（机械电子工程专业论文）基于plc的沥青拌合设备煤粉燃烧器控制系统研究.pdf

摘要 由于近年来燃油的价格持续上涨 道路施工中生产沥青混合料成本的比重加大 通过比较 发现燃煤比燃油更经济 因此希望通过技术上的改进使燃油改燃煤技术在工 程上得到应用 从而降低成本 基于目前大多数燃烧器仍处于能耗高 浪费大 环境污 染严重等生产状态 本文提出采用先进的燃烧控制方案 运用自动化控制技术设计控制 器 以达到提高燃烧器的燃烧效率 降低燃烧对环境造成的污染的目的 本文研究的重点有两个方面 其一是适用于煤粉燃烧过程的控制规律和控制算法的 设计与实现 具体讨论了模糊算法 p i d 算法及工程实现 着重对模糊逻辑控制 p i d 算法进行深入研究 并提出一种模糊p i d 控制器的设计 该控制器把模糊控制与p i d 控制有机结合起来 实现对控制系统的参数自整定 而且还通过仿真对设计和结果进行 分析 其二是设计了以s 7 2 0 0 p l c 作为核心的控制系统 可实现数据采集 数据处理 等功能 详细介绍了硬件和软件设计 完成了相关设备的选型 并介绍了一些工程上实 用的抗干扰技术 本论文工作注重理论与工程实际的结合 并在此研究过程中取得了比较全面的资节 料和数据 积累了设计经验 为类似的燃烧器研究打下了良好的基础 关键词 沥青拌合设备 煤粉燃烧器 控制系统 p l c a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s t h ef u e lo i lp r i c er o s ec o n t i n u a l l y s ot h a tt h ec o s to ff u e lw h i c hu s e d t ow a r n la s p h a l ti s g e t t i n gl a r g e ra n dl a r g e r a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o n w ed i s c o v e r e d b u r n tc o a li sm o r ee c o n o m i c a lc o m p a r e dt ot h ef u e lo i l t h e r e f o r ew eh o p e dt h i st e c h n o l o g y c a nb ea p p l i e di nt h ep r o j e c tb yi m p r o v e m e n t w h i c hc a nr e d u c et h ec o s t a tp r e s e n t m o s to f t h eb u r n e r sa r ea tt h es t a t eo fh i g hf u e lc o n s u m p t i o na n ds e r i o u sp o l l u t i o ni nc h i n a i ti s i m p o r t a n tt oi m p r o v eh e a te f f i c i e n c yo ff u r n a c ea n db r i n gd o w nt h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h et a r g e to fm yt h e s i si sm a i n l yt od e s i g nt h ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mo fb u r n e rw h i c h b a s e do nt h ea d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt w op o i n t s f i r s t l y t h ec o n t r o la l g o r i t h ma n dc o n t r o ll a w so ft h e s y s t e mw e r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d w ed i s c u s s e dt h ef u z z ya l g o r i t h m t h ep i da l g o r i t h ma n d t h ep r o j e c tr e a l i z a t i o ns p e c i f i c a l l y ad e s i g nm e t h o do ft h ef u z z y p i dc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d h e r e t h i sc o n t r o l l e rc o m b i n e sf u z z yc o n t r o lw i t hp i dc o n t r o l p e r f o r m st h ep i dp a r a m e t e r s s e l f t u r n i n gi nt h ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y t h ee m b e ds y s t e mw i mt h ec o r eo f 7 2 0 0 p l ci s d e s i g n e d i tm i g h tr e a l i z ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n d a t ap r o c e s s i n ga n ds oo i l t h es y s t e m i n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n dt h es o r w a r ed e s i g ni nd e t a i la n dc o m p l e t e dt h ec o r r e l a t i o n e q u i p m e n ts h a p i n g a n ds o m ep r a c t i c a lm e a s u r e so fe m b e d d e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ep r e s e n tw o r kw a sc l o s e l yc o n n e c t e dt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n a n dd u r i n gt h e r e s e a r c h w eg o tt h eg e n e r a ld a t aa n di n f o r m a t i o nw h i c hc a nb eu s e db yt h es t u d yo fo t h e r b u r n e r k e yw o r d a s p h a l tm i x i n ge q u i p m e n t c o a lb u r n e r c o n t r o ls y s t e m p l c i i 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 夏礞 云 川 年 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 夏淋云 秽历1 7 讼苞年j 只 日 沙8 年r 只 6 日 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沥青拌合设备燃油改燃煤技术的现状 1 燃油改燃煤的原因 液体燃料的主要优点是发热值高 废物含量少 没有灰分 燃烧的热效率高 并且 可以得到近似于气体燃料稳定的火焰 相比较而言 煤的发热值较低 火焰不稳定 温 度不易控制 但是煤有一个很大的优点 就是价格便宜 特别是近年来燃油的价格持续 上涨 再加上国家征收燃油税的政策即将实施 燃料成本的比重会近一步加大 这就给 企业特别是工程施工单位提出了一个非常重要而又十分现实的问题 即能否通过技术上 的改进使燃油改燃煤技术在工程上得到应用 从而降低成本 l 3 7 1 2 燃油改燃煤技术的经济分析与发展现状 以l b l 0 0 0 型沥青拌和机为例 该拌和机每小时生产混合料8 0 吨 每天生产1 0 食 小时1 柴油的价格按每公斤5 元 重渣油的价格按每公斤3 元 优质煤价格按每公斤0 6 元 每生产一公斤混合料需要燃烧柴油7 公斤 燃烧重渣油6 5 公斤 燃烧煤1 2 公斤 电费按0 9 元 度 进行经济对比 1 1 柴油燃烧器 燃料柴油费用 8 0 t hx1 0 h 7 k g t 5 元 k g 2 8 0 0 0 元 所耗电能费用 1 5 k w x1 0 h 0 9 元 k w 1 3 5 元 每天费用总和 2 8 0 0 0 元 1 3 5 元 2 8 1 3 5 元 设备采购成本 13 0 0 0 0 元 重渣油燃烧器 燃料重渣油费用 8 0 t h 1 0 h 6 5 k g t 3 元 k g 1 5 6 0 0 元 所耗电能费用 1 5 k w 1 0 h 0 9 元 k w 1 3 5 元 每天费用总和 1 5 6 0 0 元 1 3 5 元 1 5 7 3 5 元 设备采购成本 18 0 0 0 0 元 煤粉燃烧器 燃料煤费用 8 0 t h 1 0 h x1 2 k g t 0 6 元 k g 5 7 6 0 元 所耗电能费用 5 5 k w 1 0 hx0 9 元 k w 4 9 5 元 每天费用总和 5 7 6 0 元 4 9 5 元 1 6 0 元 人工费用 6 4 1 5 元 第一章绪论 设备采购成本 9 8 0 0 0 元 综合考虑购置成本及运行费用等各方面因素 煤粉燃烧器是三种燃烧器中经济性最 好的 见表1 1 所示 目前此项技术在沥青公路的养护与施工中应用前景看好 经济效 益显而易见 即使投资新购一套燃煤装置与机械设备依然合算 表1 1 采用不同燃烧器的经济性对比 燃烧器名称每天费用合计 元设备采购成本 元 煤粉燃烧器 1 59 8 0 0 0 重渣油燃烧器 1 5 7 3 51 8 0 0 0 0 柴油燃烧器 2 8 1 3 51 3 0 0 0 0 经过近几年的努力 燃油改燃煤技术已经取得了十分成功的经验与明显的经济效 益 实践证明 这种燃油改燃煤技术的应用具有良好的经济效益和广泛的应用前景 尤 其在费改税燃料提价后 则更显示出燃煤技术的优势 目前 燃油改燃煤工程现己被国 内外很多企业认可和接受 并且在改造过程中根据不同企业 不同装置的不同特点 做 出适合本企业的创新设计 有利于设计改造工作的一次成功 一步到位1 2 4 在很大程度 上降低了生产成本 提高经济效益的同时也加强了企业在市场上的竞争力 1 2 燃煤燃烧器燃烧控制策略研究现状 燃煤燃烧器燃烧控制主要是采用合理的控制策略 使炉膛内的煤粉尽可能完全燃 烧 并且保证出口温度在一个稳定的 符合工艺要求的范围内 国际上从2 0 世纪7 0 年 代就开始了燃烧器计算机控制的研究 我国在这方面起步比较晚 从8 0 年代初才开始 这方面的研究工作 但近十年来 由于计算机技术及智能控制技术的迅速发展 燃烧器 计算机控制的应用日趋广泛 控制水平有了明显提高 在传统的燃烧控制系统中 处理燃料与空气的关系通常采用配比调节 由于燃料与 空气调节回路的响应速度不一致 所以这种配比关系难以保证燃料的最佳燃烧 特别是 在燃烧负荷发生变化的情况下 更无法保证最佳配比了 8 1 0 近年来 随着计算机的广泛应用和人工智能技术的迅速发展 出现了一种以人工智 能 控制理论和计算机科学为基础的新型控制技术 智能控制 9 1 智能控制不仅为传 统控制理论和方法带来了新的生机 也为解决燃烧器控制领域内的难题 摆脱了常规数 学模型的困境 突破现有控制理论的局限性 开辟了一条新的途径 传统的以数学模型 2 长安火学硕士学位论文 为基础 p i d 加反馈控制为主的经典控制方式 已经无法适应今后工业竞争的要求 智 能控制从人工智能的角度出发 充分重视大量定性的先验知识 采用模糊 推理 逻辑 的知识库和推理方式 通过离线训练在线学习 建立起智能动态控制系统 以取代传统 的控制器 将智能控制技术应用于工业过程控制 能继承熟练工人的操作经验 并解决 传统工艺理论 控制理论建立的数学模型无法适合非稳定工况的问题 在异常情况下也 能v 1 z 慢好的控制 从而可以大大提高燃烧器控制过程的快速性和控制精度 保证控制过程 的稳定性 本文采用了p i d 控制与模糊控制相结合的控制方案 因为燃烧器是一个比较复杂的 被控对象 具有很大的不稳定性 对于这样一个惯性大 纯滞后 参数时变的非线性对 象 采用常规的p i d 控制器一般很难实现对其快速有效地精确控制 而自适应模糊p i d 控制在温度控制系统中却得到了较好的应用 1 3 本文的主要工作 沥青拌合设备中 燃烧控制器是该设备的核心部分 本课题是根据燃煤燃烧器设计 燃烧控制器的 以前加热设备温度控制精度差 能耗大 热效率低 环境污染大而且其 燃烧控制是靠工人的实际经验和习惯来操作的 因此 需要采用自动化技术对加热设备 进行改造 其主要任务是保证燃烧器的安全 稳定 经济运行 减轻操作人员的劳动强 度 实现燃烧器燃烧过程的自动控制 本课题主要进行燃烧器的硬件设计和软件开发 整个控制系统的调试以及燃烧控制 系统相关设备的选型 具体内容有 1 控制方案设计 分析燃烧器的结构 提出模糊控制与p i d 有机结合的控制方案 并且对控制算法 进行仿真研究 2 燃烧器控制系统硬件设计 根据被控对象的变化范围和要求的控制精度 以及所采用的执行机构的参数和性 能 来选用合适控制设备 3 p l c 控制系统软件设计 根据燃烧器的工艺流程 列出程序的流程图 用梯形图编程 4 燃烧控制器的调试 采用了模块化程序设计方法 所以把程序分成若干个在功能上独立的较小的程序 3 第一章绪论 块 以便于编制和调试 最后将各程序模块连起来调试 4 长安大学碰 学位论立 第二章燃烧过程的控制系统 2 1 燃烧器系统介绍 2 11 燃煤燃烧器的结构组成及原理 燃煤燃烧器由燃煤炉和燃煤输送结构组成 主要功能包括 送风 喷燃 点燃时靠 人工点火 喷柴油引燃煤粉 当燃烧炉内温度达到煤粉自燃温度后 经后端喷出的煤粉 就会连续燃烧 此时可停止喷柴油 燃烧炉内的温度可达到1 2 0 0 c 左右 在出口处最高 温度可达到1 7 0 0 燃煤燃烧器有两种形式 带底火的燃煤燃烧器和不带底火的燃煤燃烧器 由于带底 火燃煤燃烧器需要提前点火烘炉以保持炉内温度 操作极为不方便 基本上已经被无底 火型取代 无底火形式不需要提前烘炉 但需要柴油引燃 不过预热时间很短的 般 3 5 r a i n 即可 6 1 由于煤中含有硫元素 而且其燃点较低 往往在燃烧炉内燃烧沉积结渣 易造成炉内风道堵塞 影响燃烧效果和火焰方向 为利于炉内沉渣的喷出 目前一方面 对燃烧炉的结构做避一步的改进 扩大出口直径 增加炉体转动 另一方面尽量选用 含硫量较低的煤做燃料 甘前国内常见的燃煤燃烧器是由燃煤炉 磨煤喷粉机 点火系统和电控柜组成t 6 7 i 见图2 1 图2 1 新型燃煤燃烧器外观图 1 燃烧炉主要是由炉头 炉膛 炉体和鼓风机等组成 它的作用是起预热及燃烧 煤粉用 并将火焰喷进干燥筒加热砂石料 一般一台燃烧炉配置一两台鼓风机 目前常 用的燃烧炉分为固定式和旋转式两种 旋转式炉体有利于粉煤灰畋出 炉头 炉膛烘烤 均匀 寿命提高 有的燃烧炉后部设计成能打丌的门 以便清渣 魏 第二章燃烧过程的控制系统 2 磨煤喷粉机是由供料系统 粉碎系统 喷粉系统 壳体和底座组成 它的作用 是将碎煤磨成粉 并将煤粉喷进炉里燃烧 通过调整供煤量 控制火焰大小 3 点火系统由点火器 油泵和油箱构成 用燃油点火及预热炉膛 以便煤粉燃烧 另外当冷骨料太湿时 可以补充火力 保证温度要求 4 电控柜由电流表 电压表 温度表 转速表及电器元件组成 它是燃烧器系统 的控制核心 有的燃烧器用变频器控制迸煤量 而不用调速电机控制 2 1 2 现行燃煤燃烧器存在的问题及解决办法 燃煤燃烧器总的来说能用 但是整体可靠性较差 热效率低 温度控制精度不高 因此在使用中存在下面一些问题 6 1 炉头 炉膛寿命短 通常是三个月 最短的一个月就烧坏了 2 火焰及温度不好控制 导致出口温度波动较大 3 燃烧设备排放的粉尘及烟的黑度经常超标 满足不了环保要求 4 燃烧器火力不够 导致设备生产能力大幅度下降 5 磨煤喷粉机粉碎叶片不耐磨 使用一段时间后 煤粉颗粒变粗 燃烧不完全 易 烧坏除尘器布袋 6 炉膛易结渣 每天必须清渣1 2 次 费工费时 针对以上问题 我们可以采取以下解决办法 6 1 使用耐高温材料或特殊配方材料 以延长炉头及炉膛的使用寿命 2 改进供煤结构 通过控制供煤量来控制火焰及温度 3 提高设备的密封性 通过控制风量来调整风煤比 使得燃烧器燃烧能充分进行 以提高燃烧器热效率 4 通过改进磨煤机的结构 来提高出煤量 5 提高粉碎叶片的耐磨性能 以延长磨煤机的使用寿命 6 改进炉膛结构 尽量使用含杂质少的煤 2 1 3 新型燃煤燃烧器 综合考虑现行燃煤燃烧器的优缺点 新型燃煤燃烧器应该是喷燃器和炉体分开 炉 体自旋转 磨煤喷粉机喷出的煤粉先进行过滤分离 将粗颗粒煤回收再粉碎 细颗粒煤 粉存放在储存仓内 通过调节供粉量来控制火焰大小 2 3 7 1 新型燃煤燃烧器见图2 2 6 长安大学硕士学位论文 进煤 一一 图2 2 新型燃煤燃烧示葸图 新型燃煤燃烧器采用微机控制 整机自动化程度高 通过采集石料温度 负压 炉 膛温度 排气温度 一氧化碳和氧含量等 来自动调整风煤比 以使得煤粉燃烧充分 燃煤燃烧器的热效率高 出料温度稳定 粉尘排放少 不冒黑烟 结渣少 整机可靠性 高 新型燃煤燃烧器控制系统示意图如下图2 3 新型燃煤燃烧器安装有火焰探测器 自动点火系统 使燃烧器操作及运行更安全可 靠 石料温度 干燥筒温度 炉膛温度 排气温度 一氧化碳 氧含量 c p u风煤比 图2 3 新型燃煤燃烧器控制系统示意图 2 2 燃烧器的基本控制方案设计 燃煤燃烧器燃烧过程控制系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统 燃烧方式以及 燃烧器与负荷的联结方式都有关系 但是燃烧过程的控制任务都是一样 归纳起来 燃 烧过程控制系统有三大任务 1 维持炉温t 当外部负荷改变时 必须改变燃料量与负荷的变化相配合 2 保证燃烧过程的经济性 即保持最佳空燃比口 当燃料量改变时 必须相应地 调节送风量 使它与燃料量相配合 保证燃烧过程有较高的经济性 7 第二章燃烧过程的控制系统 3 保证炉膛负压稳定 炉膛负压的高低关系着燃烧器的安全经济地运行 负压过 大 有引起炉膛爆炸的危险 负压过小 则会造成风机耗电量的增加 排烟热损失的增 加 燃烧调节系统一般有三个被调节参数 即炉温t 炉膛负压p 和最佳空燃比口 般也有三个调节量 它们是燃料量b 送风量a f 和引风量e g 燃烧调节系统的调节对 象对于燃料量 一般根据燃料种类不同可能是输送电机 也可能是燃料阀 本文的燃煤 燃烧器采用改变输送电机的转速来改变煤粉量 对于送风量和引风量一般是挡板执行机 构或者变频器 燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统 这种调节系统通常把它简化成互相联 系 密切配合但又相互对立的三个单变量系统来实现 为了便于分析 我们按三个系统 来分析 这三个系统分别是 1 以燃料量维持炉膛温度稳定的温度调节系统 2 以送风量维持燃烧器经济燃烧的送风调节系统 3 以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统 图2 4 为燃烧控制系统的组合方式示意图 8 9 下面分别对这三个子系统进行讨论 燃料量 b 送风量 a f 引风量 e g 图2 4 燃烧控制系统的组合 2 2 1 炉膛温度控制系统 炉膛温度主要由进入燃烧室的燃料量来调节的 当温度偏低时 增大燃料量 反之 则减少燃料量 由温度传感器检测炉膛温度 并把温度信号送给燃烧控制器 经过燃烧 控制器处理 输出燃料量指令儿 燃烧控制器输出的燃料量指令胁到实际进入燃烧炉 的燃料量b 之间 一般设置一个燃料量控制子系统 它的任务是通过改变电机的转速 使燃料量和燃料量指令 相适应 从而保持炉膛温度的稳定 燃料量控制子系统的核 8 长安人学硕士学位论文 心部分是一个燃料量指令觞为给定值 以电机转速 代表燃料量b 为被调量的单回路 控制系统 结构如图2 5 所示 8 9 1 图2 5 燃料控制子系统的基本结构 燃料量控制子系统在整个控制系统中 为一个内回路 而整个控制系统则为一串级 调节系统 设置燃料量子系统的目的之一就是利用它来消除燃料内部的自发扰动 改善 系统的调节品质 实际燃料量指令并不是直接采用胁 而是利用图2 6 所示的燃料指令生成的回路得 到的燃料量控制器的给定值 图2 6 中 总风量信号乘以比例系数k 转换成相应的 完全燃烧的燃料量的信号伤 和心一起通过小值选择器 二者中的小值通过小值控制 器 即得到实际燃料量 煤粉量 的给定值 小值选择器的作用是使给出的燃料能充 分燃烧 保持燃烧的经济性 因为燃料量调节器的参数是根据调节对象的特性定的 而 调节对象的增益会随给煤机投入的台数的变化而变化 故系统中设置了调节对象增益补 偿回路 8 1 0 1 l 图2 6 实际燃料量控制子系统示意图 为了保证燃料的充分燃烧 需要一定比例的空气 因而构成了燃料流量与空气流量 的比值控制系统 由于燃料流量是随温度变化而变化的 所以是主流量 与空气组成单 9 第二章燃烧过程的控制系统 闭环控制系统或双闭环比值控制系统 使燃料量与空气流量保持一定比例 可以得到很 好的燃烧 为了提高燃烧的经济性 按温度变化需要提降燃料量和空气量时 采用逻辑 比值提降 这样 就把负荷变化与燃料流量相配合的控制与空气流量的比值控制统一起 来 将燃烧控制组成一个整体的控制 使负荷增大需增加燃料流量时 先增加空气流量 反之先减燃料流量后减少空气流量 即所谓具有逻辑提降的比值控制系统 保证了充分 燃烧 提高了经济性 2 2 2 引风量控制系统 引风量控制系统的任务是负责控制吸出燃烧器的风量 保证一定的炉膛压力 炉膛 压力是实现燃烧器安全经济工作的一个重要参数 炉膛压力过高时 火焰就会从进 出 料口处大量冒出 不仅使大量有效热量散失 增加燃烧器的燃料消耗 而且也易烧坏炉 子的刚结构和炉墙钢板 降低炉子的使用寿命 同时 炉压过大引起的冒火还会导致劳 动环境的恶化 炉膛压力过低时 会吸入大量的冷风 不但增加炉子的热耗还会增加钢 坯的氧化烧损 甚至引起烧钢 因此必须对炉膛压力进行控制 引风控制系统的任务在 于调节烟道吸风机来改变引风量 维持炉膛压力一定 其主要的外部扰动是送风量 作 为调节对象 炉膛烟道的惯性很小 无论在内扰和外扰下 调节通道和扰动通道的特性 都可以近似地认为是一个比例环节 这是一类特殊的被控对象 简单的单回路控制系统 并不能保证被控质量 因为被调量的反应太灵敏以致会激烈跳动 考虑到该系统的被调 量 炉膛压力 反映了引风量与送风量之间的平衡关系 明显的改进措施是辅以前馈控 制 即在送风量改变的同时也改变引风量 为此组成前馈 反馈控制系统 利用前馈 控制克服主要干扰 送风量 利用反馈控制消除其它干扰 如图2 7 所示 图中 乓为 炉膛负压给定值 s 为实测的炉膛负压 q 为引风量 v 为送风量 由于炉膛负压实际 上决定于送风量和引风量的平衡 故当系统检测到干扰信号后 送风量 利用补偿器 发出前馈信息 引风量 作用于控制系统 以改善系统的调节性能 另外 由于调节对 象相当于一个比例环节 被调量反应过于灵敏 为了防止小幅度偏差引起引风挡板的频 繁动作 可设置调节器的比例带自动修正环节 使得在小偏差时增大调节器的比例带 对于负压s 的测量信号 也需要低通滤波 以抑制测量值的剧烈波动 8 一o 1 1 1 1 0 长安大学硕士学位论文 上 怔困 砖斟怔h 一 叫器盆蓑 一玲叫弧机f 叫炉膛卜 检测元件k 一j r 一 图2 7 引风量控制子系统 2 2 3 送风量控制系统 送风控制系统的工作好坏 直接影响炉膛的空气过剩系数的变化 也就是排出烟气 的含氧量 引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量配比 送风量扰动下对 象的动态特性具有较大的自平衡能力 几乎没有延迟和惯性 近似为一比例环节 而燃 料量扰动时 需要经过输送和燃烧过程而略有延迟 那怎样才能保证风量和燃料量的搭 配适宜呢 这里引入风煤比这个概念 风煤比就是在当前风量下所能燃烧的煤的最大 值 在控制系统中 风煤比主要根据当前风量来限制输送机的转速 防止由于风量不够 导致煤不能充分燃烧 该参数对节约煤和环保都有意义 因为如果不能充分燃烧煤粉将 会导致煤渣的含炭量增高 这样比较浪费煤 同时还会造成烟气含炭量增高 影响排放 为了使燃烧器适应负荷的变化 必须同时改变送风量和燃料量 送风控制系统的最终任 务是达到最高的热效率 但热效率不能直接测量 因此通常采用间接的方法达到目的 燃烧器燃烧的经济性 主要反映在烟气成分 特别是氧含量和烟气的温度两个方面 通 常用烟气中的氧含量作为送风量的校正信号 烟气中各种成分 如氧气 二氧化碳 一 氧化碳和未燃烧的氧含量 基本上可以反映燃料燃烧的情况 目前采用的方法是 用烟 气中的氧含量 来表示 根据燃烧方程式 可计算出使燃料完全燃烧时所需要的氧量 并进一步计算出理论空气量4 而实际完全燃烧所需的空气量彳 较理论值4 大 即需 有一定的过剩空气量 但是过剩空气量不能太大 由于烟气的热损失占燃烧器损失的绝 大部分 当过剩空气量增多时 一方面使炉膛温度降低 另 方面使烟气热损失增加 8 1 但在实际应用中 不用过剩空气的绝对值 4 4 而是采用实际空气量4 与理 论空气量4 之比 第二章燃烧过程的控制系统 口 生 4 2 1 称为过剩空气系数 有时又称为空燃比 其数值用来衡量燃烧的经济性 8 1 根据燃烧理论 计算热效率采用正平衡 刁2 鲁 2 式中 刁 热效率 q 热负荷 口 燃料消耗量 幺 燃料热值 计算热效率采用反平衡 r 1 一q 2 一吼一吼一吼 式中 吼 l j j 烟热损失 毛 气体不完全燃烧热损失 吼 固体不完全燃烧热损失 吼 散热损失 在热损失中 g 只与燃烧器结构和保温状况有关 不受燃烧控制系统影响 是不可 控热损失 q 2 q 3 q 4 随空气过剩系数e l 的变化而变化 为可控热损失 是燃烧器燃烧控 制的关键 热效率与a 存在一定的数值关系 见图2 8 热 效 益 r l 区 图2 8 热效率与口数值关系图 1 2 长安大学硕士学位论文 在最佳燃烧区a 附近 燃料可充分燃烧 三项热损失之和最小 小于这一数值时 空气供应不足 吼 吼同时增大 热效率下降 为空气不足区 燃料不能完全燃烧 火 焰呈暗红色 并伴有黑烟 造成烟囱冒黑烟 并有大量c o 放出热损失较大 大于此数 值时 空气供应过量 燃烧火焰白炽挺直 多余的冷空气经过加热后从烟道逸出而带走 大量热能 使吼增大 热效率下降 同时还会产生 以 s o 等有害气体 污染环境 为空气过剩区 因此 高效率 低污染环境的燃烧完全取决于合适的空燃比 燃烧系数 的控制 就是将a 控制在最佳燃烧区 当燃料完全燃烧时 烟气氧含量与空气过剩系数之间有如下近似关系 口 2 1 1 2 1 一n o 2 3 式中k 烟气含氧量 送风量控制子系统实际上是采用以燃烧经济性指标 烟气含氧量 为被调量的单回 路控制系统 以氧含量测量信号作为送风控制系统的反馈信号 含氧量调节器仅接受氧 含量信号并与定值信号平衡 为单参数单回路控制系统 定值信号可将含氧量定在最佳 值 同时 送风调节器可采用比例型调节器 在因为燃烧器最佳含氧量是随负荷的增加 而减小的 适当的调节比例带 可保证燃烧器不同负荷工况下的静态匹配 使燃烧器在 最佳含氧量条件下经济运行 但是由于含氧量的测量具有较大的滞后 故一般采用串级 调节系统 送风量调节器和风机构成快速相应的内回路 含氧量调节器起校正作用 它 是串级系统的主调节器 使含氧量最终维持在给定值 目的是改善系统的动态性能 使 送风量和给煤量能够协调变化 8 a o 1 见图2 9 2 3 本章小结 图2 9 送风量控制子系统 b o k 本章介绍了燃煤燃烧器的结构组成及现行燃烧器存在的问题和解决方法 并对燃烧 1 3 第二章燃烧过程的控制系统 器燃烧过程的基本控制方案进行分析 详细阐述了炉膛温度 引风量和送风量三个控制 系统的原理及相互关系 其中还介绍了一种新型燃烧器的结构与控制方案 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章煤燃烧器燃烧控制方案设计及控制算法研究 3 1 燃烧系统过程自动控制方案设计 1 自动控制系统的方案 图3 1自动控制系统的方案框图 2 工作原理 煤气混合燃烧生成的热量加热原料 原料的温度有温度传感器检测 经过变送器把 它们变换成统一的标准信号 如4 2 0 m a 的直流电流信号 1 5 v 的直流电压信号等 然后再送入模拟量输入模块将模拟信号转换成数字信号 控制器的c p u 对此信号进行 处理后 与给定的输入信号进行比较 其差值作为控制器的输入信号 控制器对此信号 进行运算处理后 控制变频器的相应动作 从而控制电动机的正转及加 减速等功能 从而控制风机和给煤机的输出 最终达到控制给煤机的给煤量和给风量 使空燃比为最 佳值的控制效果 3 燃烧控制系统的工作任务 燃煤燃烧器燃烧过程自动控制的基本任务是使燃煤充分燃烧 达到节能的目的 同 时还要保证燃烧器安全经济的运行 燃烧控制系统的任务归纳起来有以下几个方面 维持炉膛压力恒定 风量与送风量相配合以保证炉膛压力恒定 控制炉膛压力使进出炉膛的空气量维持 平衡 一般以炉膛压力作为空气量平衡与否的控制指标 炉膛压力的高低关系着燃烧器 的安全经济地运行 负压过大 有引起炉膛爆炸的危险 负压过小 则会造成风机耗电 量的增加 排烟热损失的增加 保证燃烧器燃烧过程的经济性 当燃料量改变时 必须相应的调节送风量 获取最佳空燃配比 只有调节好空气和 燃料的配比 才能实现最佳燃烧 达到节约能源 提高热效率 到目前为止 燃烧器的 15 第三章煤燃烧器燃烧控制方案设计及控制算法研究 热效率不能直接测量出来 因此经常用一些间接的方法来判断燃烧效率 实现燃烧器自动点火 并确保点火时的空燃比例 提高点火的成功率 系统设计力求做到先进 可靠和操作简便 一台燃烧器燃烧过程的这几项任务是不可分开的 可以用三个调节器控制三个调节 变量 煤粉量 引风量 送风量 以维持三个被调量 炉膛负压 空气过剩系数 温 度 每个调节器控制一个被调量 三个控制系统互相协调不可分割 在分析和整定燃 烧过程自动控制系统时必须充分注意这个特点 8 o 3 2 模糊逻辑控制原理与p i d 控制原理 所谓的模糊控制是对无法精确建立受控对象数学模型的情况下 以人的控制经验作 为控制的知识模型 以模糊集合 模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的一种 智能控制 对于温度控制系统而言 将控制经验归纳为定性描述的一组条件语句 运用 模糊集合理论将其量化 使得控制器模仿温度的操作策略 即演变出以模糊集合理论为 基础的模糊控制器 3 2 1 模糊控制原理 圈 图3 2 模糊控制原理图 模糊控制系统主要由被控对象和模糊控制器两部分组成 被控对象可以是一种设备 或装置以及它们的群体 它们在一定的约束条件下工作以实现人们的某种目的 这些被 控对象可以是确定的或模糊的 单变量或多变量的 有滞后或无滞后的 也可以是线性 的或非线性的 定常的或时变的 以及具有强耦合和干扰等多种情况 对于那些难以建 立精确数学模型的复杂对象 更适宜采用模糊控制 模糊控制器是模糊控制系统的核心 它由输入模糊产生器 模糊决策机构 模糊规则库和模糊推理机 模糊消除器等部分 组成 见图3 2 模糊产生器的主要功能是实现精确量的模糊化 即将被控参数测量值 与设定值的偏差转化为模糊量 模糊决策机构是根据人工控制策略和规则进行模糊推理 的 控制算法的过程为 控制器经过采样获取被控制量的精确值 然后将此量与给定值 1 6 长安大学硕十学位论文 比较得到误差e 把误差信号e 进行模糊化处理变成模糊量 误差e 的模糊语言集合的 一个子集为e 再e 由和模糊控制规则r 根据模糊决策 得到模糊控制量u e r 为 了被控对象的精确控制 需要将模糊量u 转换为精确量 这 步为非模糊化处理 经 输出接口转换为模拟量送给执行机构 实现对被控对象的模糊控制 1 6 1 引 模糊控制算法的处理过程为 根据本次采样得到系统的输入量 将输入变量的精确 值变为模糊量 根据输入变量和模糊控制规则进行模糊判断计算出控制量 将得到的控 制量进行计算得到精确的控制量 3 2 2p i d 控制原理 p i d 控制是工程领域中应用最为广泛的一种基本控制方法 它的一般结构为 o 群p o k 弘 胁 k d 掣 3 1 式3 1 中 e 是偏差 即输出量与设定值之间的差值 u 是控制量 作用于被控对象 并引起输出量的变化 k 是控制器比例部分的增益系数 其控制效果是减少响应曲线 的上升时间及静态误差 但不能消除静态误差 k 是控制器积分部分的增益系数 其控 制效果是消除静态误差 局是控制器微分部分的增益系数 其控制效果是增强系统的 稳定性 减小过度过程时间 降低超调量 p i d 控制器的三个参数是互相关联的 因此 在控制器的设计中要综合考虑 1 5 对于比例 积分 微分回路的控制 有些控制系统只需要其中的一种或两种回路控 制类型 通过设置相关参数可选择所需的回路控制类型 如果只需要比例 微分回路控 制 可以把积分时间常数设为无穷大 此时积分项为初值m x 如果只需要比例 积分 回路控制 可以把微分时间常数置为零 如果只需要积分和微分回路 可以把回路增益 蜂设为0 0 在计算积分项和微分项时 系统把回路增益 当作1 0 在p i d 控制中 k p k 一般采用经验值作为初值 还有另一种方法就是基 于性能指标进行设计 1 5 1 方法如下 1由稳态误差确定积分增益系数k 设系统开环传递函数为g s 则p i d 控制系统的开环传递函数为 1 7 第三章煤燃烧器燃烧控制方案设计及控制算法研究 g g k 竭s g 心 3 2 如果系统g g 是含有n 个积分环节的n 型系统 通常n 0 1 2 则系统g g 为 n 1 型系统 即增加了系统的型次 若系统要求的稳态误差占 为不为0 的有限差 对于单 位反馈系统 有 气 姆s 幸而i 丽幸置g l 舢i m s 丽1 3 3 k m 吉 l 删i m 1 巧 等 髟s g g 脚s u k g g c 3 舢 由3 4 式可以求得k 2 由幅值穿越频率和相位裕度确定群 局 g o i o h 嘉 以秘 g 盹 5 由式 3 6 可得出 k p r e 局 生 彬 k p j w e k d 黑 堕 r e j 2 葫 等 m 3 6 设系统开环传递函数为g o r 冬 一e 一2 设稳态误差为o 1 穿越频率为4 r a d s 7 1 6 s 4 4 s 1 程序如下 e s s 0 1 g t f 5 1 6 4 4 1 i n p u t d e l a y 2 k i l d c g a i n g e s s w e 4 s y m sv n u m d e n t f d a t a c v n u m c p o l y v a l n u m j 木w c d e n c p o l y v a l d e n j 宰w c g j w c n u m d e n c t h e t a l8 0 5 0 水p i 18 0 1 8 k 安大学硕士学位论文 e j w c c o s t h e t a j 幸s i n t h e t a s u n l e j w c g j w c e p s j 牛k i w c k p r e a l s u m k d i m a g s u m w e g e t f k d k p k i 1 o b o d e g g 半g c 酣d k i 2 k p 5 8 5 9 k d 0 5 0 16 即可得出蜂 墨 玩的值 同时还可以从校正前后系统开环b o d e 图上判断系统 稳定裕度和幅值裕度是否满足系统控制要求 一般稳定的工程系统要求幅值裕度为 6 1 0 d b 相角裕度为4 0 6 0 如果不满足要求 可以稍微调整稳态误差和穿越频率 的值 3 3 模糊p i d 控制器的设计 p i d 控制由于结构简单 稳定性好 可靠性高 在工业控制中得到广泛的应用 然 而在燃烧器的温度控制中 被控对象具有非线性 时变性 滞后性等特点 而且温度控 制受到被控对象 环境和燃料等很多因素的影响 难以建立精确的数学模型 难以选择 控制器的参数 因此传统的p i d 控制器难以获得良好的控制效果 1 4 1 而模糊p i d 控制 是基于智能控制理论 并与常规p i d 控制有机结合 其优点是不要求掌握受控对象的数 学模型 而根据人工控制规则组织控制决策表 然后采用模糊推理的方法实现p i d 参数 一 k 局的在线自整定 不仅保持了常规p i d 控制系统原理简单 使用方便 鲁棒 性较强 控制精度高等优点 而且具有模糊控制的灵活性 适应性强等优点 l 模糊p i d 控制器 模糊p i d 控制器是以常规p i d 为基础 采用模糊推理思想根据不同的e 和e c 对p i d 参数进行在线自整定 控制器由两部分组成 即常规p i d 控制部分和模糊推理的参数矫 正部分 1 8 模糊p i d 控制器的结构如图3 3 1 9 第三章煤燃烧器燃烧控制方案设计及控制算法研究 设定 模 糊 推 理 图3 3 模糊p m 控制器的结构图 上图中e 为误差 e c 为误差变化率 e 1 为模糊后的误差 e e l 为模糊后的误差变化 率 比例系数 k p k p 但 e c 微分系数k a k d 怛 e c d 积分系数 k f k t 怛 e q f 其中怛 e c p 但 e c d e e c j 为模糊推理的结果 即参 数校正量 k p 1 5 k d k p l i k d 为参数的初值 本模糊p i d 控制器的设计核心是应用模糊集合理论建立参数k p l i k d 参数校 正量 与系统误差e 和系统误差率e c 之间的二元连续函数关系 并用不同的e 和e c 在 线自整定p i d 参数 2 模糊控制的输入 输出变量及其语言描述 根据p i d 参数自整定原则 用于p i d 参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的模 糊控制器 该控制器以误差e 误差变化率e c 为输入语言变量 而以k p l i k d 为输 出语言变量 各变量的模糊论域为 一6 5 4 一3 2 一1 0 1 2 3 4 5 6 各变量的语言值 为 n b n m n s z p s 肼 船 其考虑到对论域的覆盖程度和灵敏度 稳定性与鲁棒 性原则 各模糊子集采用三角形隶属函数 3 模糊控制规则 糊控制器的核心是 i f t h e n 形式的模糊控制规则 控制规则的选取直接 关系到系统控制性能的优劣 是设计的关键 p i d 控制中 q q 局具有以下特点 1 比例增益k p 增大 可以加快响应速度 减小系统稳态误差 提高控制精度 但是 过大会使系统产生超调 甚至导致不稳定 2 0 长安大学硕士学位论文 2 积分作用主要是消除系统静态误差 加强积分作用 有利于减小系统静差 但是k 过大 会加大超调 甚至引起振荡 3 微分作用可以改善动态性能 增大微分增益髟 有利于加快系统响应 使系统超 调量减小 稳定性增加 但对扰动敏感 抑制外扰能力减弱 若 过大 会使调节过 程出现超调减速 调节时间增长 反之 若 过小 系统响应变慢 稳定性变差 根据上述分析同时考虑到三个参数之间的相互影响和专家的经验 建立规则表如下 d s l 表3 1 模糊规则表 e c n bn mn szp sp mp b n b p b n b p bp b n b n sp m n m n bp m n m n bp s n s n bz z n m z z p s n m p b n b p sp b n b n sp m n m n bp s n s n mp s n s n mz z n sn s z z n s p m n b zp m n m n sp m n s n mp s n s n mz z s sn s p s n s n s p s z z p m n m zp m n m n sp s n s n s z z n sn s p s n sn m p m n sn m p m z p s p s r n m zp s n s zz z zn s p s zn s p s zn m p m z n m p b z p m p s z 2 bz z p sn s p s p s n m p s p sn m p m p sn m p b p sn b p b p b p 8 z p b p bz z p mn m p s p mn m p m p mn m p m p sn b p b p sn b p b p b 4 模糊p i d 控制器的设计及其仿真 根据系统的工艺要求 可选用由工控机和p l c s 7 2 0 0 组成集散控制系统 模糊 p i d 控制器的输入量为设定温度与实际检测温度的偏差e 和偏差的变化率e c 输出量为 实际检测温度 模糊控制策略在上位机 1 p c 上实现 传统的p i d 控制策略利用下位 机 p l c 实现 上位机的输出作为下位机的优化信号直接影响下位机控制信号的输出 而性能稳定可靠的p l c 作为下位机与执行机构相连 这种控制系统保证一旦上位机出 现故障 下位机仍能通过p i d 常规控制手段保证系统安全运行 1 构造f l s 编辑器 1 在m a t l a b 中键入f u z z y 命令进入模糊逻辑工具箱 此时模糊逻辑工具箱默认 建立的是一个单输入单输出的m a m d a n i 型推理系统 由于我们需要建立的是一个二输入 三输出的系统 因此需要添加一个输入变量和两个输出变量 在e d i t 菜单下选择a d d i n p u t 和a d do u t p u t 即可 单击l i s 编辑器g u i