小。 由式2 2 ，2 5 可以推导出蓄水箱内热水的温度公式： 1 c x 。= 尘坠盟盟+ l ( 2 6 ) c m 通过式2 - 6 我们可以发现，要保持水温稳定在某一个预设值上，就必需保证公式的 右边的值不变。但是，在锅炉的工作过程中，系统的q 2 、q 3 、q 4 、q 5 是随着工 作状态时刻变化的。因此，要使得水温稳定，就要求根据变化情况调整燃气进气 量，从而改变q 的大小以达到控制水温的目的。 燃烧控制系统除了要完成控制水温的任务，另一方面还要完成提高燃烧效率 的任务。要提高燃烧效率以达到节省燃料的经济性目的，必需要控制燃烧系统始 终处于最佳燃烧状态，尽量减少热量的损失。要达到这个目的，利用控制手段将 空燃比控制在适当的范围之内。上面已经提到，过量空气系数a 对于锅炉运行过 程中的热量损失有很大影响。首先，如果仅的值过小，容易出现燃烧不完全的情 况，则不完全燃烧损失q 3 会增大；其次，如果0 【的值过大，排烟量会增加，排烟 损失的热量q 5 也会增大。过量空气系数0 【与不完全燃烧热损失、排烟热损失及燃 烧效率的关系如图2 3 所示。 图2 - 3 过量空气系数a 与热量损失及燃烧效率的关系 由图2 3 可以看出，当过量空气系数0 【取得一个最佳值时，可以使得不完全燃 烧损失和排烟热损失之和最小，燃烧效率达到最大【1 2 】。通过现场历史数据计算出 最佳的过量空气系数c 【的范围是1 0 9 1 1 5 。本文通过控制燃气比例阀和风机，实 电子科技大学硕士学位论文 现对燃气和空气比例的控制，保证锅炉始终运行在最佳燃烧状态。 2 2 2 燃气比例电磁阀的控制方法 比例电磁阀的主要部件包括阀体和电磁机构。电磁机构由固定铁芯、动铁芯、 线圈等部分组成，阀体由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。实际上电磁机构就 是一个是比例电磁铁，可分为正比例和反比例两种。本系统所采用的是正比例电 磁阀。燃气比例电磁阀由一个开度可调的的比例阀和两个开关阀组成。在系统中， 主控制器根据采集到的被控参数的变化计算出控制量，通过专用的驱动电源转化 成控制比例电磁阀的电信号输入，电磁阀线圈中电流的变化将使得磁芯带动阀杆 移动并控制其位移大小，进而调节阀口开度，达到控制燃气通过量的效果。而与 比例电磁