锅炉燃烧控制系统仿真

1、计算机仿真期末大作业计算机仿真MATLAB课程设计报告学院： 自动化学院 专业： 自动化专业 班级： 2009211410 姓名： 朱海洋 学号： 09211954 2011年12月26日燃烧过程控制系统综合仿真摘要：燃烧锅炉的燃烧控制主要由三个子系统构成：蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控制系统。燃烧过程的仿真和其他仿真过程一样由系统辨识、稳定性分析、控制策略选择、参数整定和系统仿真等内容仿真。稳定边界法和试误法是常用的PID参数整定方法，尤其适合对PI控制器就行参数整定。关键词：燃烧过程 控制系统 Simulink PID目录一、题目背景11、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制

2、系统12、炉膛负压控制系统2二、方案要求3三、系统建模41、建立数学模型42、进行系统稳定性分析4四、控制系统参数整定61、燃料控制系统参数整定62、蒸汽压力控制系统参数整定73、空气流量控制系统参数整定84、负压控制系统参数整定9五、整定后各部分系统性能分析101、燃料控制系统102、蒸汽压力控制系统113、空气流量控制系统124、负压控制系统13六、控制系统Simulink仿真15七、系统鲁棒性分析16八、总结与体会17九、参考文献1717一、题目背景在许多的工业生产过程中燃烧都是必要的一环，如氧化铝生产过程中的燃烧问题、流化床生产过程的燃烧问题等。从燃烧角度来说，燃烧过程有燃油、燃煤、燃

3、气等区别。虽然燃烧应用场合和燃料各异，但对燃烧过程的控制都不外是燃料控制、温度控制、燃烧程度控制、安全性控制、节能控制。其中以燃油蒸汽锅炉最为典型。1、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统燃油蒸汽锅炉燃烧控制的目的是生产蒸汽供其它生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，后续环节对蒸汽的生产用量不同，反映在燃油蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。维持蒸汽压力恒定是保证生产正常尽心的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃烧产生的热量，而燃烧产生热量的调节通过控制所供应的燃烧量以及适当比例的助燃空气实现的。因此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据生产情况确定；燃烧量是

4、根据蒸汽压力确定的；空气供应量根据空气量与燃烧量的合理比值确定。燃烧炉蒸汽压力控制和燃烧空气比值控制系统的方案如图1、图2所示。FCFC锅炉燃烧系统FC蒸汽压力 锅炉蒸汽压力检测燃料K图1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统结构简图被控对象（燃料流量与蒸汽压力）被控对象（燃料流量）燃料流量调节器蒸汽压力调节器给定压力+ + - - -燃料流量检测与变换系统蒸汽压力检测与变换系统被控对象（空气流量）空气流量调节器+ 空气流量蒸汽压力-被控对象检测与变换系统图2燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统的方案2、炉膛负压控制系统锅炉炉膛负压力过小是，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失、影响设

5、备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空气比值，增加燃料损失、热量损失和降低热效率。保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果负压波动不太，调节引风量即可实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会较大，此时，经常采用的控制方案如图3，图4所示。FC炉膛负压 炉膛 负压检测锅炉燃烧系统送风量FC引风量图3炉膛负压控制系统结构简图送风对负压影响前馈补偿调节器送风量- +负压给定+引风调节器引风与负压关系 + + 炉膛负压负压测量变换 -图4炉膛负压控制系统框图二、方案要求某锅炉燃烧系统要求对系统进行蒸汽控制，控制系统简图如图

6、5所示。压力被控对象（燃料流量与蒸汽压力）被控对象（燃料流量）燃料流量调节器蒸汽压力调节器给定+ + - - -燃料流量检测与变换系统蒸汽压力检测与变换系统被控对象（空气流量）空气流量调节器+ 空气流量蒸汽压力被控对象检测与变换系统-送风对负压影响前馈补偿调节器送风量负压给定引风与负压关系引风调节器- + 炉膛负压+ + 负压测量变换图5控制系统框图三、系统建模1、建立数学模型（1）建立燃烧炉蒸汽压力控制和燃烧空气比值控制系统的数学模型。燃料流量被控对象：Gs=2/(13s+1)e-3s；燃料流量至蒸汽压力关系约为：Gs=3；蒸汽压力至燃烧流量关系约为：Gs=1/3;蒸汽压力检测变换系统数学模

7、型：Gs=1；燃料流量检测变换系统数学模型：Gs=1；燃料流量与控制流量比值：Gs=1/2；空气流量被控对象：Gs=3/(11s+1)e-2s；（2）建立炉膛负压控制系统数学模型引风量与负压关系：Gs=10/(7s+1)e-s；送风量对负压的干扰：Gs=2/(3s+1)；2、进行系统稳定性分析（1）绘制燃料被控对象Bode图，如图6所示： 图6燃料被控对象Bode图（2）绘制空气流量被控对象Bode图，如图7所示： 图7空气流量被控对象Bode图（3）绘制引风量与负压关系Bode图，如图8所示： 图8 引风量与负压关系Bode图（4）总结由图3.1可知，无调节器时，燃料控制系统开环稳定，复制稳

8、定裕量为11.4dB，相位稳定裕量为97.1，对应增益为3.72 。由图3.2可知，无调节器时，空气流量控制系统开环稳定，复制稳定裕量为9.8dB，相位稳定裕量为80，对应增益为3.09 。由图3.3可知，无调节器时，负压控制系统开环稳定，复制稳定裕量为1.32dB，相位稳定裕量为14.3，对应增益为1.16 。四、控制系统参数整定1、燃料控制系统参数整定为使系统无静差，燃料流量调节器采用PI形式，即Gcs=Kp+Kis，其中，参数Kp和Ki采用稳定边界发调整。具体调整方法为：先让Ki=0，调整Kp使系统等幅振荡（由系统被控对象Bode图可知，在Kp=3.72附近时系统震荡），即系统处于临界稳

9、定状态。系统临界震荡仿真框图及其震荡响应如下图9，10所示。图9 系统临界振荡仿真框图图10 系统临界振荡仿真框图及其振荡响应记录此时的振荡周期和比例系数。则Kp=Kcr/2.2=1.73，KI=Kp/0.85T=0.18 。在Kp=1.73，KI=0.18的基础上，对PI参数进一步整定后，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下图11，12所示。图11燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图图12燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应2、蒸汽压力控制系统参数整定在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误发整定蒸汽压力控制系统参数。系统整定仿真框图如下图13所示。当Kp=1，KI=0

10、时（此时相当于无调节器，因此系统最简单），仿真结果如图14所示，上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。图13蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图图14蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果由仿真结果图14可以看出，系统响应超调量约为25%。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度都较好。3、空气流量控制系统参数整定空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似。当Kp=0.08，KI=0.05时，系统阶跃响应如图16所示，上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入，可见系统响应超调量约为25%。图15整定后空气流量控制系统单位阶跃输入的仿真框图图16整定后空气流量控制系统单位阶跃响应4、负压控

11、制系统参数整定负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定的方法类似。当Kp=0.03，KI=0.05时，系统阶跃响应如图18所示，上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。可见，系统响应超调量为25%。图17整定后负压控制系统单位阶跃输入的仿真框图图18整定后负压控制系统单位阶跃响应（5）负压控制系统前馈补偿整定采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：Gs=7s+1/(15s+5)五、整定后各部分系统性能分析1、燃料控制系统整定后燃料控制系统的闭环传递函数为：G1s=1 - 1/(1/(5*s) + 11/5)/(exp(3*s)*(13*s+ 1) + 1)系统的阶跃响应输出曲线如下：图19整定后燃

12、料控制系统阶跃响应由图可见，整定后燃料控制系统单位阶跃响应的上升时间为5.2s，峰值时间为14s，超调量为10.1%，调节时间为24.1s。系统的Bode曲线如下：图20整定后燃料控制系统Bode图由Bode图可知，整定之后，燃料控制系统的幅值稳定裕量为9.62dB，相位稳定裕量56.3 。2、蒸汽压力控制系统整定后蒸汽压力控制系统的闭环传递函数为：G2s=(11*s + 1)/(22*s + exp(3*s)*(65*s2 + 5*s) + 2)系统的阶跃响应输出曲线如下：图21整定后蒸汽压力控制系统阶跃响应由图21可见，整定后蒸汽压力系统单位阶跃响应的上升时间为2.32s，峰值时间为9.0

13、4s，超调量为57.6%，调节时间为40s。系统的Bode曲线如下：图22整定后蒸汽压力控制系统Bode图由Bode图可知，整定之后，蒸汽压力控制系统的幅值稳定裕量为6.15dB，相位稳定裕量92 。3、空气流量控制系统整定后空气流量控制系统的闭环传递函数为：G3s=1 - 1/(3/(20*s) + 6/25)/(exp(2*s)*(11*s + 1) + 1)系统的阶跃响应输出曲线如下：图23整定后空气流量控制系统阶跃响应由图可见，整定后空气流量系统单位阶跃响应的上升时间为11.7s，峰值时间为28.7s，超调量为29.4%，调节时间为92s。系统的Bode曲线如下：图24整定后空气流量控

14、制系统Bode图由Bode图可知，整定之后，空气流量控制系统的幅值稳定裕量为19.9dB，相位稳定裕量39.5 。4、负压控制系统整定后负压控制系统的闭环传递函数为：G4s=1 - 1/(1/(2*s) + 3/10)/(exp(s)*(7*s+ 1) + 1)系统的阶跃响应输出曲线如下：图25整定后负压控制系统阶跃响应由图可见，整定后负压系统单位阶跃响应的上升时间为4.46s，峰值时间为12.2s，超调量为50.9%，调节时间为64s。系统的Bode曲线如下：图26整定后负压控制系统Bode图由Bode图可知，整定之后，负压控制系统的幅值稳定裕量为13.1dB，相位稳定裕量23.9 。六、控

15、制系统Simulink仿真利用个整定参数对控制系统仿真，其框图如图27所示。假定蒸汽压力设定值为10，炉膛负压设定值为5，系统受幅值0.1的随机干扰。仿真结果如图28所示。图27燃烧炉控制系统仿真框图图28燃烧炉控制系统仿真结果结果说明：结果曲线中，红色曲线表示空气流量波形，青色曲线表示实际蒸汽变动波形，黄色曲线表示蒸汽压力设定值波形，绿色曲线表示负压变化波形，粉色曲线表示干扰波形。七、系统鲁棒性分析对燃烧控制中延时常数变化10%时系统的鲁棒性。系统仿真框图及仿真结果如图29、30、31所示。其中图29为系统仿真框图，图30为延时选择模块。改变图29中的“Constant”的值（可选择11个值，对应11个不同延时常数）即可得到图31所示的仿真结果。图29仿真方框图图30延时选择模块图31燃烧炉控制系统鲁棒分析仿真结果说明：图中紫色曲线表示空气流量波形，黄色曲线表示实际蒸汽压力波形，蓝色波形表示负压波形。分析图31仿真结果和图28对照，可见随着延时常熟变化，系统输出没有明显变化，没有改变系统的稳定性和精确性，说明系统在延时常数变化时仍能正常工作，系统的鲁棒性较强。八、总结与体会通过此次对燃烧过程控制系统综合仿真，熟悉了课上学过的关于Simulink仿真的相关知识，对Simulink仿真工具