锅炉燃烧控制系统课程设计论文

科技大学

本科生课程设计论文

题目：锅炉燃烧控制系统学生姓名：

学号：

专业：自动化

班级：09-1班

指导教师：

2012年 11 月 2 日

内蒙古科技大学课程设计任务书

基于matlab锅炉燃烧控制系统设计平台

【摘要】：

锅炉燃烧控制系统包括燃料量控制系统、风量控制系统系统和炉膛压力控制系统。在研究了被控对象动态特性的基础上,建立了控制系统的数学型,MATLAB/SIMULINK对系统进行仿真研究。主要分析了影响主汽压力的各种因素,给出了串级结构的锅炉主蒸汽压力调节方案,针对送风系统的运行特点,给出了控制炉膛烟气含氧量的控制系统方案;根据引风系统的要求设计了引风量自动控制系统;在此基础上,对燃烧控制系统的总体方案和策略进行仿真组态,仿真结果表明,本文控制方法是可行和有效的。

【关键词】：锅炉；燃烧控制；仿真

目录

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第一章绪论

1.1 课题研究的背景

目前，中国的电能生产中，火力发电占70%左右，为主要发电方式，是电力工业的焦点。火力发电是利用一次能源煤等燃料通过锅炉、汽轮机等发电设备换成电能。锅炉燃烧过程自动调节在火力发电厂中占据着十分重要的地位，是电力生产过程中安全经济运行的保证。但电厂锅炉的燃烧效率并不是很高，燃烧效率的高低在很大程度上取决于锅炉所配备的燃烧控制系统的好坏。因此，建立一套合理的实际可行的燃烧控制系统有着十分重要的意义。针对我国锅炉燃烧自动控制系统存在的问题，进行锅炉燃烧自动控制系统计算机仿真的研究也就应运而生了。

本文对锅炉燃烧控制系统进行了分析，应用MATLAB/SIMULINK 进行燃烧控制系统的计算机仿真，采用工程整定方法来进行PID 控制器的设计。

1.2 过程控制系统

随着人们生活水平的不断提高，工业产品的功能和质量同时也向更高的层次发展，所以要企业产品的制造工艺过程越来越复杂，为了满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护坏境等的要求也越来越高。

现代工业控制，过程控制的技术是一个历史久远的分支。过程控制技术发展到今天，在控制方式上经历了从人工控制到自我控制两个发展时期。在自动控制时期中，过程控制系统经历了三个阶段，他们分别是：分散控制系统、集中控制系统、集散控制阶段。

过程控制是自动化技术的重要分支，在电力、石化、轻工、冶金等连续生产过程中有着广泛的应用。近年来，过程控制技术本身及其应用领域得到了迅速发展。自动化技术在农业、工业科技以及人们的日常生活中发挥着重要作用。

工业生产过程控制的要求很多，但归纳起来主要有三点：即安全性、稳定性、经济性。安全性是指在整个生产过程当中，确保人生和设备的安全，这是最重要最基本的要求。稳定性是指系统一直外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力。工业生产的环境不是固定不变的，这或多或少会影响稳定生产，在外部干扰的作用下，过程控制系统应该使过程参数和状态的变化尽可能小。经济性是只生产同样的质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也即要求最低成本最高效益的生产。这不仅是需要对过程控制系统的设计进行优化，而且，还需要实现以经济效益为目标的管理一体化。

1.3 Matlab/Simulink简介

1）简介

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

2）功能

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

3）特点

丰富的可扩充的预定义模块库

交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图

以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理

通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码

提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成

使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型

图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为

可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据

模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误

第二章锅炉燃烧控制系统的分析

2.1 实训内容——锅炉燃烧控制系统

（一）燃烧控制的任务

锅炉燃烧过程自动控制系统的任务锅炉燃烧过程自动控制系统的任务是控制燃料燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适合外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。因此，当锅炉负荷改变时，需要进行燃烧的调整。锅炉燃烧过程自动控制主要包括：燃料量的控制、送风量的控制和引风量的控制。

(二)燃烧过程的控制

燃烧控制系统包括燃料量控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统和燃料与空气比值控制系统。

锅炉主蒸汽压力是燃烧量控制系统的主要被调量,为此,下面分析一下在主要扰动下,主蒸汽压力的动态特性。以蒸汽压力作为被调量的燃烧调节对象的生产过程如图1 所示。引起蒸汽压力变化的因素是很多的, 如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量、以及各种使燃烧工况变化的原因。它的主要扰动是燃料量的改变（称为内扰）和蒸汽量的改变（称为外扰）。

1.燃料量控制系统包括：串级控制系统、串级+比值控制系统、逻辑提降量的比值控制系统

燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性

锅炉在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变，几乎没有迟延和惯性，即为比例环节。而蒸发部分可以看作是一个储热量的容积，反应储热量多少的主要参数是汽包压力P。当炉膛发热量Q 和蒸汽流量D 所带走的热量不相等时，汽包压力P 就要发生变化

2.送风自动调节对象的动态特性

送风调节系统的好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化，引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量。风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎没有迟延和惯性，近似为比例环节。而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有迟延。由于送风系统几乎没有延迟和惯性。所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。

3.炉膛负压自动调节对象的动态特性

炉膛负压主要受送、引风机的影响，调节通道的动态特性较好，扰动通道的飞升时间很短，飞升速度很快。通过对燃烧过程被控对象动态特性分析可知，燃烧过程的主要扰动为给煤量（内扰）和蒸汽负荷变化量（外扰），在燃烧率扰动下，汽压被控对象存在一定的滞后时间，根据汽压变化去改变燃烧率（即同时协调地改变燃料量、送风量和引风量）能够较为有效的控制汽压。这就为燃烧过程的设计提供了依据。

2.2 设计方案

1.控制系统的参数整定

为了使系统无静差，燃料流量控制器、蒸汽压力控制器、空气流量控制器以及负压控制系统的控制器均采用PI控制，通过整定Kp、Ti、的值选取最有参数会出响应曲线图。对炉膛负压控制系统增加送风量的动态前馈补偿，通过对Kd、T1、T2值的整定，比较各种参数下的响应曲线得到, Kd=0.03，T1=6,T2=3.

对于燃料流量控制系统，为了使系统无静差，燃料流量控制器采用PI形式，其参数整定为Kp=0.55，Ti=15，燃料流量控制系统的阶跃响应曲线如下图：

图2-1 燃料流量控制系统的阶跃响应

蒸汽压力控制与燃料流量控制系统构成串级控制系统，采用PI控制形式，参数整定为Kp=0.2，Ti=20。

空气流量控制系统，空气流量控制器采用PI控制，参数整定为Kp=0.55，Ti=15。

对于负压控制系统，其控制器采用PI控制，其参数整定为Kp=0.03，Ti=45 送风量影响炉膛负压的变化，所以增加动态前馈补偿，其最终参数整定为Kd=0.03，T1=6,T2=3

2.控制系统的仿真的设计步骤

第一步：分别做出三个子系统的原理图及控制方框图，再综合三个影响量绘出总框图

第二布：在matlab/simulink下构建PID仿真控制系统，依照PID参数整定原则进

行系统校正

第三步：仿真满足设计要求后，再在实际系统中运行测试控制效果，观察分析仿真图即实际控制现象，进行参数微调。

3.控制系统的仿真

燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统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和炉膛负压控制系统，由于锅炉燃烧控制系统的各个子系统并不是孤立的，它们之间是相互联系、不可分割的，图2-1 为典型的燃烧控制系统总体的方框图，当负荷发生变化时，主汽压力根据需要，其调节的给定值也要相应的发生变化，炉膛含氧量、炉膛负压也会受到影响

图2-1燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的仿真图

图2-2燃烧控制系统的响应曲线

第三章总结

3.1结论

通过以上利用MATLAB/SIMULINK 软件对锅炉燃烧控制系统的仿真研究可得到以下结论：

1. 锅炉燃烧主汽压调节采用热量信号作为内回路燃料量调节器的校正信号是可行的。燃料量控制系统采用PID 串级的方法，通过测量所得炉膛的热量信号来调节燃料量，外回路利用主汽压力的实际信号与给定值的偏差信号通过PI 调节作用，从而使主汽压力稳定。仿真结果表明，当机组带固定负荷运行时，此方法能迅速稳定主汽压力，控制性能符合工程实际要求。它对固定对象的系统调节有着巨大的优越性，并有着丰富的实用价值，但此调节方案也有一定的弱点，就是当系统对象模型不断发生较大幅度的变化时，难以取得较理想的调节效果。所以所当机组带固定负荷时，可以采用此调节系统，但当机组负荷变化较大时，应该考虑更先进的控制方法和策略。

2.送风量控制系统采用串级的PID 控制，能够迅速调节送风量，使炉膛烟气的含氧量达

到预定值。但此控制目标的实现是建立在炉膛烟气含氧量的准确测量上的，所以说利用此方案的前提是炉膛烟气含氧量的准确测量。

3.由于引风量控制系统的动态特性较好，炉膛负压采用单级的PID 控制，仿真结果表明，送风量波动对炉膛负压没有造成太大影响，炉膛压力几乎无波动，在短时间内负压就得到稳定。实验证明，常规的PID 单级控制可以保证锅负压的安全、稳定运行，既简单又方便。

4. 通过典型的燃烧系统控制策略进行锅炉燃烧的控制，由三个被控量控制效果的仿真曲线可知，三个子控制系统模型的建立和各个调节器参数的设置基本上是能够满足工程实际要求的。若出现不满意的控制效果时，应该重新寻求合适的PID 参数或者选择更先进的控制算法进行控制，兼顾各个系统调节的实际要求，从总体控制得失上进行综合性考虑，从而达到机组的最优化运行。

3.2 心得体会

为期一个星期的MATLAB实训已经结束，虽然时间很短，但我还是从中学到了很多，对MATLAB有了一定的了解。

Matlab是一个基于矩阵运算的软件，它的运算功能非常强大，编程效率高，强大而智能化的作业图功能，可扩展性强，simulink动态仿真功能，主要用于仿真、验证、算法思想是否正确。在这段时间里，我们主要学习MATLAB的工具的使用，熟悉其最基础的功能，锻炼了我的实际动手能力。Help是MATLAB中最有效的命令。遇到问题，通常都可以借助help解决问题。

Matlab这个软件程序设计是实践性和操作性很强的事情，需要我们亲自动手。因此，我们应该经常自己动手实际操作设计程序，熟悉MATLAB的操作，这对提高我们的操作能力非常有效。

在这几天时间里，我仅仅是学了一点点皮毛，想要进一步的学习，还需要我在以后的的实际运用里不断地学习，改进自己的不足之处，让自己能够有所进步，有所成长。

[参考文献]

[1]《过程控制系统的Matlab仿真》（刘文定主编）

[2]丁轲轲,刘久斌,林青.热工过程自动调节[M].北京:中国水利水电出版社.2000.8

[3]翁思义,杨平.自动控制原理[M].北京:中国电力出版社.2001.7

[4]翟亮.基于MATLAB 的控制系统计算机仿真[M]. 北京:清华大学出版社.2006.1

[5]张志涌.精通MATLAB 6.5.北京航天航空大学出版社[M].北京:2005.8