鍋爐燃燒自動(dòng)控制

1、摘要本文研究了燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制問(wèn)題。首先簡(jiǎn)述了燃煤鍋爐的工藝流程、特點(diǎn)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)；分析了燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性。根據(jù)工藝特點(diǎn)，把燃燒控制分成主汽壓控制、燃燒經(jīng)濟(jì)性控制和爐膛負(fù)壓控制三部分，分別進(jìn)行討論。針對(duì)主汽壓控制系統(tǒng)這一復(fù)雜對(duì)象，結(jié)合模糊邏輯控制理論，提出了FUZZYSMITH控制算法，并且與傳統(tǒng)PID控制和PIDSMITH控制相比較，仿真結(jié)果表明該算法具有良好的動(dòng)靜特性及很強(qiáng)的魯棒性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)分析，在鍋爐實(shí)際生產(chǎn)中，蒸汽壓力一定的情況下，熱效率和送風(fēng)量存在著二次曲線的關(guān)系。由于二次曲線存在極值，這個(gè)極值就是我們要尋求的燃燒最優(yōu)點(diǎn)。本論文以熱量信號(hào)為尋優(yōu)的目標(biāo)函

2、數(shù)，采用動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)控制方法，使系統(tǒng)不斷向最優(yōu)工作點(diǎn)靠近，提高了熱效率。其次，由于尋優(yōu)是一個(gè)連續(xù)不斷的過(guò)程，所以算法可以適應(yīng)由于煤質(zhì)變化或工況變化等引起的最佳工作點(diǎn)的漂移，具有較好的實(shí)用性。爐膛負(fù)壓的控制采用傳統(tǒng)的PID控制。關(guān)鍵詞PID控制SMITH預(yù)估控制模糊控制燃煤鍋爐燃燒控制自尋優(yōu)11課題來(lái)源工業(yè)鍋爐已被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)。通常蒸發(fā)量較小的用來(lái)供熱或提供循環(huán)熱水，蒸發(fā)量大的用來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)和蒸汽機(jī)，使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，或進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能。一臺(tái)鍋爐要能安全、可靠、有效地運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值，除了鍋爐本身設(shè)備和各種輔機(jī)完好外，還必須要求自動(dòng)化儀表工作正常和自動(dòng)控制系統(tǒng)方案正確。通

3、過(guò)調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的工業(yè)或民用采暖鍋爐的運(yùn)行普遍存在自動(dòng)化程度不高，靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制燃燒的問(wèn)題。這些問(wèn)題導(dǎo)致鍋爐效率不高，能量浪費(fèi)。同時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)蒸汽用量經(jīng)常變化，且沒(méi)有規(guī)律，而供汽量目前都采用人工調(diào)節(jié)的辦法來(lái)滿(mǎn)足熱用量的變化，這種人工調(diào)節(jié)的辦法，使供汽的“量”存在浪費(fèi)的問(wèn)題，且供汽的“質(zhì)”也難以保證。因此，鍋爐的自動(dòng)控制成為一個(gè)不容忽視的研究課題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)節(jié)省能源和自動(dòng)控制要求的不斷提高，對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的手段也提出了更高的要求。這樣就為計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制中的應(yīng)用提供了迫切性，而計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的迅速發(fā)展也為其應(yīng)用提供了可能性，利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制是目前自動(dòng)控制

4、技術(shù)發(fā)展的方向。本課題為內(nèi)蒙古重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。12課題發(fā)展?fàn)顩r121工業(yè)鍋爐簡(jiǎn)介一、工業(yè)鍋爐的工作過(guò)程1圖1.1為鍋爐結(jié)構(gòu)和工藝流程示意圖。燃燒的煤層厚度通過(guò)閘板控制，爐排轉(zhuǎn)速可由交流變頻調(diào)速電機(jī)控制。尾部受熱面有省煤器和空氣預(yù)熱器。給水通過(guò)省煤器預(yù)熱后給鍋爐上水，空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器后由爐排左右兩側(cè)6個(gè)風(fēng)道進(jìn)入，煙氣通過(guò)除塵器除塵，由引風(fēng)機(jī)送至煙囪排放，主蒸汽經(jīng)過(guò)過(guò)熱器送至汽柜和用汽部門(mén)。鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)都是由交流變頻器來(lái)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制鼓風(fēng)量、引風(fēng)量。二、鍋爐自動(dòng)控制的主要任務(wù)2（一）鍋爐汽包水位的控制汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的主要參數(shù)之一。水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過(guò)熱

5、器并在過(guò)熱器管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過(guò)熱管爆管；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而爆管。尤其是大型鍋爐，例如，30萬(wàn)KW機(jī)組的鍋爐蒸發(fā)量為1024t/h,而汽包容積較小，一旦給水停止，則會(huì)在十幾秒內(nèi)使汽包內(nèi)的水全部汽化，造成嚴(yán)重的事故。（二）過(guò)熱蒸汽溫度的控制大型鍋爐的過(guò)熱器是在接近過(guò)熱器金屬管的極限高溫條件下工作的，金屬管道強(qiáng)度的安全系數(shù)很小，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使金屬管道的強(qiáng)度大為降低，影響設(shè)備安全；溫度過(guò)低則使全廠熱效率顯著下降。所以過(guò)熱蒸汽溫度是有關(guān)安全和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。過(guò)熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口汽溫在允許范圍內(nèi)，以確保機(jī)組運(yùn)行的安全性

6、和經(jīng)濟(jì)性（三）鍋爐燃燒過(guò)程的控制燃燒過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃料的種類(lèi)和供給系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負(fù)荷的聯(lián)接方式都有關(guān)系，但是燃燒過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)都是一樣的。歸納起來(lái)，燃燒過(guò)程調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三大任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，必須相應(yīng)地改變?nèi)剂狭浚愿淖冨仩t的蒸汽量。第二個(gè)任務(wù)是保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過(guò)程有較高的經(jīng)濟(jì)性。第三個(gè)任務(wù)是調(diào)節(jié)引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合，以保證爐膛壓力不變。對(duì)于一臺(tái)鍋爐，燃燒過(guò)程的這三項(xiàng)調(diào)節(jié)任務(wù)是不可分隔的，對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以注意。122工業(yè)鍋爐控制的發(fā)

7、展與現(xiàn)狀一、鍋爐自動(dòng)控制裝置的發(fā)展鍋爐是一種將一次能源（煤炭、石油、天然氣等）轉(zhuǎn)換為二次能源的重要設(shè)備。由于多數(shù)單位的鍋爐生產(chǎn)實(shí)行人工操作，不僅工作人員勞動(dòng)條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且鍋爐的熱效率低。為了提高效率，改善工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使儀表控制逐漸取代人工操作，鍋爐生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化就相應(yīng)出現(xiàn)了。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)爐膛負(fù)壓，煙氣成分，給水管道的壓力、流量、汽包水位、蒸汽溫度等熱工參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示；同時(shí)，對(duì)給水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，取得了很好的效果。隨著工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，DDZ型系列儀表參與鍋爐控制，目前已經(jīng)由第一代DDZ-I型電子管式，到第二代DDZ-II型晶體管式，到目前最大量使用的DD

8、Z-III型集成電路式，都在鍋爐控制中起主要作用3。常規(guī)儀表控制有如下局限性：1、難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、人工智能控制等；2、難于實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)和操作，管理水平低；3、改變控制方案較困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)革命的到來(lái)，計(jì)算機(jī)也逐漸被用在工業(yè)鍋爐的控制上。美國(guó)的霍尼維爾公司能源管理情況中心證明，鍋爐計(jì)算機(jī)控制比一般鍋爐儀表控制優(yōu)勢(shì)明顯得多。我國(guó)在這方面也成果顯著。例如：南通醋酸化工廠與北京工業(yè)大學(xué)研制的GJK-805型微型機(jī)計(jì)算機(jī)鍋爐控制裝置，應(yīng)用于該廠20噸/小時(shí)的鍋爐上，使鍋爐的熱效率提高了5.37%，年節(jié)煤約800噸，它采用TP805為主體，CTC定時(shí)中斷，每秒采集一次數(shù)

9、據(jù)，采用積分分離PID控制算法。重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表廠和重慶農(nóng)藥廠聯(lián)合研制的智能式工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)用于控制SHL10-13型飽和蒸汽鍋爐取得了滿(mǎn)意效果，運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便，軟件上采用模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)成了全新的數(shù)字化實(shí)時(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)。還有大連計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所研制的鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)能夠不停機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)修改功能，又有無(wú)擾手動(dòng)/自動(dòng)切換和雙套報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位、汽壓、負(fù)壓、含氧量等主要參數(shù)的監(jiān)控，算法上采用了模糊控制分別對(duì)爐膛負(fù)壓系統(tǒng)和含氧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了一些模糊判斷，使該系統(tǒng)有了一定的適應(yīng)能力4。41二、鍋爐自動(dòng)控制規(guī)律的發(fā)展自從儀表取代人工成為工業(yè)鍋爐的控制核心以來(lái)，PID控制一直是儀表過(guò)程控制

10、系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。由于PID技術(shù)發(fā)展的比較成熟，在計(jì)算機(jī)鍋爐控制系統(tǒng)中就成為了首選，是最為可靠、效果很好的控制規(guī)律。隨著鍋爐控制的發(fā)展，出現(xiàn)了許多改進(jìn)的PID控制算法，如帶死區(qū)的、積分分離的，參數(shù)自整定的等一系列PID控制規(guī)律。隨著控制理論的發(fā)展，自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制也被應(yīng)用到鍋爐的控制中，近年來(lái)，以專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制為代表的智能控制也開(kāi)始應(yīng)用到工業(yè)鍋爐的控制系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)、外許多學(xué)者的許多理論和實(shí)踐也都表明，智能控制，尤其是模糊控制將成為現(xiàn)階段實(shí)際控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的一種控制方法5。第二章鍋爐燃燒過(guò)程的控制系統(tǒng)21鍋爐燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介211燃燒系統(tǒng)的任務(wù)燃燒過(guò)程自

11、動(dòng)調(diào)節(jié)有三大任務(wù)7：1維持汽壓。汽壓的設(shè)定值是根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)定的；負(fù)荷量是由生產(chǎn)需要隨時(shí)調(diào)整；鍋爐的蒸汽流量是由蒸汽壓力和負(fù)荷的閥門(mén)開(kāi)度共同決定的。汽壓的變化表明蒸汽流出量與負(fù)荷需求量不相符，需改變給煤量以維持汽壓恒定，使蒸汽流量滿(mǎn)足負(fù)荷要求。2保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。改變給煤量時(shí)，必須相應(yīng)地改變送風(fēng)量，使之與燃料量相配合，保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。送入空氣量不足，則燃料不能充分燃燒；送入空氣量過(guò)大，則過(guò)剩空氣帶走爐膛的熱量，造成熱損失。3保證引風(fēng)和鼓風(fēng)的正確配比，維持爐膛負(fù)壓值。膛壓為正，會(huì)使?fàn)t膛有爆炸危險(xiǎn)，并且使?fàn)t火外噴，對(duì)鍋爐周?chē)O(shè)備及操作人員造成威脅；負(fù)壓過(guò)大，則過(guò)?？諝鈺?huì)帶走爐膛中的熱量。21

12、2燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般有3個(gè)被調(diào)參數(shù)，氣壓p、過(guò)剩空氣系數(shù)a（或最佳含氧量02）和爐膛負(fù)壓Pf；有3個(gè)調(diào)節(jié)量，它們是燃料量M、送風(fēng)量F和引風(fēng)量Y。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)于燃料量，根據(jù)燃料種類(lèi)的不同可能是爐排電機(jī)，也可能是燃料閥。對(duì)于送風(fēng)量和引風(fēng)量一般是鼓風(fēng)電機(jī)和引風(fēng)電機(jī)。22燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是既要提供熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，又要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐運(yùn)行的安全性。為了達(dá)到上述目的，燃燒過(guò)程的控制系統(tǒng)應(yīng)包括三個(gè)調(diào)節(jié)任務(wù)：即維持汽壓、保證最佳空燃比和保證爐膛負(fù)壓不變。與此相對(duì)應(yīng)，應(yīng)有三個(gè)控制回路分別調(diào)節(jié)燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量，從而構(gòu)成了多參數(shù)的燃

13、燒過(guò)程控制系統(tǒng)。為了能正確地設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，應(yīng)先了解對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。一、氣壓調(diào)節(jié)對(duì)象的特性81F1鍋爐的燃燒過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換、傳遞的過(guò)程，也就是利用燃料燃燒的熱量產(chǎn)生用汽設(shè)備所需蒸汽的過(guò)程。主汽壓力是衡量蒸汽量與外界負(fù)荷兩者是否相適應(yīng)的一個(gè)標(biāo)志。因此，要了解燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性主要是弄清汽壓對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。1氣壓被控對(duì)象的生產(chǎn)流程及環(huán)節(jié)劃分鍋爐汽包壓力是燃燒過(guò)程控制的主要被控量，分析燃燒過(guò)程對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，是確定燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制方案的主要依據(jù)。汽壓被控對(duì)象的生產(chǎn)流程示意圖如圖2.1所示，整個(gè)系統(tǒng)由爐膛1，汽包、水冷壁組成的蒸發(fā)受熱面2，過(guò)熱器3，母管4和用汽設(shè)備5組成。工質(zhì)（水）通過(guò)爐膛吸收了燃

14、料燃燒發(fā)出的熱量，不斷升溫,直到產(chǎn)生飽和蒸汽匯集于汽包內(nèi)，最后經(jīng)過(guò)過(guò)熱器成為過(guò)熱蒸汽，輸送到用汽設(shè)備作功。W給水量；i給水熱焓；Pb汽包壓力；D蒸汽流量；DsbT汽機(jī)耗汽量；卩一一汽機(jī)進(jìn)汽閥開(kāi)度；P汽機(jī)背壓；i過(guò)熱蒸汽焓；PTOM母管壓力圖2.1汽壓對(duì)象生產(chǎn)流程示意圖環(huán)節(jié)1：其輸入量為單位時(shí)間內(nèi)爐膛燃燒的燃料量M（kg/s）,輸出量為單位時(shí)間內(nèi)傳給爐膛受熱面的燃料發(fā)熱量Qr（kJ/s），又稱(chēng)爐膛熱負(fù)荷。在鍋爐運(yùn)行中，當(dāng)燃料量M發(fā)生變化時(shí)，送風(fēng)量與引風(fēng)量應(yīng)同時(shí)協(xié)調(diào)變化，這時(shí)的燃料量M的變化，表示鍋爐燃燒率的變化，Q的變化與燃燒率的變化（相當(dāng)于M的變化）成r正比。燃料從煤斗下來(lái)落在爐排上，形成均勻

15、的、有一定厚度的燃料層進(jìn)行燃燒。所謂“火床”即是形象地表達(dá)了這種燃燒方式的特點(diǎn)。根據(jù)給煤量階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線求得床溫被控對(duì)象的近似傳遞函數(shù)為：W(s)二TT(s)M(s)KQ1+Ts1(21)燃燒和傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)物理過(guò)程，燃料量改變后，首先需要經(jīng)過(guò)一定的吸熱、燃燒、放熱時(shí)間，而后將熱量傳給受熱面的金屬管壁（輻射傳熱和對(duì)流傳熱同時(shí)進(jìn)行），然后將熱量傳給鍋爐的汽水容積。根據(jù)熱力學(xué)定律，當(dāng)物體吸收熱量時(shí)其溫度將升高，并有下列等式成立（式中認(rèn)為物體質(zhì)量為單位質(zhì)量）。Q=CT（22）式中T溫度（K）；C比熱（kJ/kgK）；Q熱量（kJ）。根據(jù)式（21）可得：ssKT（s）二M（s）Qe-張。1

16、+Ts1將式（22）兩邊取拉氏變換，并把上式代入得KQ（s）二CM（s）Qe-。1+Ts1由此得到汽壓被控對(duì)象環(huán)節(jié)1的近似傳遞函數(shù)為：Q(s)rM(s)K，Ms123)式中KM變化引起Q變化的比例系數(shù)（kJ/kg）；MreM改變至Q變化的滯后時(shí)間（s）；Mr兒M變化引起Qr變化的慣性時(shí)間（s）；環(huán)節(jié)1的方框圖如圖2.2所示。21+7；/卜圖2.2環(huán)節(jié)1方框圖環(huán)節(jié)2的動(dòng)態(tài)熱平衡方程式可以表示如下：Qdt二(i-i)Ddt+Wdirsbb24)式中ib汽包水焓值（kJ/kg）；Wb汽包蓄水量（kg）。由于鍋爐內(nèi)飽和水的熱焓是飽和蒸汽壓力Pb的函數(shù)，即b則：di二叱dPbdPbb25)將上式代入式（

17、24）得：Qdt二(ii)Ddt+Wdf(Pb)dPrsbd(P)bbWdf(P)W1QbdPdPr=D+bbi-ii-idt26)令CbWdf(P)Wb-bdPbffiis叮名得sdP=D+Cibdt27)式中Cb蓄熱系數(shù)（kg/MPa）；Dq用蒸汽量單位表示的鍋爐汽水容積吸熱量（kg/s）。環(huán)節(jié)2的輸入量取為熱量信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)之差，輸出量為Pb，對(duì)式（27）進(jìn)行b拉氏反變換，得環(huán)節(jié)2的傳遞函數(shù)為：()P(s)28)W(s)二b-2D(s)-D(s)Q環(huán)節(jié)2的方框圖如圖2.3所示。圖2.3環(huán)節(jié)2方框圖過(guò)熱器出口、入口差壓的大小與過(guò)熱器流通阻力、蒸汽流量D有關(guān)，可用下式近似為:P一P=KD

18、2（29）bMgr對(duì)上式兩邊取增量，為d（P-P）=2KDdDbMgr令2KD=R，則上式寫(xiě)成如下形式：grgrd（P-P）dD=bM（210）Rgr式中d（P-P）壓力變化增量（MP）；bMadD蒸汽變化增量（kg/s）；R過(guò)熱器動(dòng)態(tài)阻力（cm2/s）。gR的大小與D有關(guān)，隨負(fù)荷增加而增加。將式（210）進(jìn)行拉氏變換，得到環(huán)節(jié)3g的傳遞函數(shù)：W(s)=3D(s)P(s)-P(s)bM1Rgr211)環(huán)節(jié)3的方框圖如圖2.4所示。圖2.4環(huán)節(jié)3方框圖PM作為環(huán)節(jié)4的輸出量，取D與Dt之間差值作為輸入變量，則環(huán)節(jié)4的傳遞函數(shù)為:P(s)MD(s)-D(s)T1C7M(212)式中CM蒸汽母管的容

19、量系數(shù)(kg/MP)。Ma環(huán)節(jié)4的方框圖如圖2.5所示。圖2.5環(huán)節(jié)4方框圖環(huán)節(jié)5的傳遞函數(shù)可用下式表示：1D二P+KR(213)TRMTTT式中Rt汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)流通阻力系數(shù)(MPa/kgs-1)；Kt調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)放大系數(shù)(kg/s)；卩調(diào)節(jié)閥開(kāi)度()。T對(duì)式(213)取拉氏變換后為：1214)D(s)=P(s)+K卩(s)TRMTTT取母管壓力PM及閥門(mén)開(kāi)度卩作為輸入量,MTDt作為輸出量，環(huán)節(jié)5的方框圖如圖2.6所示。為了研究問(wèn)題的方便，將環(huán)節(jié)1的輸出量Qr也用熱量信號(hào)Dq來(lái)表示，則環(huán)節(jié)1的比例系數(shù)Km用Km來(lái)代替，此時(shí)：K=K.(ii)MMs環(huán)節(jié)1的傳遞函數(shù)為：215)D(s)KQ=M(s

20、)1+Ts1式中Km鍋爐燃料量變化引起蒸汽流量變化的比例系數(shù)。汽壓被控對(duì)象的方框圖和信號(hào)流圖分別如圖2.7及圖2.8所示。圖2.7圖2.8汽壓被控對(duì)象信號(hào)流程圖Ml+T11D+x+w*汽壓被控對(duì)象方框圖2燃燒率擾動(dòng)下汽壓被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型由于給煤量提供煤粉量不均勻以及煤的質(zhì)量（發(fā)熱量）發(fā)生變化，引起了燃料量的變化。若燃料量增加，爐膛熱負(fù)荷立即增大，致使汽包壓力上升，壓差增大，就使蒸汽量增加。由于汽機(jī)調(diào)汽門(mén)開(kāi)度不變，主汽壓將隨著蒸汽的積累而增大。主汽壓的升高又會(huì)使蒸汽通向用汽設(shè)備的流出量增加，最終達(dá)到新平衡。M擾動(dòng)下的汽包壓力變化的傳遞函數(shù)可以由圖2.8Ke-咕(CRCRs2+CRs+CRs

21、)MbgrMTbTbgr根據(jù)梅遜增益公式求出為：P(s)W(s)=b=M二_b_gr一M_Tb_Tb_gr(216)bM(s)(1+Ts)Cs(CRCRs2+CRs+CRs+1)1bbgrMTbTbgr由于實(shí)際母管容量系數(shù)CM很小，可以認(rèn)為cMo,則上式可寫(xiě)為:217)P(s)K(R+R)W(s)=buMTgrebM(s)(1+Ts)C(R+R)s+11bTgr同樣，燃燒率擾動(dòng)下母管壓力PM變化的傳遞函數(shù)為:W(s)=bM(s)RUTR+RTgrK(R+R)MTgreTsM1(1+Ts)C(R+R)s+11bTgr218)3負(fù)荷擾動(dòng)下汽壓被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型負(fù)荷階躍擾動(dòng)下，汽壓變化的動(dòng)態(tài)特性

22、有下列兩種情況。（1）MT擾動(dòng)下汽壓被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型在這種情況下，MT的階躍變化是汽壓被控對(duì)象的輸入量，而Pb和PM是輸出量，由圖TbM2.8可以得到相應(yīng)的傳遞函數(shù):w()P(s)KRW(s)=b=bT卩(s)CCRRs2+CRs+CRs+CRs+1T219)MbTgrMTbTbgr由于cMo，則W(s)=bTP(s)KRbUTT卩(s)C(R+R)s+1TbT220)gr同理求得:w()P(s)W(s)=MMT卩(s)TKRRTTgrR+RTgrKR2+T_TR+RTgrbTgr221)2）用汽量D擾動(dòng)下汽壓被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型由圖2.8可以得到在D階躍擾動(dòng)下汽壓被控對(duì)象的傳遞函數(shù):

23、W(s)bD1P(s)b=D(s)CCRs2+Cs+CsMbgrMb222)由于cMo，得:WbDP(s)1bD(s)Csb223)同理可得:W(s)=22DD(s)CRs+1bgruCCRs2+CS+CsMDgrMb+grCs丿b224)、送風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的好壞，直接影響爐膛的空氣過(guò)剩系數(shù)的變化。引起空氣過(guò)剩系數(shù)變化的主要擾動(dòng)是燃料量和送風(fēng)量。風(fēng)量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有較大的自平衡能力，幾乎沒(méi)有延遲和慣性，近似為以比例環(huán)節(jié)。而燃料量擾動(dòng)時(shí)，需經(jīng)過(guò)輸送和燃燒過(guò)程而略有遲延。三、爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性爐膛負(fù)壓主要受鼓、引風(fēng)機(jī)的影響，調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性較好，擾動(dòng)通道的飛升時(shí)

24、間很短，飛升速度很快。通過(guò)對(duì)燃燒過(guò)程被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析可知，燃燒過(guò)程的主要干擾量為給煤量（內(nèi)擾）和蒸汽負(fù)荷變化量（外擾），在燃燒率擾動(dòng)下，汽壓被控對(duì)象存在一定的滯后時(shí)間。根據(jù)汽壓的變化去改變?nèi)紵剩赐瑫r(shí)協(xié)調(diào)地改變?nèi)剂狭俊⑺惋L(fēng)量和引風(fēng)量）能夠較為有效地控制汽壓，這就為燃燒過(guò)程的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。23鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)231目前常見(jiàn)的燃燒控制系統(tǒng)研究控制系統(tǒng)的組成十分重要，由于設(shè)計(jì)思想的不同產(chǎn)生了不同結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)發(fā)展至今已形成了幾種典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，串接串聯(lián)式、串接并聯(lián)式、控制反系統(tǒng)等。煤粉鍋爐還有交叉限幅式。下面簡(jiǎn)單分析前三種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。規(guī)定：表示M蒸汽壓力，V

25、表示送風(fēng)，M表示給煤，V表示引風(fēng)，S表示爐膛負(fù)壓，a表示風(fēng)煤比，PI（1=1,STi2，3，4）表示PI控制器。一、串接串聯(lián)燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)12空氣先行串接串聯(lián)燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.9所示，它的缺點(diǎn)是當(dāng)蒸汽負(fù)荷減少時(shí)，空氣流量先于燃料減少，從而導(dǎo)致燃料過(guò)多，使黑煙增多。F（t）是前饋補(bǔ)償系數(shù)?？諝庀刃写哟?lián)控制系統(tǒng)很容易變?yōu)槿剂舷刃写哟?lián)控制系統(tǒng)，如圖2.10所示。當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，燃料先增加，后增加風(fēng)量，從而導(dǎo)致過(guò)多的燃料，使黑煙增多。對(duì)鏈條爐來(lái)說(shuō)，一般采用的是空氣先行控制系統(tǒng)。圖2.10燃料先行串接串聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)二、串接并聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)13該系統(tǒng)是以控制燃料量和空氣量的比

26、例來(lái)保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。吉構(gòu)見(jiàn)圖2.11所示。PI2和PI設(shè)定值，PI接受負(fù)荷要求信號(hào)和燃料反饋信號(hào)M,其任務(wù)是使燃料與負(fù)荷要求相適應(yīng)。32PI3接受負(fù)荷要求信號(hào)和送風(fēng)量信號(hào)，其任務(wù)是使送風(fēng)量與負(fù)荷要求相適應(yīng)，從而間接地使送風(fēng)量與燃料量成正比，即保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。為了保證送風(fēng)量與引風(fēng)控制協(xié)調(diào)進(jìn)行，以減小爐膛負(fù)壓偏差，由送風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)補(bǔ)償裝置F(t)(時(shí)間函數(shù)轉(zhuǎn)換器)加一前饋信號(hào)送入引風(fēng)調(diào)節(jié)器PI。該補(bǔ)償裝置可以是一個(gè)微分環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)時(shí)前饋補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生作用，靜態(tài)時(shí)微分4信號(hào)消失，爐膛負(fù)壓任由PI控制。4圖2.11串接并聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)前面討論的二種典型的燃燒控制系統(tǒng)是靠空燃比a保持一定值來(lái)達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒的。

27、這在負(fù)荷、煤種經(jīng)常變化，燃料測(cè)量不準(zhǔn)確的情況下，不能較好地保證經(jīng)濟(jì)燃燒。對(duì)串接并聯(lián)系統(tǒng)，由于燃料調(diào)節(jié)部分和送風(fēng)調(diào)節(jié)部分的動(dòng)態(tài)特性可能不一致，所以空燃比會(huì)發(fā)生變化。對(duì)圖2.11略加改進(jìn)，在送風(fēng)控制子系統(tǒng)中串入一個(gè)氧量校正調(diào)節(jié)器PI，組成具有氧量校正5的燃燒控制系統(tǒng)。蒸汽負(fù)荷與煙氣含氧量有關(guān)系，故通過(guò)一個(gè)函數(shù)轉(zhuǎn)換器f（X）對(duì)它進(jìn)行負(fù)荷修正。經(jīng)過(guò)修正的氧量信號(hào)進(jìn)入PI調(diào)節(jié)器與最佳含氧量給定值進(jìn)行比較，當(dāng)產(chǎn)生偏差時(shí)，PI輸出給55PI3進(jìn)行風(fēng)量校正，這個(gè)校正應(yīng)進(jìn)行的相當(dāng)緩慢，因?yàn)镻I3的調(diào)節(jié)作用已基本上保證了風(fēng)煤比例。三、燃燒控制反系統(tǒng)14燃燒控制反系統(tǒng)具有這樣的特點(diǎn)：引風(fēng)量與負(fù)荷相適應(yīng)，送風(fēng)量維持爐

28、膛負(fù)壓。用氧量信號(hào)調(diào)節(jié)燃料量。這種系統(tǒng)不要求測(cè)量熱量信號(hào)，燃料信號(hào)，送風(fēng)量。但要求準(zhǔn)確迅速的測(cè)量煙氣中的含氧量。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.12所示。圖2.12燃燒控制反系統(tǒng)這種系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)是可以消除漏風(fēng)的不利影響，而與之對(duì)應(yīng)的燃燒控制正系統(tǒng)，由于漏風(fēng)則會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)、引風(fēng)的相互干擾，致使?fàn)t膛工況不穩(wěn)定。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是對(duì)含氧量測(cè)量信號(hào)提出了較高的要求，對(duì)這種要求，目前較難達(dá)到。232燃燒控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多變量耦合系統(tǒng)。輸入量有：給煤量、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量；輸出量有：蒸汽壓力、煙氣含氧量（燃燒的經(jīng)濟(jì)性）、爐膛負(fù)壓。燃料是熱量的唯一來(lái)源，給煤量的變化直接影響鍋爐提供的蒸汽量，也影響汽

29、包壓力的變化，是燃燒系統(tǒng)的主控量。鼓風(fēng)量的變化產(chǎn)生不同的風(fēng)煤比和相應(yīng)的燃燒狀況，表現(xiàn)出不同的爐膛溫度，并決定爐膛損失的大小，直接決定著鍋爐能否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在送風(fēng)量改變的同時(shí)也改變引風(fēng)量，使?fàn)t膛負(fù)壓保持穩(wěn)定，保證鍋爐安全運(yùn)行。這三個(gè)控制子回路組成了一個(gè)不可分割的整體，統(tǒng)稱(chēng)為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，共同保證鍋爐運(yùn)行的機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。可見(jiàn)，鍋爐的燃燒過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。各輸入，輸出的耦合關(guān)系十分復(fù)雜。鍋爐系統(tǒng)具有大的延時(shí)，并且參數(shù)是時(shí)變的，對(duì)于這樣的對(duì)象，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)典的PID算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，如果鍋爐的負(fù)荷是平穩(wěn)的，那么，PID可以達(dá)到控制要求。本文提到的鍋爐的負(fù)荷變化

30、范圍從零到最大負(fù)荷量，并且是不定時(shí)變負(fù)荷。這種情況常規(guī)PID是難以控制的。解決這些問(wèn)題的方法是采用比PID更為有效的智能控制技術(shù)，這里采用模糊控制的方法。下圖為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖：圖2.13鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖將人工智能引入控制方案，主汽壓控制采用模糊控制的思想，以克服汽壓被控對(duì)象時(shí)變大延時(shí)的特性；為了保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒，送風(fēng)量的控制采用自尋優(yōu)控制；爐膛負(fù)壓的控制采用PID控制。為便于分析，現(xiàn)分成三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行討論：以燃料量維持汽包壓力恒定的主汽壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)；以送風(fēng)量維持經(jīng)濟(jì)燃燒的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；以引風(fēng)量維持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在介紹這三個(gè)系統(tǒng)之前,我先介紹一下模糊控制。第四章主汽壓控

31、制系統(tǒng)主蒸汽壓力的變化反映了鍋爐的蒸汽產(chǎn)量與負(fù)荷耗汽量之間的不平衡，這時(shí)需要改變?nèi)剂狭恳愿淖冨仩t的蒸汽產(chǎn)量，來(lái)達(dá)到適應(yīng)負(fù)荷耗汽量變化的目的，從而構(gòu)成主蒸汽壓力控制系統(tǒng)。主蒸汽壓力的主要干擾量為給煤量（內(nèi)擾）和蒸汽負(fù)荷變化量（外擾），在前面我們已經(jīng)分析了這兩種干擾對(duì)汽壓對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型，從這兩種模型可以看出，應(yīng)該以?xún)?nèi)擾為主可以使主汽壓保持穩(wěn)定。所以，選擇汽壓為被控量，控制量是控制鏈條速度的交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。汽壓被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：KG(s)=KG(s)exp(-Ts)=pexp(-Ts)(41)ppp(1+Ts)(l+Ts)pp1p2式中,靜態(tài)增益K、p時(shí)間常數(shù)T和T、延遲時(shí)間t都是隨運(yùn)行工況的不

32、冋而變的參p1p2p數(shù)。下面，我將采取三種不同的控制方法對(duì)汽壓模型進(jìn)行仿真，并比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)?？刂茖?duì)象的各參數(shù)取為24：t=40,K=1,T=100,T=50。Ppp1p2輸入為單位階躍信號(hào)。41PID控制PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱(chēng)。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展過(guò)程中,PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。在本世紀(jì)40年代以前,除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開(kāi)關(guān)控制外,它是唯一的控制方式。此后,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展,涌現(xiàn)出許多新的控制方法。然而直到現(xiàn)在,PID控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)25：原理簡(jiǎn)單，使用方

33、便；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。411PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1PID控制結(jié)構(gòu)圖PID控制結(jié)構(gòu)如圖所示，其中U=Ke+K工e+Kde/dt,pid式中：uPID控制輸出e(t)PID控制輸入，即偏差e(t)=r(t)-y(t)K比例系數(shù)pK積分系數(shù)iKd微分系數(shù)d412系統(tǒng)仿真取PID各參數(shù)如下：K=1.2,K=0.008,K=20。得仿真結(jié)果如圖所示:pid圖4.2階躍響應(yīng)仿真曲線從圖可看出，響應(yīng)曲線的超調(diào)比較大，調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，大概需要400S左右，改變PID參數(shù)，效果仍不理想。要想獲得較滿(mǎn)意的控制效果，PID參數(shù)整定非常困難，而且即使整定了一組滿(mǎn)意的控制

34、參數(shù)，當(dāng)被控對(duì)象特性發(fā)生時(shí)變或隨機(jī)干擾較大時(shí)，就很難保持良好的控制效果。因此，在工業(yè)過(guò)程具有非線性、大純滯后、時(shí)變性、隨機(jī)干擾大的情況下，要獲得良好的控制，就要在控制過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和行為，引入補(bǔ)償措施或智能控制。42SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控對(duì)象除了具有容積延遲外，往往不同程度地存在著純遲延。由于純遲延的存在，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，即使測(cè)量信號(hào)到達(dá)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)接受調(diào)節(jié)信號(hào)后立即動(dòng)作，也需要經(jīng)過(guò)純延時(shí)間T以后，才波及被調(diào)量，使之受到控制。因此，這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。所以，具有純延遲的過(guò)程被公認(rèn)為是較難控制的過(guò)程。普通

35、的PID控制對(duì)大延遲系統(tǒng)很難收到理想的效果。在PID控制中引入SMITH預(yù)估器，它將消除大延遲對(duì)系統(tǒng)過(guò)度過(guò)程的影響，使調(diào)節(jié)過(guò)程的品質(zhì)與過(guò)程無(wú)純延遲環(huán)節(jié)的情況一樣，只是在時(shí)間坐標(biāo)上向后推遲了一個(gè)時(shí)間T。421SMITH預(yù)估補(bǔ)償原理2627史密斯(SMITH)預(yù)估補(bǔ)償方法是得到廣泛應(yīng)用的方案之一。它的特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被延遲了T的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而明顯的減小超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過(guò)程，其控制系統(tǒng)原理如圖所示。圖4.3史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖圖中，Kg(s)是對(duì)象除去純延時(shí)環(huán)節(jié)e7dS以后的傳遞函數(shù)，Kg(s)是史密斯ppp

36、p預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。假若系統(tǒng)中無(wú)此補(bǔ)償器，則由調(diào)節(jié)器輸出u(s)到被調(diào)量Y(s)之間的傳遞函數(shù)為Y(s)u(S)二Kg(s)e-方pp42)上式表明，受到調(diào)節(jié)作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過(guò)純延遲T之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采d用預(yù)估補(bǔ)償器，則調(diào)節(jié)量U(s)與反饋到調(diào)節(jié)器的信號(hào)Y(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即器二kg(s)e&+kg(s)(43)U(s)ppss為使調(diào)節(jié)器采集的信號(hào)Y(s)不至延遲T，則要求式為：dY(v)二Kg(s)e-Tds+kg(s)二kg(s)U(s)ppsspp從上式便可得到預(yù)估補(bǔ)償函數(shù)Kg(s)=Kg(s)(1-e-%)(44)sspp一般稱(chēng)式(44)表示的

37、預(yù)估器為史密斯預(yù)估器，其實(shí)施框圖如圖所示，只要一個(gè)與對(duì)象除去純延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)Kg(s)相同的環(huán)節(jié)和一個(gè)延遲時(shí)間等于T的純延遲環(huán)節(jié)就可以ppd組成史密斯預(yù)估模型，它將消除大延遲對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響，使調(diào)節(jié)過(guò)程的品質(zhì)與過(guò)程無(wú)純延遲環(huán)節(jié)時(shí)的情況一樣，只是在時(shí)間坐標(biāo)上向后推遲了一個(gè)時(shí)間t。從圖4.4可以推導(dǎo)出d系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為KG(s)g(s)e-TdspcpY(s)1+KG(s)g(s)(1-e-Tf)KG(s)g(s)e-T=p_pp=pcp(45)R(s)KG(s)g(s)e-tds1+KG(s)g(s)1+pcppcp1+KG(s)g(s)(1-e-Tds)pcp圖4.4史密斯補(bǔ)償系統(tǒng)

38、方框圖很顯然，此時(shí)在系統(tǒng)的特征方程中，已不包含eds項(xiàng)。這就是說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。當(dāng)然閉環(huán)傳遞函數(shù)分子上的e-tds說(shuō)明被調(diào)量y(t)的響應(yīng)還比設(shè)定值延遲時(shí)間。d422系統(tǒng)仿真控制器采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器，預(yù)估模型各參數(shù)與被控對(duì)象各參數(shù)相同。PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)為：K=3.2,K=0.023,K=22.0。仿真結(jié)果如圖所示：pid圖4.5史密斯預(yù)估控制仿真波形從圖可看出，PID控制中引入SMITH預(yù)估器，控制效果有很大改善，調(diào)節(jié)時(shí)間比普通PID控制縮短許多，PIDSMITH控制調(diào)節(jié)時(shí)間只有270S左右，而普通PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間需要400S。PIDSMITH控制也有很

39、大缺點(diǎn)，對(duì)模型要求的精確程度很高，預(yù)估模型的參數(shù)必須與被控對(duì)象的參數(shù)保持一致，當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)變化時(shí)其控制性能會(huì)顯著變壞，甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定的漸擴(kuò)振蕩。43模糊控制431主汽壓模糊控制結(jié)構(gòu)主汽壓模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.6所示。基本模糊控制缺乏對(duì)具有較大純時(shí)間滯后對(duì)象的控制能力，因此，在模糊控制系統(tǒng)中引入SMITH預(yù)估控制，以提高模糊控制器對(duì)具有純時(shí)間滯后對(duì)象的控制能力。常用的模糊控制器輸出環(huán)節(jié)有比例輸出和積分輸出兩種形式，前者階躍響應(yīng)快，但為有差控制，后者可接近無(wú)差控制，但響應(yīng)慢，且超調(diào)較大。本系統(tǒng)采用二者相結(jié)合的比例積分輸出結(jié)構(gòu)，具有超調(diào)小、暫態(tài)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)28。圖4.6主汽壓模糊控制結(jié)構(gòu)由模糊

40、控制器的一般工作原理，可知實(shí)際控制量為29：u(i)=KXDEfKXe(i),Kxec(i)+KDEfKxe(n),Kxec(n)(46)u1eeci1eecn=0式中DE表示模糊判決f為非線性算子,K為誤差量化因子,K為誤差變化量化因子,K1eecu為控制量比例因子,K為積分因子。i433系統(tǒng)仿真這里，取量化因子、比例因子和積分因子的值如下K=6,K=120,K=4,K=0.04eecui輸入為單位階躍信號(hào)，得仿真結(jié)果如圖：從上圖可看出，與PIDSMITH相比，控制效果有了顯著改善，幾乎沒(méi)有超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間也縮短許多，只有130S左右。44仿真研究441仿真比較當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)改變時(shí)，對(duì)FUZZ

41、YSMITH與PIDSMITH控制進(jìn)行仿真，并分析其影響。被控對(duì)象靜態(tài)增益K改變。P下面，分兩種情況來(lái)討論。K小幅度的波動(dòng)，從1改變到1.2；PK大幅度的波動(dòng)，從1改變到1.85。并且比較FUZZYSMITH和PIDSMITH的仿真結(jié)果。PK由1改變到1.22LKp=l11050100150200250300350400450500time(sec)圖4.13PIDSMITHP圖4.12FUZZYSMITH從上圖中可看出,PIDSMITH控制對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化特別敏感,FUZZYSMITH控制雖對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化也有反應(yīng)，但遠(yuǎn)沒(méi)有PIDSMITH控制那么明顯。K由1改變到1.85p當(dāng)被控對(duì)象

42、的參數(shù)變化幅度再增大，PIDSMITH控制已不能穩(wěn)定工作，F(xiàn)UZZYSMITH雖也振蕩了幾次，但最終還是穩(wěn)定下來(lái)。因此，可以得出一個(gè)結(jié)論，模糊SMITH控制比傳統(tǒng)的SMITH控制具有更優(yōu)越的性能,它的適應(yīng)能力更強(qiáng)，適合在參數(shù)時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)中使用。被控對(duì)象其他參數(shù)變化時(shí)對(duì)模糊SMITH控制的影響。1）T改變時(shí)對(duì)模糊SMITH的影響。d下圖，分別為延遲時(shí)間常數(shù)T從40改變到35和從40改變到45時(shí)，模糊SMITH控制d的仿真曲線。1.41.20.80.60.40.29=407II1/0501001502002503003504004505001.41.20.80.60.40.2./廠L11/501

43、00150200250300350400450500time(sec)圖4.16工d:4_35圖4.17T：4045d2）時(shí)間常數(shù)Tp改變時(shí)對(duì)模糊SMITH的影響。下圖為時(shí)間常數(shù)T從100改變到80時(shí)，模糊SMITH控制的仿真曲線。p1圖4.18T:100-80p1Tl=8LTl=100-yi050100150200250300350400450500time(sec)3）被控對(duì)象幾個(gè)參數(shù)同時(shí)改變時(shí)，對(duì)模糊SMITH的影響。當(dāng)被控對(duì)象的幾個(gè)參數(shù)發(fā)生如下變化時(shí):t:40-50，K:1-1.2,T:10080,T:50-40ppp1p2階躍響應(yīng)曲線如下圖所示。圖4.19仿真曲線當(dāng)被控對(duì)象的其它參數(shù)

44、改變時(shí)，對(duì)FUZZYSMITH控制或多、或少都有影響，但影響不大，在允許范圍內(nèi)。442控制器參數(shù)對(duì)FUZZY-SMITH輸出的影響當(dāng)模糊控制器的四個(gè)參數(shù)K、K、K和K增大或減小時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，如下圖所示。eecui圖4.20K改變e圖4.21K改變ec圖4.23K改變i圖4.22K改變u從上圖可看出，模糊控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出有一定影響。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，總結(jié)出模糊控制器參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的定性分析：1.K越大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)惰性越小，系統(tǒng)的上升速率越大；K過(guò)大，則系統(tǒng)的上升速率ee過(guò)大，將產(chǎn)生較大的超調(diào)，使調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至使系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作；若K過(guò)小，則一方面使系統(tǒng)的

45、上升速率較小，導(dǎo)致快速性變差；另一方面也嚴(yán)重影響e系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)精度降低。2K過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)輸出的上升速率減小，使系統(tǒng)的過(guò)度時(shí)間變長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)輸出ec發(fā)散；K過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)輸出的上升速率增大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)和振蕩，并ec且反向超調(diào)也大。3K過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的上升速率過(guò)大，使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生波動(dòng)，可能導(dǎo)致等幅振u蕩甚至發(fā)散；K過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)的前向增益很小，因而，系統(tǒng)輸出的上升速率較小，快速性變u差，還會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差增大。4K較小時(shí)，可以提高穩(wěn)態(tài)精度；K太大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。ii443抗干擾分析從前面我們已經(jīng)了解到，汽壓控制系統(tǒng)的主要干擾量是給煤量和蒸汽負(fù)荷變化量，下面我

46、將分別討論這兩種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。圖4.24帶干擾量的系統(tǒng)框圖1給煤量干擾在系統(tǒng)運(yùn)行300S后（此時(shí)系統(tǒng)已穩(wěn)定），由于某種原因?qū)嶋H給煤量有20%的波動(dòng)，系統(tǒng)仿真如下圖所示。圖4.25給煤量擾動(dòng)下的仿真圖從上圖可看出，在給煤量有大幅度的波動(dòng)下，主汽壓的波動(dòng)還不到5%，說(shuō)明本系統(tǒng)對(duì)內(nèi)擾有很強(qiáng)的抑止能力。2用汽量干擾在系統(tǒng)運(yùn)行300S后（此時(shí)系統(tǒng)已穩(wěn)定），由于某種原因用汽量突然增加20%，系統(tǒng)仿真如下圖所示。圖4.26用汽量擾動(dòng)下的仿真圖從上圖可看出，在用汽量有大幅度的波動(dòng)下，主汽壓的波動(dòng)在5%之內(nèi)，說(shuō)明本系統(tǒng)對(duì)外擾有很強(qiáng)的抑止能力。45結(jié)論模糊控制算法具有階躍響應(yīng)速度快、精確度較高、對(duì)參數(shù)變化

47、不敏感以及整定更為容易等特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了智能控制方法對(duì)于被控對(duì)象的良好適應(yīng)性。將SMITH預(yù)估引入模糊控制器，提高了控制系統(tǒng)對(duì)具有純時(shí)間滯后對(duì)象的控制能力，模糊SMITH控制無(wú)論從控制的快速性還是對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性都比常規(guī)SMITH控制優(yōu)越的多。但本系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)，模糊控制規(guī)則的建立必須建立在一定的操作經(jīng)驗(yàn)上，規(guī)則的好壞對(duì)系統(tǒng)有很大影響。模糊控制器四個(gè)參數(shù)K、K、K和K整定起來(lái)雖然比PID控制容易eecui的多，但是要達(dá)到最優(yōu)效果，需經(jīng)過(guò)多次湊試才能得到。第五章鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒控制工業(yè)鍋爐是一種重要的耗能設(shè)備，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化節(jié)能，是人們關(guān)注已久的課題。51鍋爐

48、燃燒分析燃煤鏈條鍋爐燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒必須完成以下兩方面任務(wù)：1）保證入爐燃煤充分燃燒；2）鍋爐的燃燒效率應(yīng)盡量高，爐膛內(nèi)未參與燃燒的過(guò)?？諝馕盏臒崃繎?yīng)盡量少。燃煤鍋爐的燃燒，實(shí)際上是在一定的溫度下煤中的炭和空氣中的氧發(fā)生的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生和釋放熱量，其反應(yīng)過(guò)程為：C+O2=CO2+409kJ/mol（51）上式表明，為保證燃料的充分燃燒，即氧化反應(yīng)充分完成，燃料量和空氣量之間的比例即風(fēng)煤比必須合適。送風(fēng)量不足（O2量不足），燃料不能充分燃燒，即進(jìn)行的氧化反應(yīng)不完全，譬如：C+1/2O2=CO+123kJ/mol（52）反過(guò)來(lái)，如果送風(fēng)量過(guò)大，燃料在進(jìn)行氧化反應(yīng)時(shí)將剩余02,該過(guò)剩氧氣將吸收

49、熱量，排入煙道后又將帶走有用熱量，降低燃燒效率。為此，采取低過(guò)?？諝馊紵刂?，是實(shí)現(xiàn)鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒的關(guān)鍵所在。通常，應(yīng)用過(guò)?？諝庀禂?shù)a來(lái)衡量鍋爐爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程是否經(jīng)濟(jì)，其定義為31：53)21%a=21%-O%2式中：02%為爐膛尾部煙氣含氧量。眾所周知，對(duì)于工業(yè)燃煤鍋爐，其過(guò)剩空氣系數(shù)a的理論值一般控制在1.31.5，但考慮到漏風(fēng)及煤質(zhì)等實(shí)際因素，a可選在1.41.8之間32。52鍋爐燃燒效率分析影響鍋爐燃燒效率的因素是比較復(fù)雜的，其中負(fù)荷的匹配、排煙溫度、燃燒充分與否均影響燃燒效率n，而煙道中煙氣的成分（CO2,O2,CO含量）在一定程度上可以代表鍋爐燃燒系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)燃燒。在煙道的煙氣

50、中，co2的含量高，則說(shuō)明燃料燃燒充分，燃燒效率n高；反之亦然。但是CO2的含量隨入爐燃煤的煤質(zhì)和類(lèi)型不同而不同，且CO2含量并不能正確地反應(yīng)過(guò)?？諝庀禂?shù)a的值是大還是小。因此，采用分析煙道中CO2含量，來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒控制是不可取的。從式（53）可知，過(guò)剩空氣系數(shù)a與煙氣中02含量成線性關(guān)系，用最佳含氧量反映鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)與否是比較合理的。反過(guò)來(lái)，控制了空氣過(guò)剩系數(shù)a值，也就控制了煙道中的02的含量。實(shí)現(xiàn)最佳a(bǔ)值也就使燃燒效率提高了。a值與熱損失、熱效率的關(guān)系曲線33見(jiàn)圖5.153鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒控制方案分析鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒控制主要有兩種方法34：一種方法是在鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中，保持空燃比為一定值，當(dāng)負(fù)

51、荷或煤種、媒質(zhì)變化后，憑經(jīng)驗(yàn)人工調(diào)整空燃比。這種方法簡(jiǎn)單易行。但當(dāng)負(fù)荷，煤種或媒質(zhì)等經(jīng)常變化時(shí)，人工很難將空燃比調(diào)整到最佳值。因?yàn)椋?jīng)驗(yàn)是人們的一種模糊認(rèn)識(shí)。第二種方法是氧量校正送風(fēng)控制方法。從四十年代起，在鍋爐燃燒控制中就已開(kāi)始使用氧量校正方法。目前國(guó)內(nèi)外微機(jī)控制系統(tǒng)中多采用該方法。其特點(diǎn)是測(cè)量并控制鍋爐煙氣中的含氧量，來(lái)修正與所給燃料成固定比例的送風(fēng)量。煙氣中O2的濃度越低，燃燒效率越高。低氧燃燒是節(jié)約燃料的好方法。例如，日本Honewell公司采用低氧燃燒控制，使煙氣含氧量由10%降為4%，結(jié)果燃料消耗節(jié)約22%。然而由于爐尾煙室和省煤器等部位有漏風(fēng)，此外還有扒渣撥火等擾動(dòng)，影響煙氣含氧

52、測(cè)量的準(zhǔn)確性，并且氧化鋯分析儀比較貴，易損壞。因?yàn)榇髿庵蠧O極少，煙氣中的CO不受漏風(fēng)等的影響，近來(lái)國(guó)外采用測(cè)量煙氣中CO含量做為氧量控制的精調(diào)，取得了良好的節(jié)能效果。目前常用測(cè)量含氧量的儀器是氧化鋯測(cè)氧儀，但氧化鋯有許多不實(shí)用之處：氧化鋯儀器貴重，反應(yīng)遲鈍（約幾分鐘，）壽命短，其設(shè)定值也是經(jīng)驗(yàn)值。燃燒狀況的檢測(cè)是燃燒過(guò)程控制的關(guān)鍵。目前日本某公司開(kāi)發(fā)出一代火焰檢測(cè)裝置光學(xué)映像火焰掃描器（OPTIS）,它采用攝像機(jī)和傳像光纖直接拍攝火焰圖像，并利用計(jì)算機(jī)處理來(lái)判別爐內(nèi)燃燒狀況35。然而，由于這些裝置價(jià)格昂貴、火焰檢測(cè)缺少統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)而無(wú)法進(jìn)行定量識(shí)別，使其目前僅適于爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，而應(yīng)用于鍋爐燃燒過(guò)程控制以提高燃燒效率的作用是有限的。第六章?tīng)t膛負(fù)壓控制負(fù)壓控制系統(tǒng)的任務(wù)在于調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的速度以改變引風(fēng)量，維持爐膛負(fù)壓恒定。爐膛負(fù)壓變化反映引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)程度，采用爐膛負(fù)壓?jiǎn)位芈氛{(diào)節(jié)及送風(fēng)量作為擾動(dòng)補(bǔ)償信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)引風(fēng)，使?fàn)t膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量為引風(fēng)量，主要干擾量為送風(fēng)量。負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)一階慣性加滯后的對(duì)象，其傳遞函數(shù)為38：KG(s)=fe-Tfs(61)f1+Tsf式中：Tf對(duì)象時(shí)間常數(shù)；K過(guò)程增益；Tf純滯后時(shí)間。61爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)圖6.