（检测技术与自动化装置专业论文）糖厂锅炉燃烧模糊控制系统研究.pdf

摘要 目前，我国糖厂锅炉的设备比较落后，大多数锅炉的控制、操作水平基本上 停留在手工和简单仪表操作，自动化水平较低，根据糖厂锅炉自动控制的现状， 本论文着重研究了糖厂锅炉的燃烧自动控制系统。 首先，论证了糖厂锅炉控制的难点，以及采用常规p i d 控制器难以获得良 好控制效果的原因。 然后，分析了锅炉燃烧过程机理及控制目标，在此基础上，针对糖厂锅炉控 制的任务，对锅炉燃烧系统的燃料、送风、引风进行设计。其中，总结操作人员 成功的经验，提出两种控制策略：其一是基本模糊控制器和带参数自调整模糊控 制器，引入锅炉燃料控制系统中；另一种是模糊自寻优控制器，用于送风控制系 统中。 最后，根据所提出的控制方案，采用m a t l a b 仿真软件，进行了有效的仿 真实验，结果表明，模糊控制的引入有效地克服了系统的扰动，提高了系统的动 态特性。 关键词：锅炉燃烧系统，模糊控制，数字仿真 i i a b s t r a c t p r e s e n t l y , t h ee q u i p m e n t so ft h ei no u rc o u n t r ya r ed a t e d ，t h el e v e lo fc o n t r o l a n do p e r a t i o na r eo b s o l e t e t h eg r e a tm a s so f s u g a r r e f i n e r yb o i l e r sa r es t i l lu s i n g s i m p l ei n s t r u m e n ta n di nh a n d w o r k s ot h ea u t o m a t i o nl e v e li sl o w e r a c c o r d i n gt o t h ep r e s e n ts t a t e so ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lb u r n i n gs y s t e m so f s u g a r - r e f i n e r yb o i l e r i no u rc o u n t r y ，t h i sp a p e re s p e c i a l l ys t u d i e sa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m so fb o i l e r b u r n i n g f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i f f i c u l t i e so ft h es u g a r r e f i n e r yb o i l e rc o n t r o l a n dt h er e a s o no ft h e u n s a t i s f a c t o r y e f f e c t b yi n t r o d u c i n gt h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e r - s e c o n d l y ，t h em e c h a n i s ma n dc o n t r o lo b j e c t i v eo fb o i l e rb u r n i n gs y s t e ma r e a n a l y z e d b a s e do nt h i st h e o r y ，t h ep a p e rd e s i g n st h ef u e ls y s t e m ，b l a s t i n gs y s t e m a n dd e f l a t i n g s y s t e m t h i r d l y ，t w om a j o rs t r a t e g i e sa r ep r e s e n t e d ：o n ei s a f u z z y c o n t r o l l e rw i t hs e l f - a d j u s t i n go fp a r a m e t e r sw h i c hi s a p p l i e dt o b o i l e r b u r n i n g s y s t e m ；t h eo t h e ri sas e l f - o p t i m i z i n gc o n t r o l l e rw h i c hi s a p p l i e dt o t h eb l a s t i n g s y s t e m l a s t l y ，t h er e s u l t so fd i g i t a ls i m u l a t i o na r eg i v e n ，w h i c hs h o w st h a tt h ef u z z y c o n t r o lc a l l e f f e c t i v e l y o v e r c o m et h ed i s t u r b a n c ea n d i m p r o v e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c k e yw o r d s ：b o i l e r ，b u r n i n gs y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，d i g i t a ls i m u l a t i o n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 新仰1 y i ；年易月，) 日 第一章引言 第一章引言 1 1 糖厂锅炉自动控制存在的问题”钉 工业锅炉是工业生产的重要设备，它往往直接影响生产的正常进行和产品的 产量、质量和成本。锅炉又是耗能极大的设备，在整个工业生产的能源消耗中占 相当的比重。 我国中小型锅炉的设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉的控制、操作 水平基本上停留在手工和简单仪表操作的水平。在云南思茅、景洪等地调研时发 现，糖厂锅炉的自动化水平较低，不能满足其生产要求，所以提高糖厂锅炉的自 动化水平是一项重要的任务。 1 1 1 一般工业锅炉控制存在的问题 工业锅炉是一个多输入、多输出的复杂控制系统，许多参数相互关联、相互 耦合，难以精确测定控制对象的动态特性。 采用传统的控制方法对锅炉进行控制，存在以下几个方面的问题。 ( 1 ) 系统存在严重耦合。例如，蒸汽负荷的变化会引起汽包水位、蒸汽压力、 蒸汽温度的变化，继而给水流量、燃料流量等也必须进行调整以维持新的负荷需 要，而它们的调整又反过来影响到水位、汽包压力、炉膛压力的变化，知道达到 新的平衡。 ( 2 ) 由于给燃料量的变化到主蒸汽力压的变化存在大时滞。这种时滞包括测 量滞后、传输时滞，而时滞的大小会随着负荷状况的变化而变化。 ( 3 ) 燃料的变化会给系统带来不确定性。 1 1 2 糖厂锅炉的特殊性 ( 1 ) 燃烧 糖厂锅炉的燃料以蔗渣为主，煤为辅，两种燃料的热值和燃烧时间都相差甚 远，而且存在单烧渣、渣煤混烧、单烧煤三种情况。此外，即使单烧蔗渣时也存 在着很大的不稳定性，这主要是受压榨状况和甘蔗的种类影响。 ( 2 ) 用汽 锅炉产生的蒸汽有三种用途：煮糖、气轮机发电和酒精生产。煮糖川汽波动 性非常大，可能全丌，也可能全关，导致锅炉的蒸汽负荷变化大，变化速率怏， 而推动气轮机发电的蒸汽则要求压力平稳。 2 昆明理工大学硕士学位论文 糖厂锅炉燃烧系统存在的上述特点决定了此系统的复杂程度，也给其自动控 制的实现带来了困难。 1 2 模糊控制概论阳m m l 2 0 世纪5 0 年代前后建立起来的经典控制理论主要用来研究单输入单输出 和线性定常系统；6 0 年代末发展起来的现代控制理论主要用来解决多输入多输 出和时变系统的问题，两者都是建立在系统的精确数学模型基础之上。对于能获 取数学模型的系统，经典控制理论和现代控制理论可以发挥应有的作用，并取得 了趄好的控制效果，但是对于那些难以获取数学模型的被控对象，往往达不到理 想的控制效果。 8 0 年代以来，随着智能控制理论的深入研究，智能控制方法被越来越多地 应用于复杂系统的控制中，模糊控制就是其中之一。 与传统控制方法比起来，模糊控制的特点为： ( 1 ) 在设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模型，但要对受控 对象的特性有充分了解，是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建 立知识模型 ( 2 ) 用语言变量代替常规的数学变量，或两者结合运用。来构造形成专家知 识库。 ( 3 ) 控制系统的鲁棒性强，适用于常规控制难以解决的非线性、时变性的滞 后系统。 模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复 杂系统扩展，从已经实现的控制系统来看，它具有易于熟悉、输出量连续、可靠 性高、能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。近几年来，特别是针对复 杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究，颇受各国学者的重视。 最早实现模糊控制应用的是英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，他于1 9 7 4 年 将模糊控制语句组的模糊控制器，应用于锅炉和气轮机的运行控制，丌创了模糊 控制应用的先河，也充分展示了模糊控制技术的应用前景。此后，模糊控制在多 个领域中得到应用，大体可分为三个方面。 ( 1 ) 模糊控制的产品化研究 以家用电器产品的应用为对象，采用模糊控制技术，生产出了各种家用电器， 如模糊洗衣机、模糊空调、模糊电饭煲、模糊自动聚焦摄像机羊照相机等。随着 第一章引言 这些特定对象的控制系统开发的迅速增长，简单、实用且具有模糊推理功能的模 糊集成专用芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的研究也日新月异。 ( 2 ) 模糊控制的非生产过程应用研究 在非生产过程中模糊控制已经成功的应用于电梯自动运行、十字路口交通 管理系统、水处理、汽车速度控制等方面。 ( 3 ) 模糊控制在工业过程中的应用研究 工业过程以其特有的复杂性，成为模糊控制应用的最为重要的领域。将模糊 控制应用于复杂的工业过程，往往能得到常规控制难以比拟的控制效果。模糊控 制已成功的应用于水泥回转窑控制、核反应控制、电厂汽机系统控制、液压伺服 电机系统。充分显示了模糊控制在大规模、多目标、非线性等复杂系统中应用的 强大优势。 糖厂锅炉的燃烧系统，就是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合 的控制系统，加上其蒸汽负荷变化的随机性，用传统的控制方法不能达到理想的 控制效果。但是一些熟练的操作人员、领域专家却能得心应手的进行手动控制， 这就给基于知识规则的模糊控制的应用提供了广阔的空间，因为模糊控制是一种 模拟人的思维的控制方法，它不要求已知受控对象的数学模型，能解决大量常规 控制难以解决的控制难题。因此，将模糊控制应用于糖厂锅炉的燃烧系统，具有 较强的理论与实践意义。 1 3 本文主要研究内容 将模糊控制应用于糖厂锅炉燃烧系统，此系统包括燃料、送风、引风三个子 系统，主要研究内容为： ( 1 ) 分析锅炉燃烧过程的机理及控制目标； ( 2 ) 设计燃料、送风、引风控制系统的控制方案及模糊控制器： ( 3 ) 运用仿真软件m a t l a b 进行计算机仿真，并分析仿真结果。 4 昆明理工大学磺士学位论文 第二章模糊控制综述 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言变黛和模糊逻辑推理为理论基础的计 雾规餐齄搜裁系统，宅豹缓戒援心是其蠢磐筢蠖熬模糊控剃嚣。 2 。1 模糊控制系统原理刚 2 1 1 人机控制系统 众所髑知，操作者对一个工业过稷的人工控制，怒一种燕型的入机控制系 统。首先，操作嚣凭借跟、耳等传感器餐，从声、光、攫示屏上得到系统的输出 量殿其变化率的信息，这是将一姥客观存在的精确蠢，通过传感器官送蓟操作者 约大脑蜃，姆其f u z z y 他豹过程；然后，操作卷就用这些信息，根据b 有的缎验 分析判断，得出拥应的控制决策，操纵控制器，实现对工业对象的控制。控制框 图鲤霪3 。l 掰示。 图2 1 人一机控制系统框图 2 t 2 横糊控嗣系统 扶广义上游，攘糊拣钊是攮糖人熬怨臻方式，对涟 基建立壤确数学摸裂熬 对藏实施的一种控制，控制方框豳如图3 2 。 幽2 2 模糊控制系统框幽 模糊控制系统盼突出优点在于： ( 1 ) 模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜于复杂系统( 或 第二章模糊控制综述 过程) ，因为此类系统的精确数学模型很难获得或者根本无法找到。 ( 2 ) 模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操 作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，因此具有智能性和自学习性。 ( 3 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，适应于常规控制难以解决的非线性、时变及 滞后系统。 2 2 模糊控制器7 1 模糊控制系统与通常的计算机数字控制系统的主要区别在于采用了模糊控 制器，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构，所采用的 模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。 模糊控制器( f c 一一f u z z yc o n t r o l l e r ) 也称为模糊逻辑控制器( f l c 一 f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 l e r ) ，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊 条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也被称作模糊语 言控制器( f l c 一一f u z z yl a n g u a g ec o n t r o l l e r ) 。 2 2 1 模糊控制器的组成 模糊控制器的组成框图见图2 3 ，主要分为三个阶段：( 1 ) 精确量的模糊化； ( 2 ) i f - t h e n 模糊推理；( 3 ) 模糊量的反模糊判决。 图2 3 模糊控制器组成 2 2 1 1 精确量的模糊化 模糊化是一个使清晰量模糊的过程，输入量根据各种分类被安排成不同的隶 属度，例如，温度输入根据其高低被安排成很冷、冷、常温、热和很热等。 一般在实际应用中将精确量离散化，即将连续取值量分成几档，每一档对应 一个模糊集。控制系统中的偏差和偏差变化率的实际范围叫做这些变量的基本论 域，设偏差的基本论域为 一x ，+ x ，偏差所取的模糊集的论域为 6 昆明理工大学焉士学位论文 ( 一r l ，一n + l ，0 ，n - 1 ，n ) ，即可给出精确量的模糊化的量化因子k ： k ：旦( 2 1 ) 实际应用中，如果取模糊集 一6 ，+ 6 ，将其分为几档，每档对应一个模糊 集，而后进行精确量的模糊化处理，当实际测量值与所设 _ 6 ，+ 6 范围不一致， 而在 a ，b 之间，可以由式( 2 2 ) 将在 a ，b 之间的变量转化为 - 6 ，+ 6 之间 的量y 。 y = 兰( 工一刳 弦z ， 垆再【卜t j 憎引 2 2 1 2 知识库及推理机 知识库( k n o w l e d g eb a s e 一一k b ) 由数据库和规则库两部分组成。 ( 1 ) 数据库( d a t ab a s e 一一d b ) 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值( 即 经过论域等级离散化以后对应值的集合) ，若论域为连续域，则为隶属函数。在 规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。 ( 2 ) 规则库( r u l eb a s e 一一r b ) 模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它 是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而 成，如i f - t h e n 、e l s e 、a l s o 、e n d 、o r 等。例如，某模糊控制系统输入变量为e ( 误 差) 和c ( 误差变化) ，它们对应的语言变量为e 和c ，可给出一组模糊规则。 r l ：i fe i s n ba n d c i s n b t h e n u i sp b r 2 ：i fe i s n ba n d c i s n s t h e n u i s p m 通常把i f 部分称为“前提部”，而t h e n 部分称为“结论部”，其基本结构 可归纳为i f aa n dbt h e nc ，其中，a 为论域u 上的一个模糊子集，b 为论域v 上的一个模糊子集。根据人工的控制经验，可离线组织其控制决策表r ，r 是笛 卡儿乘积集u v 上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量由式( 2 3 ) 给出： c = 0 b ) 。r ( 2 3 ) 式中， 一一模糊直积运算： 一模糊直积合成运算。 规则库用来存放全部模糊控制规则，在推理时为“推理机”提供控制规则。 第二章模糊控制综述 由上述可知，规则条数和模糊变麓的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越 多，毽黉不健表艇粼痒熬准确度越毫，瓣裂痒黪“准确栏”还与专家皴识豹准确 度有关。 攉理怒摸鬻接裂器串，稷豢 鑫入模糊耋，赉模襁控潮援羽党戎穰獭推理慕求 解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑到推理时 阂，逶窿采焉运冀较篱擎熬攉纛方法，豢基本豹骞z a d e h 近敲雅理秘m a m d a n i 推理法，现在较多采用后种方法。 ( s ) m a m d a n i 推理法 m a m d a n i 本质上是一种合成推理方法。 若m a m d a n i 模糊蕴涵关系为a i b i ，( i = l ，2 ，。，n ) 刚用a i 耩b i 静矗积表示， 即有 a 一b i = a i b i 即 r i ( u ，v ) 2 a i ( u ) ab i ( v ) 综合关系矩眸r i 褥剩最终结论r ： r = r l v r 2 v v r 。 其中，表永r a i n ，v 表示m a x 。 若蕴涵关系为( a i 八b i ) 一c i ，a i s u ，b i v ，c i w 是兰元模糊关系，其 关系矩蓐为 r i = a i x b i x c i 或者 r i ( u ，v , w ) = a i ( u ) a b i ( v ) a c i ( w ) ( 2 4 ) 裂模攒关系缒薄r 隽 r = r i v r 2 v v r 。( 2 5 ) 2 2 ，1 3 葳模糊能 逶过模糊控铡决燕 辱刘豹是模糊量，要执纷控刳，必须把模凝量转纯为精确 量，也就怒要推导出模糊集合到普通集合的映射( 也称判决) ，实际上是在一个 竣掇范囊肉，找到一个教认为最基毒投凌牲豹、霹壹接驱动接裁装罨黪确甥豹输 出控制值。主要反模糊化判决方法有：最大隶属度法和加权平均法。 ( 1 ) 最大隶属菠法 这种方法是取子集中隶属度最大的元素”。作为执行量，若对应的模糊予集 8 昆孵理z 大学戮士学位论文 为u ，则决策“应满足 坳0 。) 脚0 ) ，“e u 这令方法簿单易行，实瓣性氇驽，爨它摄摇豹臻怠置少，困隽这秘方法毙全 不考虑其它隶属度较夸的元索的影响和作雳。如果激大点“。寄多个，它们燕 “删l 州2g ”叫口 煲| j 取它们的平均值材一藏【群。l ，。】缒中点 鳖宴血 ( 2 6 ) 2 。 作为执行擞。 ( 2 ) 抽权擎均判决 该方法的执行量“由下式决定： 声0 ，) 毪 一专丽 加权平均法可以选择权系数k i ，其计算公式为； 红 “上l 一 与 ( 2 。7 ) ( 2 。8 ) 运算加权平均方法决定了输出信息执行量，类似于概率中的数学期望值。加 权系数之问影响着系统的响应特性，调熬权系数可以改善系统的响应特性。逸一 点辩模裁控制缀墼要。 2 2 2 模糊控制器的结构 在模糊控制系统中，根撼输入变量和输出变量的个数，可分为单变量摸糊控 囊l 零多交量穰赣控割，一般熬是设诗擎交耋筷粳控秘。 般的单变量模糊控制器的示意图如图2 4 所示，图中列出了三种模式。 ( 1 )维模糊控制器 输入是一缳，辕出氇爨一维。其语意表这形式为 i fat h e nu 第二章模糊控制综述 9 一维模糊控制器的输入变量往往选择为受控量和输入给定的偏差量e ，所能 获得的系统动态性能不能令人满意。往往被用于一阶被控对象。 ( 1 )输入 ( 2 ) 输入l 输入2 ( 3 ) 输入1 输入2 输入1 模糊关系r 模糊关系r ? 模糊关系r 输出 输出 输出 图2 4 单变量模糊控制器 ( 2 ) 二维模糊控制器 输入是二维，输出是一维。其语言表达形式为 i faa n dbt h e nu 二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差 e 和偏差变化c ，控制效果要比一维模糊控制器好得多，是目前采用较广泛的一 类。 ( 3 ) 多维模糊控制器 输入是多维的，输出是多维的。其语言表达形式为 i faa n db a n dnt h e nu 一般较少选用。 2 3 模糊控制器的自适应功能阳1 在复杂控制系统中，模糊控制器的自适应功能一直是设计者们追求的目标。 这是因为基本模糊控制器并不具有适应过程持续变化的能力，其语言规则和合成 1 0 昆明理工大学硕士学位论文 推理往往是确定的。在模糊控制规则的设计时，已隐含地假设过程不会产生超出 操作者经验范围的显著变化，从而使模糊控制器仅限于在操作者经验丰富的工况 下应用。模糊自适应控制器的设计遵循着以下两个目标： ( 1 ) 根据被控过程的运行状态给出合适的控制量，即控制能力； ( 2 ) 根据给出的控制量的控制效果，对控制器的控制决策进一步改善，以获 得更好的控制效果，即学习能力。 自调整因子模糊控制器是自适应模糊控制应用于实时控制中最有效的手段， 不仅在方法上有了许多迸展，同时也在实践中取得了成功的应用。 在模糊控制器结构中引入自学习功能，使模糊控制系统具有自我完善性，使 得模糊控制具有更高的智能性。自学习模糊控制器能够从外界环境和自身控制过 程中学习到足够多的相关信息，从而以这些信息为依据，通过辨识、聚类和决策， 生成新的控制规律，以便改进系统的静态和动态性能。 将神经网络和模糊控制相结合，构成模糊神经网络系统( f n n s ) ，是当前 颇受人们关注的研究方向。两者均无需依赖于被控对象模型，其学习和推理功能 十分类似于人类学习和知识推理过程。模糊控制器采用模糊推理规则，以模仿人 在不确定环境下的决策行为，但要从经验中自动产生规则，并修改其控制决策的 自学习功能较为薄弱，而神经网络的引入为模糊控制器提供了良好的学习功能， 为模糊控制系统增强了学习功能，二者的结合有效地推动了自学习模糊控制的发 展。 模糊控制的实质是模仿人的智能和经验，其控制规则实际上是将这些人的思 维活动和经验加以总结整理，形成以语言和模糊数学描述的控制策略，设计一个 “模糊控制器”，达到用机器代替人对复杂的工业过程进行控制。 第三章锅炉燃烧过程的机理及控制目标 第三章锅炉燃烧过程的机理及控制目标 3 1 锅炉的构造及工作过程 图3 1 为工业锅炉的结构原理图，它主要由以下几部分组成。 l 、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，因两管 簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒里面。 2 、炉膛j 是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料由3 料斗落在转动的 链条炉筚上，进入炉内燃烧。所需的空气由炉筚下面的风箱送入，燃尽的灰渣被 炉筚带到除灰口，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，由烟囱排至大气。 叠_ i 1 i ，j玉蝻馐 。 j 、 k 熙 j邕 易 脚g 溺 啊毒甜一卜 l l l、7 弋m 。口囊 图3 1 锅炉设备简图 l 、锅筒：2 、链条炉排；3 、过热器：4 、省煤器； 5 、空气预热器；6 、除尘器：7 、引风机；8 、烟囱； 9 、送风机；1 0 、水泵：1 l 、运蔗渣皮带；1 2 、料斗：1 3 、灰车 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。 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：是继续利用离丌省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需 昆明理工大学硕士学位论文 要的空气的换热器。通常，大、中型锅炉均设有空气预热器，小型锅炉为力求简 单，一般不采用空气预热器。 为保证锅炉正常工作，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、烟道口部分，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：由送风机和风道所组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。 3 、给水设备：由给水泵和给水管路所成，给水泵系用来克服给水管路与省 煤器的阻力和锅筒的压力，把给水泵送入锅筒。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：其作用为清除水中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，从而提高锅炉的经济性和安全性。 5 、燃料供给设备：其作用是保证锅炉所需燃料的供应。 6 、除灰尘设备：除灰尘设备是收集锅炉灰渣并运往贮灰场地的设备。除灰 尘设备是除去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染的设备。 锅炉最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分。锅炉的工作过程为：燃料在炉膛 里进行燃烧，将其化学能转化为热能；高温的燃烧产物一一烟气，通过汽锅受热 面将热量传递给气锅内温度较低的水，水被加热，进而沸腾汽化，生成蒸汽。所 以，锅炉的工作过程概括起来应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。 锅炉的控制主要分为两大部分：燃烧控制系统和汽包水位控制系统。汽包水 位一般采用三冲量控制，而且能达到较好的控制效果。锅炉的燃烧过程，是一个 多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统，较难控制，糖厂的锅炉 燃烧过程，因其燃料和用汽的特点使得过程更为复杂，因此本文重点研究了锅炉 的燃烧过程控制。 3 2 锅炉燃烧过程机理训 锅炉汽包蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被调量，引起蒸汽压力变化 的因素有很多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况的变 化原因。它受到的主要扰动分为内扰( 燃料的变化) 和外扰( 蒸汽流量的改变) 。 以蒸汽压力作为被调量的燃烧过程示意图如i 笃3 2 所示。 第三章锅炉燃烧过程的机理及撩制目标 图3 2 以锅炉汽压为主参数的燃烧过程示意圈 其中+ 一一燃料调节阀开度b 一一燃料爨 。一一遴风萱q 一一妒建发热燕 f 卜一给水量尸一一汽包出口蒸汽臌力 肛一一蒸汽流堂肘矗一一用汽设备调节阀歼度 1 内魏符瞧 锅炉在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发嫩变化，则炉麟发热量立即改变。 蕊蒸发量部分可以看传愚一个储热爨懿容器，反姨髅热量多少瓣主要参数蹩汽包 压力r 当妒艟发热量q 和蒸汽流鬣d 所带走酌热量不相等时，汽包压力p 就要 发生变化，其关系式为： q d = c 警 ( 3 i1 ) 其中： 卜一零位时闻内锅炉炉膛发热爨； 扣一蒸汽流量( 蠲热量表示) ； 卜一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； 。d p 一一锅炉汽包鹾力时间的变化率。 讲 ( 1 ) 蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供汽条件有关，如果用汽量口不变， 露懋辩量羧交产生内撬瓣，蒸汽基力减积分囊簿交往，蒸汽蘧力变琵静输获反应 曲线如图3 3 所示。 1 4 昆明理工大学硕士学位论文 图3 3 蒸汽流量不变时，燃料量阶跃扰动响应 图3 4 蒸汽调节阀开度不变时 燃料量阶跃扰动响应 ( 2 ) 若用汽设备的调节阀开度不变，则随着汽压p 的升高，蒸汽流量也将 增加这时蒸汽压力成指数规律变化，它的反应曲线如图3 4 所示。当蒸汽流量 带走的热量等于燃料增加的热量时，蒸汽压力又在新的数值上稳定下来，系统达 到新的平衡。 燃料量改变时蒸汽压力的动态特性存在较大滞后，而从时间上来说，炉膛 温度比蒸汽压力超前得多，所以本文采用以炉膛温度为副控参数，以蒸汽压力为 主控参数的串级控制系统。根据以往研究者的经验，我们可以把炉膛温度模型近 似为： 第三章锅炉燃烧过程的机理及控制目标 邺) = 器= 志e 邓 ( 3 2 ) 式中，五一一增益系数； 五惯性时间常数： f l - - 纯滞后时间常数。 对式( 3 1 ) 进行拉氏变换，得“”： = 菇= 击 c s - s ， 因此锅炉的蒸汽压力对象可用单容积积分环节与纯滞后( 传递滞后) 环节 的串联表示。 2 外扰特性 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。 d d o 尸 p o 图3 5 负荷设备蒸汽阀门开度阶跃变化， 锅炉汽压的反应曲线 ( 1 ) 若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，其 反应曲线如图3 5 所示。当突然丌大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量口 昆明理工大学硬士学位论文 立即增加, d o ，但是，由于燃料量没有增加，汽包压力逐渐下降，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。至于阀门开度胁增大后短 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。 ( 2 ) 当负荷设备蒸汽用量突然增加时，汽包蒸汽压力的反应曲线如图3 6 所 示。当蒸汽流量增加时，汽包蒸汽压力则下降，如果蒸汽流量继续保持增大后的 数值，由于燃料量没有增加，热量不能平衡，所以蒸汽压力一直下降，直到改变 燃料量使其产生的热量与蒸汽流量相平衡时，才能恢复保持锅炉的蒸汽压力。 d 图3 6 蒸汽流量阶跃变化 锅炉蒸汽压力的反应曲线 3 送风和引风扰动下的动态特性 上面主要讨论了燃烧控制系统的汽压被控对象的动态特性。为了保证锅炉的 经济、安全燃烧，还要考虑在送风和引风扰动下的动态特性。由于目前没有直接 测量燃烧经济性指标的手段，只能近似认为只要送风量、引风量随时与燃料量保 持适当的比例就能保证。当送风量或引风量单独改变时，炉膛压力变化的惯性很 小，因此，这些扰动的动态特性可近似认为控制对象是一个惯性很小的环节，或 者认为是比例环节。炉膛压力控制通道的传递函数可描述为：一垒d 。一， 7 j s + 1 送风干扰通道传递函数可近似为；墨。一s 。 第三章锅炉燃烧过程的机理及控制目标 1 7 3 3 燃烧控制的目标伸1 通常将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系统，输入量为燃料量、送风量和引 风量；输出量为主蒸汽压力、炉膛温度和炉膛负压。同时，还存在着错综复杂的 扰动参数，包括蒸汽流量扰动和燃料品质扰动等，这些参数互相作用如图3 7 所示。在实际控制系统中，通常将系统简化为三个子系统：燃料控制系统、送风 控制系统、引风控制系统。 燃蒸 料汽 燃料量 送风量 引风量 蒸汽压力 炉膛温度 炉膛负压 图3 7 燃烧系统输入输出关系示意圈 锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应蒸汽负 荷的需要，同时又要保证锅炉安全经济运行。每台锅炉燃烧过程的具体控制任务 及控制系统的选择因实际应用情况而有所差别，燃烧控制系统的任务归纳起来有 以下几个： ( 1 ) 维持蒸汽母管压力稳定。蒸汽压力反映了锅炉在运行过程中的能量平衡 和物料平衡的状况，所以，蒸汽压力调节系统除了安全的目的之外，主要起定值 负荷调节作用。当锅炉负荷增加，压力就下降，这时，就得增加燃料的供应量以 保持能量的平衡；反之亦然。 ( 2 ) 保证空燃比。当燃料量变化时，必须相应的调节送风量，使风量与燃料 相匹配。如果比值不当，空气不足导致燃料的不完全燃烧：空气过多会使大量的 热量损失在烟气中，使燃烧效率降低。 ( 3 ) 保证一定的炉膛负压。送风量发生变化时，必须相应地改变引风量，以 保证炉膛负压在一定范围内。炉膛压力的高低，关系锅炉的安全运行，负压过小 炉膛向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生；负压过大，炉膛漏风量增大， 则会造成风机耗电量增加，排烟热量损失增加。 一台锅炉燃烧系统的这三项控制任务是不可分丌的，町以用三个调节器控制 昆明理工大学硕士学位论文 三个调节变量( 燃料量及送风量k 引风量占) ，以维持三个被调量( 蒸汽压力 只过剩空气系数口或最佳含氧量o ：或炉膛火焰中心的温度，和炉膛负压s ) 。 三个控制系统互相协调不可分割。 第四章锅炉燃烧过程模糊控制系统的设计 第四章锅炉燃烧过程模糊控制系统的设计 1 9 上一章分析了锅炉燃烧过程机理和控制目标，现设计锅炉燃烧过程模糊控制 系统。 4 1 燃料控制系统 4 1 1 系统控制方案m 川删 、 燃烧系统是一个具有强干扰、非线性、时变的过程，所建立的数学模型是不 精确的，而且蒸汽压力对象滞后较大，燃料量的变化到主蒸汽压力的变化回路存 在时滞，该时滞的大小随负荷状况的变化而变化，这些因素给控制带来不少困难， 常规p i d 算法对这种大滞后、时变系统是很难奏效的。 工业锅炉大多沿用测量蒸汽压力来调节送风量和给燃料量。由于这种方法纯 滞后太大，给控制系统达到良好特性带来许多困难。从时间上来说，炉膛温度比 蒸汽压力对燃料量变化的响应超前得多，因此，可以把炉膛温度与蒸汽压力串级， 组成热负荷控制系统。 模糊控制器由于具有较强的鲁棒性，因而在控制数学模型不精确的情况下， 常常得以采用，但常规二维控制由于缺少积分作用，稳态性能不太好。为使系统 具有较好的动态性能和稳态性能，提出一种带参数自调整的模糊控制器，作为主 蒸汽压力调节器，用常规p i 控制器作为炉膛温度调节器，形成一个模糊p i 串级 控制系统。如图4 1 所示 幽4 1 燃料控制系统方框图 蒸汽压力对象的主要干扰是蒸汽流量的变化( 外扰) 和锅炉燃料的变化( 包 昆明理工大学硕士学位论文 括燃料量，燃料所含水分、可燃物质等的变化，统称为内扰) 。在燃料扰动时， 送风和引风同时协调动作，以保证系统的安全运行。由于炉膛温度信号能及时反 映燃料的扰动，所以引入温度调节器，以克服内扰的影响，并很快消除扰动，基 本不会因燃料的扰动造成主蒸汽压力的波动。 4 1 2 基本模糊控制器的设计i l 4 1 2 1 模糊控制器的结构 一般来说，模糊控制器的维数越高，控制精度越高，但维数过高，会使控制 规则变得复杂而导致算法实现困难。本文选用最常用的二维模糊控制器，即输入 变量为偏差e 和偏差变化量c ，系统框图如图4 ：2 所示。 图4 , 2 基本模糊控制系统 图中， e = y - r 一一主汽压偏差 y 一一主汽压测量值；r 一主汽压给定值。 c ：墨= 墨= ! 一一偏差变化率。 ，j 一，一l e 一一本次偏差；巨一一一上次偏差； ，一一本次时间；t t _ l 一上次时间。 4 1 2 2 确定模糊输入和输出变量的值 一般包括两个部分的内容：选择描述输入输出变量的词集及定义各模糊变量 的模糊子集。 ( 1 ) 选择描述输入输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入、 输出变量状念的一些词汇的集合，称为这些变量的词集。选择词汇较多，可以使 制定控制规则方便，但是控制规则相应变得复杂；选择词汇较少，使得描述变量 第四章锅炉燃烧过程模糊控制系统的设计 变得粗糙，导致控制器的性能变坏，本文选择描述偏差、偏差变化率和控制量的 词集为： n b ，n m ，n s ，o ，p s ，p m ，p b 其中，n b ，n m ，n s ，o ，p s ，p m ，p b 分别表示负大、负中、负小、零、 正小、正中和正大。 输入、输出变量可以用模糊集合来表示，因此模糊概念的问题就直接转化为 求取模糊集合隶属函数的问题。 ( 2 ) 定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确 定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，就构成了一个相应的 模糊变量的模糊子集。 对于模糊化过程而言，隶属函数的形状起着重要作用，它代表着人在思维过 程中将现实的精确量转化为语言变量的直觉过程。从统计学分析，正态分布隶属 函数体现人的直觉推理方式，因为人们对客观事物的判断往往沿用正态分布的思 维特点，应用于实时控制中的模糊控制器往往采用正态分布的隶属函数。 图4 3 输入量e 的隶属函数 幽4 4 输入封c 的隶属函数 昆明理工大学磺士学位论文 图4 5 输出量u 的隶属函数 本文的模糊控制采用的隶属函数如图4 3 图4 4 和图4 5 所示使用m a t l a b 的模糊逻辑工具箱很容易实现。 正态分布隶属函数的数学描述形式如下： 埘 ，、 2 一例= 8 “o 其中，c 为隶属函数t 。o ) 的中心值，i l i i 1 i , 点c 是g ) 中唯一的隶属度值为l 的 点，这是因为在定义模糊子集时要使论域中任何一点对这些模糊予集的隶属度的 最大值不能太小，否则会在这样的点附近出现不灵敏区，以至于造成失控， 使得模糊控制系统性能变坏。oo 的大小直接影响隶属函数曲线的形状，而隶属 函数曲线的形状不同会导致控制特性的不同，当oo 较小时，模糊子集的隶属函 数曲线形状较尖，其分辨率较高，控制灵敏度也较高；当o 。较大时，隶属函数 曲线形状较缓，其控制特性也较平缓，系统稳定性较好。 用1 3 来描述两个模糊子集之间的影响程度即 b ) = ，f + i b ) = b 当1 3 值较小时控制灵敏度较高，而当b 值较大时模糊控制器的鲁棒性较好， 即控制器具有较好的适应对象特性参数变化的能力。6 值取得过大或过小都是 不利的，b 值过大时，造成两个模糊子集难以区分使控制的灵敏度显著降低。 本文选用1 3 值为0 4 - 0 8 之间。 本文采用2 2 1 1 所述的模糊化方法。主蒸汽压力偏差e 的基本论域为 一2 ，+ 2 k g f c m 2 ，首先将e 量化，其量化论域为 一6 ，+ 6 ，把 一6 ，+ 6 问 变化的连续量分为七档，建立在 一6 ，+ 6 区白j 的离散化了的精确量与模糊量之 间的关系表，如表4 1 所示。同样可以建立表4 2 、表4 - 3 ，分别表示偏差变化 第四章锅炉燃烧过程模糊控制系统的设计 2 3 量c 、控制量u 在区问卜6 ，+ 6 、 - 7 ，+ 7 离散化了的精确量和模糊量的关 系。 表4 - 1 模糊变量e 的赋值表 e一6- 5- 4- 3- 2一l o+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 n b1 oo ，6 10 1 4 n mo 1 10 5 81 o 0 5 8o 1 l n s 0 5 41 o0 5 4 00 4 81 o0 4 8 p s0 5 41 00 5 4 p mo 1 l0 5 81 o0 5 80 1 l p b0 1 40 。6 11 0 表4 - 2 模糊变量c 的赋值表 c一6- 54- 3- 2一l0+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 nl - o0 6 l0 1 4 n0 5 41 o0 5 4 n0 4 8l o0 4 8 00 3 61 oo 3 6 p0 4 81 o0 4 8 p0 5 41 0o 5 4 p0 1 40 6 l1 0 表4 - 3 模糊变量u 的赋值表 u一7- 6532一lo+ l+ 2+ 3+ 5+ 6+ 7 n b 1 o 80 4 n m0 20 71 0 70 2 n s0 10 61 0 6o 1 0o 00 51 o 5o o p so 1o 61 0 60 1 p m0 2o 71 o 70 2 p b0 ，80 41 4 1 2 3 建立模糊控制器的控制规则 模糊控制器的规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学 习、实验、经验而逐渐形成的，存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动 控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者再根据已有的经验和技术知 识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使得系 昆明理工大学硕士学位论文 统达到预期的目标。 用于主蒸汽压力模糊控制器的推理由一套线性规则构成，表示为： i f e i se la n d c i sc j t h e n u i s u ( i + j ) 其中，e i 代表“主汽压偏差”的模糊集，c i 代表“主汽压偏差变化量”的模 糊集，u ( i + j ) 代表“输出量”的模糊集。 以上规则的构造基于实际过程中如下阶跃响应特征：若主汽压快速远离设定 点，则施加大的控制量以控制输出量返回设定点；当主汽压离设定点较近且正在 快速靠近设定点，则需要较小的控制输出信号。输入量e 和c 对于决定输出量 具有等同的重要性。输入输出变量间的关系采用线性关系，因为线性关系代表着 操作人员操作过程的一般思维方式。以上的规则用语言形式表示为： 如果“主汽压偏差”为“负大”，且“偏差变化量”为“负大”，则“输出量” 为“正大”； 如果“主汽压偏差”为“负大”，且“偏差变化量”为“负中”，则“输出量” 为“正大”： 等等，共4 9 条语句，全部规则见表4 4 。 表4 - 4 主汽压模糊控制器的模糊控制规则表 cn bn mn sop sp mp b e u n bp bp bp bp bp moo n mp bp bp bp bp mo0 n sp mp mp mp m0n sn s op mp mp son sn mn m p sp sp son mn mn mn m p m0on mn bn bn bn b p bo0n mn bn