工业燃煤锅炉全过程自动控制的研究

1、工业锅炉自动监控技术研究工业锅炉自动监控技术研究2011.05.21宁夏理工学院毕业答辩论文主要工作论文主要工作v1、课题背景及意义、课题背景及意义v2 、PID控制基本原理控制基本原理 v3、单回路控制系统及前馈、单回路控制系统及前馈-反馈控制系反馈控制系统统v4 、过热蒸汽温度控制系统仿真分析、过热蒸汽温度控制系统仿真分析2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩1 课题背景及意义课题背景及意义v目前，我国大多数锅炉的控制设备简陋，控制技术目前，我国大多数锅炉的控制设备简陋，控制技术落后，效率低，从而造成了燃料的大量浪费，而且落后，效率低，从而造成了燃料的大量浪费，而且严重污染空气，也不利于

2、安全生产。严重污染空气，也不利于安全生产。v锅炉控制系统是复杂的控制系统锅炉控制系统是复杂的控制系统,实现锅炉全过程的实现锅炉全过程的自动控制不仅可以提高锅炉运行的效率，而且可以自动控制不仅可以提高锅炉运行的效率，而且可以提高锅炉运行的安全性、经济性。从而在实现在满提高锅炉运行的安全性、经济性。从而在实现在满足工业生产地同时也实现了节能减排，减少环境污足工业生产地同时也实现了节能减排，减少环境污染，也满足了国家提倡建设低碳型城市的要求。染，也满足了国家提倡建设低碳型城市的要求。2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩2 PID控制基本原理控制基本原理 vPID控制是偏差比控制是偏差比例、偏差积

3、分、偏例、偏差积分、偏差微分控制的简称。差微分控制的简称。在模拟控制系统中在模拟控制系统中,控制的原理框图如控制的原理框图如右图所示：右图所示：PID控制系统原理框图 vPID控制器控制器的的控制规律为：控制规律为：式中：式中：Kp比例系数比例系数Ti积分时间常数积分时间常数Td微分时间常数微分时间常数2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩)()()(1)()(0dttdeTtdteTteKtudtiP2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩3 单回路控制系统及前馈单回路控制系统及前馈-反馈控制系统反馈控制系统测量值e扰动f受控变量y操纵变量z控制变量u偏差e设定值R检测变送器 GM(s)受

4、控对象 GP(s)控制阀 GV(s)控制器 GC(s)(1)、单回路控制系统、单回路控制系统单回路控制系统是由控制器、控制阀、测量变送器单回路控制系统是由控制器、控制阀、测量变送器和受控对象四部分组成。其结构框图如下图所示。单回和受控对象四部分组成。其结构框图如下图所示。单回路的特点是，结构简单，对于简单的系统易于控制，用路的特点是，结构简单，对于简单的系统易于控制，用于出口温度要求不高，干扰小，频率低的小锅炉。于出口温度要求不高，干扰小，频率低的小锅炉。单回路控制系统的结构框图（2）、前馈）、前馈-反馈控制系统反馈控制系统在前馈控制的基础上设置反馈控制，可以大大简化前在前馈控制的基础上设置反

5、馈控制，可以大大简化前馈控制系统，只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿馈控制系统，只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿，而对其他许多次要的干扰，可依靠反馈予以克服，这样，而对其他许多次要的干扰，可依靠反馈予以克服，这样既保证了精度，又简化了系统。既保证了精度，又简化了系统。2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩前馈-反馈控制系统方框图2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩4 过热蒸汽温度控制系统仿真分析过热蒸汽温度控制系统仿真分析过热蒸汽温度控制系统一般有三种常用控制方过热蒸汽温度控制系统一般有三种常用控制方案，有单回路控制、串级控制、前馈案，有单回路控制、串级控制、前馈反馈控制方反馈

6、控制方案，在这里我们针对单回路控制和前馈案，在这里我们针对单回路控制和前馈反馈控制反馈控制方案进行方案进行MATLAB仿真，研究两种控制方案的控制仿真，研究两种控制方案的控制效果。效果。利用利用MATLAB中的中的SIMULINK平台组建的平台组建的PID过热蒸汽温度控制方案比较的控制系统方框图如图过热蒸汽温度控制方案比较的控制系统方框图如图3.13所示：所示： v（1）、）、单回路控制方案单回路控制方案单回路控制系统由控制器、控制阀、测量变送单回路控制系统由控制器、控制阀、测量变送器和受控对象四部分组成。器和受控对象四部分组成。过热蒸汽温度单回路控制系统实物控制原理图过热蒸汽温度单回路控制系

7、统实物控制原理图。2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩单回路控制原理框图v（2） 、前馈控制方案前馈控制方案前馈控制系统就是一种直接根据所产生被控变前馈控制系统就是一种直接根据所产生被控变量参数变化的原因进行控制的系统，它通过前馈调量参数变化的原因进行控制的系统，它通过前馈调节器来补偿扰动对被控参数的影响。节器来补偿扰动对被控参数的影响。2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩前馈控制的结构框图 进行仿真过程中，各个环节的数学模型如下：进行仿真过程中，各个环节的数学模型如下：过热蒸汽温度模型：过热蒸汽温度模型： 过热器出口蒸汽温度模型：过热器出口蒸汽温度模型： 蒸汽压力模型：蒸汽压力模型：

8、 蒸汽压力变送器模型：蒸汽压力变送器模型： 2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩5 . 02_1431essGg+=131+=sGc121+=sGp1213+=ssGb2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩v过热蒸汽温度单回路控制系统仿真过热蒸汽温度单回路控制系统仿真利用利用MATLAB中的中的SIMULINK平台组建的平台组建的PID过热蒸汽温度单回路控制方案的控制系统方框图如过热蒸汽温度单回路控制方案的控制系统方框图如图所示：图所示：过热蒸汽温度单回路控制2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩经过反复调试，得经过反复调试，得PID控制器的控制参数为：控制器的控制参数为：Kp=1.7

9、2；Ki=0.24；Kd=3.8；滞后时间常数为；滞后时间常数为0.5；在在200s时加干扰信号得到控制的仿真曲线如图所示时加干扰信号得到控制的仿真曲线如图所示。过热蒸汽温度单回路控制曲线2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩v过热蒸汽温度前馈过热蒸汽温度前馈反馈控制系统仿真：反馈控制系统仿真：利用利用MATLAB中的中的SIMULINK平台组建的平台组建的PID过热蒸汽温度前馈过热蒸汽温度前馈反馈控制方案的控制系统方框反馈控制方案的控制系统方框图如图所示。图如图所示。过热蒸汽温度前馈反馈控制2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩经过反复调试，得经过反复调试，得PID控制器的控制参数为：控

10、制器的控制参数为：Kp=3.6；Ki=1.2；Kd=0.15；滞后时间常数为；滞后时间常数为0.5；在；在200s时加干扰得到控制的仿真曲线如图所示。时加干扰得到控制的仿真曲线如图所示。过热蒸汽温度前馈反馈控制曲线2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩v两种控制系统方案两种控制系统方案的的PID控制器的参数控制器的参数设置与上述的两种设置与上述的两种单个方案的对应单个方案的对应PID的参数设置相同。的参数设置相同。滞后时间常数都为滞后时间常数都为0.5s；在；在50s时加干时加干扰得到控制的仿真扰得到控制的仿真曲线如图曲线如图3.14所示所示 2010.05.19宁夏理工学院毕业答辩v从仿真曲线可以看出，在从仿真曲线可以看出，在PID过热蒸汽温度单回路控过热蒸汽温度单回路控制系统控制下，上升时间制系统控制下，上升时间为为15.4s，调整时间为，调整时间为15.4s，超调量为，超调量为0，其干，其干扰波动为扰波动为6.8%，恢复时间，恢复时间为为26s。在。在PID过热蒸汽温过热蒸汽温度前馈度前馈反馈控制系统控反馈控制系统控制下，上升时间为制下，上升时间为5.2s，调，调整时间为整时间为5.2s，超调量为，超调量为0，其干扰波动为其干扰波动为3.6%，恢复，恢复时间为时间为7.8s。v通过仿真曲线对比得知，通过仿真曲线对比