燃燒過程控制系統(tǒng)

1、東 北 大 學(xué)研 究 生 考 試 試 卷考試科目： 計(jì)算機(jī)控制理論與設(shè)計(jì) 課程編號(hào)： 09601603 閱 卷 人： 關(guān)守平 考試日期： 2014.01.05 姓 名： 薛勝先 學(xué) 號(hào)： 1300978 注 意 事 項(xiàng)1考 前 研 究 生 將 上 述 項(xiàng) 目 填 寫 清 楚2字 跡 要 清 楚，保 持 卷 面 清 潔3交 卷 時(shí) 請(qǐng) 將 本 試 卷 和 題 簽 一 起 上 交東北大學(xué)研究生院燃燒過程控制系統(tǒng)摘要：本作業(yè)主要針對(duì)燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，首先簡(jiǎn)要介紹了燃燒控制系統(tǒng)的工作原理，然后對(duì)燃燒控制系統(tǒng)各個(gè)部分的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行了參數(shù)整定，并對(duì)負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋進(jìn)行了補(bǔ)償整定，最后對(duì)燃燒控制系統(tǒng)

2、進(jìn)行了仿真，其中包含了串級(jí)系統(tǒng)和前饋系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：燃燒控制系統(tǒng)，仿真，串級(jí)系統(tǒng)，前饋系統(tǒng)1引言在許多的工業(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、硫化床生產(chǎn)過程的燃燒問題等。從燃料角度來說，燃燒過程有燃油、燃煤、燃?xì)獾葏^(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)能控制等。在此，僅以燃油蒸汽鍋爐為例說明燃燒系統(tǒng)中帶有一定普遍性的控制問題。燃油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)。2.基本理論2.1蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)圖1. 燃燒爐蒸汽壓力控制和

3、燃料空氣比值控制系統(tǒng)的方案燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是生產(chǎn)蒸汽供其他生產(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)正常進(jìn)行的首要條件。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)是通過控制所供應(yīng)的燃料量以及適當(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)生成情況確定；燃料量是根據(jù)蒸汽壓力確定的；空氣供應(yīng)量根據(jù)空氣量與燃料量的合理比值確定。燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)的方案如圖1。2.2爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)鍋爐爐膛負(fù)壓力過小時(shí)，

4、爐膛內(nèi)的熱煙、熱氣會(huì)外溢，造成熱量損失、影響設(shè)各安全運(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)不大，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)常采用的控制方法如圖2所示。圖2.爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖由圖2可以看出，該方案中以負(fù)壓為控制目標(biāo)，用引風(fēng)量構(gòu)成控制閉環(huán)，利用前饋控制消除送風(fēng)量變動(dòng)對(duì)負(fù)壓的影響。3.仿真 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)容組成。某

5、鍋爐燃燒系統(tǒng)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行蒸汽控制。采用燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)，并輔以爐膛負(fù)壓控制的方案，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。3.1建立數(shù)學(xué)模型(1) 建立燃料爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型燃料流量被控對(duì)象：燃料流量至蒸汽壓力關(guān)系約為：蒸汽壓力至燃料流量關(guān)系約為：蒸汽壓力檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：燃料流量檢測(cè)變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：燃料流量與控制流量比值：空氣流量被控對(duì)象：(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：送風(fēng)量對(duì)負(fù)壓的干擾：圖3.控制系統(tǒng)框圖3.2 控制系統(tǒng)的整定(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：其中，參數(shù)KP和KI采用

6、穩(wěn)定邊界法整定。先讓KI=0，調(diào)整KP使系統(tǒng)等幅震蕩（系統(tǒng)被控對(duì)象在KP=3.72附近時(shí)系統(tǒng)震蕩），即系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界震蕩仿真框圖及其震蕩響應(yīng)如圖4(a)和圖4(b)所示。(a) 系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖(b) 系統(tǒng)臨界振蕩響應(yīng)圖4.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Tcr=11s和比例系數(shù)Kcr=3.8。則KP=Kcr/2.2=1.73，KI=KP/(0.85Tcr)=0.18。在KP=1.73，KI=0.18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圖5(a)所示。調(diào)節(jié)KP=1.1，KI=0.1時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)如圖5(b)所示，可見系

7、統(tǒng)有大約10%的超調(diào)量。(a) 燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖(b)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)圖5.燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)整定(2) 蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定(a) 蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定框圖(b) 蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真結(jié)果圖6. 蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎(chǔ)上，采用試誤法整定蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖6(a)所示。當(dāng)KP=1，KI=0時(shí)(此時(shí)相當(dāng)于無調(diào)節(jié)器，此時(shí)系統(tǒng)最簡(jiǎn)單)，仿真結(jié)果如圖6(b)所示，上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入。由仿真結(jié)果圖6(b)可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量大約50%。此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)

8、單，工程上系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性都較好。(3) 空氣流量控制系統(tǒng)參數(shù)整定空氣流量控制參數(shù)整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似，此處不詳細(xì)說明。當(dāng)KP=0.08，KI=0.05時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖7所示，可見系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量大約25%。圖7.整定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)(4) 負(fù)壓控制系統(tǒng)參數(shù)整定圖8.整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)(a) 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真框圖(b) 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖9.燃燒爐控制系統(tǒng)仿真負(fù)壓控制系統(tǒng)參數(shù)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似，此處不詳細(xì)說明。當(dāng)KP=0.03，KI=0.05時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖8所示，可見系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量大約50%。(5) 負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋

9、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：3.3 控制系統(tǒng)Simulink仿真 利用各整定參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)仿真，其框圖如圖9(a)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。仿真結(jié)果如圖9(b)所示。由仿真圖可以看出，空氣流量波形大約有34%的超調(diào)量，但之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在30。實(shí)際蒸汽變動(dòng)波形大約有50%的超調(diào)量，但之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在給定量10。負(fù)壓變化波形實(shí)際蒸汽變動(dòng)波形大約有50%的超調(diào)量，但之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在給定量5。總體來說，雖然系統(tǒng)的超調(diào)量比較大，但由于系統(tǒng)負(fù)反饋閉環(huán)和前饋補(bǔ)償?shù)淖饔茫到y(tǒng)可以穩(wěn)定工作。圖10為燃燒爐控制系統(tǒng)加干擾的仿真框圖與仿真結(jié)果。(a) 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真框圖(b) 燃燒爐控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖10.燃燒爐控制系統(tǒng)仿真由圖10可以看出，系統(tǒng)受到干擾后，空氣流量波形、實(shí)際蒸汽變動(dòng)波形和負(fù)壓變化波形也能在一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定，可見由于系統(tǒng)負(fù)反饋閉環(huán)和前饋補(bǔ)償?shù)淖饔?，系統(tǒng)還有一定