鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真

1、計(jì)算機(jī)仿真期末大作業(yè)計(jì)算機(jī)仿真MATLAB課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院： 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)： 自動(dòng)化專業(yè) 班級(jí)： 2009211410 姓名： 朱海洋 學(xué)號(hào)： 09211954 2011年12月26日燃燒過程控制系統(tǒng)綜合仿真摘要：燃燒鍋爐的燃燒控制主要由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。燃燒過程的仿真和其他仿真過程一樣由系統(tǒng)辨識(shí)、穩(wěn)定性分析、控制策略選擇、參數(shù)整定和系統(tǒng)仿真等內(nèi)容仿真。穩(wěn)定邊界法和試誤法是常用的PID參數(shù)整定方法，尤其適合對(duì)PI控制器就行參數(shù)整定。關(guān)鍵詞：燃燒過程 控制系統(tǒng) Simulink PID目錄一、題目背景11、蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制

2、系統(tǒng)12、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)2二、方案要求3三、系統(tǒng)建模41、建立數(shù)學(xué)模型42、進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析4四、控制系統(tǒng)參數(shù)整定61、燃料控制系統(tǒng)參數(shù)整定62、蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定73、空氣流量控制系統(tǒng)參數(shù)整定84、負(fù)壓控制系統(tǒng)參數(shù)整定9五、整定后各部分系統(tǒng)性能分析101、燃料控制系統(tǒng)102、蒸汽壓力控制系統(tǒng)113、空氣流量控制系統(tǒng)124、負(fù)壓控制系統(tǒng)13六、控制系統(tǒng)Simulink仿真15七、系統(tǒng)魯棒性分析16八、總結(jié)與體會(huì)17九、參考文獻(xiàn)1717一、題目背景在許多的工業(yè)生產(chǎn)過程中燃燒都是必要的一環(huán)，如氧化鋁生產(chǎn)過程中的燃燒問題、流化床生產(chǎn)過程的燃燒問題等。從燃燒角度來說，燃燒過程有燃油、燃煤、燃

3、氣等區(qū)別。雖然燃燒應(yīng)用場(chǎng)合和燃料各異，但對(duì)燃燒過程的控制都不外是燃料控制、溫度控制、燃燒程度控制、安全性控制、節(jié)能控制。其中以燃油蒸汽鍋爐最為典型。1、蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)燃油蒸汽鍋爐燃燒控制的目的是生產(chǎn)蒸汽供其它生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用。一般生產(chǎn)過程中蒸汽的控制是通過壓力實(shí)現(xiàn)的，后續(xù)環(huán)節(jié)對(duì)蒸汽的生產(chǎn)用量不同，反映在燃油蒸汽鍋爐環(huán)節(jié)就是蒸汽壓的波動(dòng)。維持蒸汽壓力恒定是保證生產(chǎn)正常盡心的首要條件。保證蒸汽壓力恒定的主要手段是隨著蒸汽壓力波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)燃燒產(chǎn)生的熱量，而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)通過控制所供應(yīng)的燃燒量以及適當(dāng)比例的助燃空氣實(shí)現(xiàn)的。因此，蒸汽壓力是最終被控制量，可以根據(jù)生產(chǎn)情況確定；燃燒量是

4、根據(jù)蒸汽壓力確定的；空氣供應(yīng)量根據(jù)空氣量與燃燒量的合理比值確定。燃燒爐蒸汽壓力控制和燃燒空氣比值控制系統(tǒng)的方案如圖1、圖2所示。FCFC鍋爐燃燒系統(tǒng)FC蒸汽壓力 鍋爐蒸汽壓力檢測(cè)燃料K圖1燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖被控對(duì)象（燃料流量與蒸汽壓力）被控對(duì)象（燃料流量）燃料流量調(diào)節(jié)器蒸汽壓力調(diào)節(jié)器給定壓力+ + - - -燃料流量檢測(cè)與變換系統(tǒng)蒸汽壓力檢測(cè)與變換系統(tǒng)被控對(duì)象（空氣流量）空氣流量調(diào)節(jié)器+ 空氣流量蒸汽壓力-被控對(duì)象檢測(cè)與變換系統(tǒng)圖2燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)的方案2、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)鍋爐爐膛負(fù)壓力過小是，爐膛內(nèi)的熱煙、熱氣會(huì)外溢，造成熱量損失、影響設(shè)

5、備安全運(yùn)行甚至?xí)＜肮ぷ魅藛T安全；當(dāng)爐膛負(fù)壓太大時(shí)，會(huì)使外部大量冷空氣進(jìn)入爐膛，改變?nèi)剂虾涂諝獗戎?，增加燃料損失、熱量損失和降低熱效率。保證爐膛負(fù)壓的措施是引風(fēng)量和送風(fēng)量的平衡。如果負(fù)壓波動(dòng)不太，調(diào)節(jié)引風(fēng)量即可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓控制；當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，燃料用量和送風(fēng)量波動(dòng)也會(huì)較大，此時(shí)，經(jīng)常采用的控制方案如圖3，圖4所示。FC爐膛負(fù)壓 爐膛 負(fù)壓檢測(cè)鍋爐燃燒系統(tǒng)送風(fēng)量FC引風(fēng)量圖3爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖送風(fēng)對(duì)負(fù)壓影響前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器送風(fēng)量- +負(fù)壓給定+引風(fēng)調(diào)節(jié)器引風(fēng)與負(fù)壓關(guān)系 + + 爐膛負(fù)壓負(fù)壓測(cè)量變換 -圖4爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖二、方案要求某鍋爐燃燒系統(tǒng)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行蒸汽控制，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖

6、5所示。壓力被控對(duì)象（燃料流量與蒸汽壓力）被控對(duì)象（燃料流量）燃料流量調(diào)節(jié)器蒸汽壓力調(diào)節(jié)器給定+ + - - -燃料流量檢測(cè)與變換系統(tǒng)蒸汽壓力檢測(cè)與變換系統(tǒng)被控對(duì)象（空氣流量）空氣流量調(diào)節(jié)器+ 空氣流量蒸汽壓力被控對(duì)象檢測(cè)與變換系統(tǒng)-送風(fēng)對(duì)負(fù)壓影響前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器送風(fēng)量負(fù)壓給定引風(fēng)與負(fù)壓關(guān)系引風(fēng)調(diào)節(jié)器- + 爐膛負(fù)壓+ + 負(fù)壓測(cè)量變換圖5控制系統(tǒng)框圖三、系統(tǒng)建模1、建立數(shù)學(xué)模型（1）建立燃燒爐蒸汽壓力控制和燃燒空氣比值控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。燃料流量被控對(duì)象：Gs=2/(13s+1)e-3s；燃料流量至蒸汽壓力關(guān)系約為：Gs=3；蒸汽壓力至燃燒流量關(guān)系約為：Gs=1/3;蒸汽壓力檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模

7、型：Gs=1；燃料流量檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：Gs=1；燃料流量與控制流量比值：Gs=1/2；空氣流量被控對(duì)象：Gs=3/(11s+1)e-2s；（2）建立爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：Gs=10/(7s+1)e-s；送風(fēng)量對(duì)負(fù)壓的干擾：Gs=2/(3s+1)；2、進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）繪制燃料被控對(duì)象Bode圖，如圖6所示： 圖6燃料被控對(duì)象Bode圖（2）繪制空氣流量被控對(duì)象Bode圖，如圖7所示： 圖7空氣流量被控對(duì)象Bode圖（3）繪制引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系Bode圖，如圖8所示： 圖8 引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系Bode圖（4）總結(jié)由圖3.1可知，無調(diào)節(jié)器時(shí)，燃料控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定，復(fù)制穩(wěn)

8、定裕量為11.4dB，相位穩(wěn)定裕量為97.1，對(duì)應(yīng)增益為3.72 。由圖3.2可知，無調(diào)節(jié)器時(shí)，空氣流量控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定，復(fù)制穩(wěn)定裕量為9.8dB，相位穩(wěn)定裕量為80，對(duì)應(yīng)增益為3.09 。由圖3.3可知，無調(diào)節(jié)器時(shí)，負(fù)壓控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定，復(fù)制穩(wěn)定裕量為1.32dB，相位穩(wěn)定裕量為14.3，對(duì)應(yīng)增益為1.16 。四、控制系統(tǒng)參數(shù)整定1、燃料控制系統(tǒng)參數(shù)整定為使系統(tǒng)無靜差，燃料流量調(diào)節(jié)器采用PI形式，即Gcs=Kp+Kis，其中，參數(shù)Kp和Ki采用穩(wěn)定邊界發(fā)調(diào)整。具體調(diào)整方法為：先讓Ki=0，調(diào)整Kp使系統(tǒng)等幅振蕩（由系統(tǒng)被控對(duì)象Bode圖可知，在Kp=3.72附近時(shí)系統(tǒng)震蕩），即系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)

9、定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界震蕩仿真框圖及其震蕩響應(yīng)如下圖9，10所示。圖9 系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖圖10 系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應(yīng)記錄此時(shí)的振蕩周期和比例系數(shù)。則Kp=Kcr/2.2=1.73，KI=Kp/0.85T=0.18 。在Kp=1.73，KI=0.18的基礎(chǔ)上，對(duì)PI參數(shù)進(jìn)一步整定后，燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖如下圖11，12所示。圖11燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖圖12燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)2、蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎(chǔ)上，采用試誤發(fā)整定蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)整定仿真框圖如下圖13所示。當(dāng)Kp=1，KI=0

10、時(shí)（此時(shí)相當(dāng)于無調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡(jiǎn)單），仿真結(jié)果如圖14所示，上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入。圖13蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖圖14蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真結(jié)果由仿真結(jié)果圖14可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)單，工程上系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定程度都較好。3、空氣流量控制系統(tǒng)參數(shù)整定空氣流量控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似。當(dāng)Kp=0.08，KI=0.05時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖16所示，上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入，可見系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。圖15整定后空氣流量控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖圖16整定后空氣流量控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)4、負(fù)壓控

11、制系統(tǒng)參數(shù)整定負(fù)壓控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定的方法類似。當(dāng)Kp=0.03，KI=0.05時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖18所示，上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入?？梢?，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量為25%。圖17整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖圖18整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)（5）負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償整定采用動(dòng)態(tài)前饋整定，其前饋補(bǔ)償函數(shù)為：Gs=7s+1/(15s+5)五、整定后各部分系統(tǒng)性能分析1、燃料控制系統(tǒng)整定后燃料控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G1s=1 - 1/(1/(5*s) + 11/5)/(exp(3*s)*(13*s+ 1) + 1)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出曲線如下：圖19整定后燃

12、料控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)由圖可見，整定后燃料控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為5.2s，峰值時(shí)間為14s，超調(diào)量為10.1%，調(diào)節(jié)時(shí)間為24.1s。系統(tǒng)的Bode曲線如下：圖20整定后燃料控制系統(tǒng)Bode圖由Bode圖可知，整定之后，燃料控制系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定裕量為9.62dB，相位穩(wěn)定裕量56.3 。2、蒸汽壓力控制系統(tǒng)整定后蒸汽壓力控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G2s=(11*s + 1)/(22*s + exp(3*s)*(65*s2 + 5*s) + 2)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出曲線如下：圖21整定后蒸汽壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)由圖21可見，整定后蒸汽壓力系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為2.32s，峰值時(shí)間為9.0

13、4s，超調(diào)量為57.6%，調(diào)節(jié)時(shí)間為40s。系統(tǒng)的Bode曲線如下：圖22整定后蒸汽壓力控制系統(tǒng)Bode圖由Bode圖可知，整定之后，蒸汽壓力控制系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定裕量為6.15dB，相位穩(wěn)定裕量92 。3、空氣流量控制系統(tǒng)整定后空氣流量控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G3s=1 - 1/(3/(20*s) + 6/25)/(exp(2*s)*(11*s + 1) + 1)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出曲線如下：圖23整定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)由圖可見，整定后空氣流量系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為11.7s，峰值時(shí)間為28.7s，超調(diào)量為29.4%，調(diào)節(jié)時(shí)間為92s。系統(tǒng)的Bode曲線如下：圖24整定后空氣流量控

14、制系統(tǒng)Bode圖由Bode圖可知，整定之后，空氣流量控制系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定裕量為19.9dB，相位穩(wěn)定裕量39.5 。4、負(fù)壓控制系統(tǒng)整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G4s=1 - 1/(1/(2*s) + 3/10)/(exp(s)*(7*s+ 1) + 1)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出曲線如下：圖25整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)由圖可見，整定后負(fù)壓系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為4.46s，峰值時(shí)間為12.2s，超調(diào)量為50.9%，調(diào)節(jié)時(shí)間為64s。系統(tǒng)的Bode曲線如下：圖26整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)Bode圖由Bode圖可知，整定之后，負(fù)壓控制系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定裕量為13.1dB，相位穩(wěn)定裕量23.9 。六、控

15、制系統(tǒng)Simulink仿真利用個(gè)整定參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)仿真，其框圖如圖27所示。假定蒸汽壓力設(shè)定值為10，爐膛負(fù)壓設(shè)定值為5，系統(tǒng)受幅值0.1的隨機(jī)干擾。仿真結(jié)果如圖28所示。圖27燃燒爐控制系統(tǒng)仿真框圖圖28燃燒爐控制系統(tǒng)仿真結(jié)果結(jié)果說明：結(jié)果曲線中，紅色曲線表示空氣流量波形，青色曲線表示實(shí)際蒸汽變動(dòng)波形，黃色曲線表示蒸汽壓力設(shè)定值波形，綠色曲線表示負(fù)壓變化波形，粉色曲線表示干擾波形。七、系統(tǒng)魯棒性分析對(duì)燃燒控制中延時(shí)常數(shù)變化10%時(shí)系統(tǒng)的魯棒性。系統(tǒng)仿真框圖及仿真結(jié)果如圖29、30、31所示。其中圖29為系統(tǒng)仿真框圖，圖30為延時(shí)選擇模塊。改變圖29中的“Constant”的值（可選擇11個(gè)值，對(duì)應(yīng)11個(gè)不同延時(shí)常數(shù)）即可得到圖31所示的仿真結(jié)果。圖29仿真方框圖圖30延時(shí)選擇模塊圖31燃燒爐控制系統(tǒng)魯棒分析仿真結(jié)果說明：圖中紫色曲線表示空氣流量波形，黃色曲線表示實(shí)際蒸汽壓力波形，藍(lán)色波形表示負(fù)壓波形。分析圖31仿真結(jié)果和圖28對(duì)照，可見隨著延時(shí)常熟變化，系統(tǒng)輸出沒有明顯變化，沒有改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，說明系統(tǒng)在延時(shí)常數(shù)變化時(shí)仍能正常工作，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)。八、總結(jié)與體會(huì)通過此次對(duì)燃燒過程控制系統(tǒng)綜合仿真，熟悉了課上學(xué)過的關(guān)于Simulink仿真的相關(guān)知識(shí)，對(duì)Simulink仿真工具