工业锅炉过程控制系统仿真研究.doc

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1、 第1章 绪 论1.1锅炉控制的研究现状及发展1.1.1锅炉控制的研究现状工业锅炉是重要的热能动力设备，我国是当今世界锅炉生产和使用最多的国家。中国锅炉制造业是在新中国成立后建立和发展起来的。特别是改革开放以来，随着国民经济的蓬勃发展，全国有千余家持有各级锅炉制造许可证的企业，可以生产各种不同等级的锅炉。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是产品发展的趋势。在未来相当长的一段时间内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品，且以中大容量单台蒸发量10t/h居多。但燃煤锅炉会产生严重的环境污染，随着能源供应结构的变化和节能环保要求日益严格天然气开发应用将进入高速发展时期。

2、小型燃煤工业锅炉将退出中心城区。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是产品发展的趋势。1.1.2控制技术的发展趋势现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。过路作为一种典型的的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的的发展。从目前的趋

3、势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制的管理融为一体的综合自动化系统。他是在自动化技术，系新技术和各种工业声场技术的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集合起来，形成一个能适应生产环境不确定和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。1.2本课题研究的意义及主要内容1.2.1课题研究的意义锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着

4、工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。锅炉是现代工业中的重要动力设备，做好锅炉控制具有极其重要的经济价值。由于设备本身及操作管理等方面的原因，国内锅炉的性能指标与发达国家相比有较大差距，主要表现在燃料消耗高或热效率低。锅炉系统是一个多输入多输出的复杂控制对象，其燃烧过程因多变量、大时滞、强关联的复杂特性，控制起来相当困难。因此，学习并掌握工业锅炉过程控制系统的设计内容、设计方法及设计过程，培养其理论联系实际能力和和仿真应用能力，为今后从事过程控制领域工作奠定一定基础。MATL

5、AB语言是目前国际上流行的一种仿真工具语言。它具有强大的矩阵分析和运算功能建模仿真可视化功能。SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一它是基于MATLAB语言环境下实现动态系统建模、仿真的一个集成环境具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。SIMULINK提供了丰富的模型库供系统仿真使用，另外用户也可根据自己的需要开发所需的模型并通过到装扩充现有的模型库。本文通过分析锅炉燃烧过程用MATLAB软件仿真分析、计算锅炉燃烧过程。并通过实例仿真验证仿真模型的正确性。1.2.2课题研究的主要内容1.主要内容针对工业生产中，锅炉过程控制的相关问题，确

6、定控制方案，并建立系统的仿真模型，进行锅炉过程控制仿真分析，具体如下：(1)了解工业锅炉控制系统的应用领域、工艺流程；(2)锅炉控制的主要内容：锅炉汽包水位控制、锅炉蒸汽温度控制和锅炉燃料燃烧过程控制； (3)确定汽包水位控制、蒸汽温度控制和燃料燃烧过程控制系统的对象特性、控制方案及控制性能； (4)建立仿真模型，分析系统基本性能；(5)进行系统的鲁棒性分析；(6)根据仿真分析结果，给出相应结论。2.关键问题 (1)如何建立各子系统和整个系统仿真模型，对仿真结果进行分析，并确定系统性能；(2)如何进行控制器选择及参数整定；(3)如何以被控对象延时常数的变化分析系统的鲁棒性；3.研究的方法及手段

7、火电厂中锅炉的主要任务是根据负荷设备（汽轮机或蒸汽用户）的需要，供应一定规格（压力、温度和纯度）的蒸汽。火电厂中锅炉的控制主要有三个方面分别为锅炉汽包水位控制系统，锅炉蒸汽温度控制系统，锅炉燃烧过程控制系统。(1)锅炉汽包水位控制系统: 主要是为了给水量和锅炉蒸发量相平衡，使锅炉气泡水位维持在工艺规定的范围之内。通过电容式液位计将检测来的液位信号变送成标准信号，再输送给控制器，调节器在通过执行机构和阀来控制进水量，从而达到自动控制锅炉水位。(2)锅炉蒸汽温度控制系统：主要是维持过热器出口温度在允许的范围之内，保持过热器的管壁温度不超过允许的工作温度。采用分断函数辅助串级PID调解方式来实现对锅

8、炉蒸汽温度控制系统的控制。(3)锅炉燃烧过程控制系统:主要是控制锅炉出口蒸汽压力稳定、保证燃料燃烧的经济性、保证炉膛的微负压恒定。以主蒸汽压力、烟气氧含量为控制目标，以煤量和风量为控制量，即以动态风煤比的形式进行燃烧过程控制41第2章 过程控制及仿真概述2.1 过程控制系统概述2.1.1 系统特点过程控制在实际中有着各种各样的应用，具体的过程控制系统也不尽相同，但概括起来，过程控制系统主要具有以下特点。1.系统由过程检测仪表组成过程控制通过各种检测仪表、控制器等自动化设备和技术工具，对整个生产过程进行自动监测和自动控制。2.被控过程具有多样性实际生产过程中，由于生产规模不同、工艺要求各异、产品

9、品种多样，因此被控过程具有多样性。3.控制方案具有多样性由于被控过程具有多样性，而且被控过程也各有特点，通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；由计算机集散控制系统，也有现场总线控制系统；有提高控制品质的控制系统，也有实现特定要求的控制系统。4.被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数从前面可以看出，被控过程具有大惯性、大滞后等特点，所以过程控制的控制过程是一个慢过程。实际中，通常是对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位、成分、pH等过程参数进行自动检测和自动控制。5.给定值控制是主要的控制形式实际生产过程中，过程控制的主要目的是减少和消除扰动对被控参数的影响，通常按被控量的给定值进行控制

10、，所以给定值控制是主要的控制形式。2.1.2 系统分类过程看系统的分类方法很多，通常按照系统的结构特点和给定值特点来分类，下面分别进行介绍。按系统的结构特点进行分类，过程控制系统可以分为反馈控制系统、前馈控制系统和复合控制系统。1.反馈控制系统反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。反馈控制系统通常称闭环控制系统，是过程控制系统中最基本的系统。2.前馈控制系统前馈控制系统是直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。前馈控制由于无法检查控制的效果，因此在实际生产过程中很少单独应用。尤其是在

11、复杂过程中。3.复合控制系统复合控制系统也就是通常所指的前馈-反馈控制系统，它是反馈控制和前馈控制的结合，具有两者的优点。前馈控制的主要优点是能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响；反馈控制的主要优点是克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上，因此构成的复合控制系统可以提高控制质量。按系统的给定值的特点进行分类，过程控制系统可以分成恒定控制系统、随动控制系统和程序控制系统。1.恒值控制系统 系统的被控量温度、压力、流量、液位、成分等）的给定值保持在某一恒值（或在某一很小范围内不变）。2.随动控制系统系统的被控量的给定值随时间任意的变化，因此控制的作用是克服扰动，使被控量及时

12、跟踪给定值变化。3.程序控制系统系统的被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的，控制的目的是使被控量按规定的程序自动变化。2.2仿真在过程控制中的应用过程控制是一门应用性和实践性很强的学科。实验是这一学科的一个重要环节，许多重要的概念和方法必须通过实验才能更好的掌握。进行过程控制系统仿真实验不仅可以加深对过程控制的理解和认识，而且为以后在自动化仪表和过程控制系统上进行实验打下基础，而且还可以通过仿真研究各种控制系统和复杂控制算法。过程控制系统的实施是一项复杂的系统工程，不仅需要掌握控制理论的精髓，还需要对工业过程的动态及稳定特性的深刻理解；否则，所设计的过程控制系统在实际工业现场可能就表现很糟

13、，有可能即使是一个最简单的单回路PID控制，也无从着手，而事实上或许只需根据过程特性修改一下控制器的PID参数，控制系统就能完美的运行。因此，学好过程控制，应着于提高分析与解决实际问题的能力，适当的实验手段是十分必要的。但过程控制系统的实验投入也是一个庞大的系统工程，不仅需要过程装置，而且还需要测量变送设备、控制器和执行器、必要的管路、电路和各种辅助设备（如流体输送设备），不仅投入巨大，而且需专人管理维护。更重要的是，实验装置由于受场地、资金等限制，只能迷你化，但过程的动态特性与装置的大小密切相关，也就是实验装置的控制与工业现场装置的控制，仍有很大不同。计算机仿真技术的应用，不仅可以减少实验投

14、入，降低实验成本，而且可以获得比实验装置更好的实验效果。2.2.1仿真的必要性在过程控制中，仿真技术通过模拟被控对象在控制策略作用下的行为，检验控制的有效性，并对被控对象模型和算法作出评价。从20世纪40年代开始直至今日，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已经成为过程控制的核心系统，以经典的PID控制理论为基础，主要使用频域分析方法进行控制系统的设计。目前，PID控制仍然得到广泛的应用，即便是在大量采用DCS、FCS控制的现代流程工业生产过程中，采用PID的回路仍占总回路的80%90%。因为PID控制算法足以维护一般过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，容易为操作

15、人员接受。在工业生产过程中，仍有10%20%的控制问题采用PID控制和串级、比值、前馈等经典复杂控制策略无法奏效，所涉及的被控制过程往往具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是他们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。合理的过程控制方案可以带来巨大的经济效益，但是由于工业工程具有的不确定性，耦合性、非线性等特点和安全上的要求，必须进行有效和安全的控制。这一切决定了控制方案不能直接实施于现场，而是需要在实施前进行大量的仿真实验，但是这些实验在实际现场进行时不现实的，因为这样既不安全又不经济，这就给控制方案的

16、应用和发展带来诸多不便，如果可以在投入实际运行之前能对控制方案、策略和算法进行大量的仿真实验，则既可以提高安全性又可以取得更好的控制效果。因此，仿真技术已经广泛地应用于连续工业生产过程领域，显示出巨大的经济效益，其成效得到了过程工业界的一致认同。过程控制系统仿真就是以过程控制系统模型为基础，采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对过程控制系统进行实验、分析、评估及预测研究的一种技术与方法。2.2.2仿真的基本过程过程控制系统仿真包括以下几个基本步骤：问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析，其流程如图2-1所示。图2-1过程控制系统仿真流程图 1.建立数学模型。控制系统的数学模型是指描述

17、控制系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。控制系统数学模型可分为静态模型和动态模型，静态模型描述的是过程控制系统变量之间的静态关系，动态模型描述的是过程控制系统变量之间的动态关系。最常用、最基本的数学模型是微分方程与差分方程。过程控制系统数学模型的建立将在本书第五章进行详细讲述。2.建立仿真模型。由于计算机数值计算方法的限制，有些数学模型是不能直接用于数值计算的，如微分方程，因此原始的数学模型必须转换为能够进行系统仿真的仿真模型。例如在进行连续系统仿真时，就需要将微分方程这样的数学模型通过拉普拉斯变换转换成传递函数结构的仿真模型。3.编写仿真程序。过程控制系统的仿真涉及很多相关

18、联的量，这些量之间的联系要通过编制程序来实现，常用的数值仿真编程语言有C、Fortran等，MATLAB/Simulink也可以用来编写仿真程序，而且编写起来非常迅速、界面友好，已经得到广泛应用。Simulink可以方便的进行过程控制系统的分析与设计，利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用Simulink提供的功能就可系统的进行方针和分析。4.在完成以上工作后，就可以进行仿真实验了，通过对仿真结果的分析来对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，如此反复，直至达到满意的效果为止。2.3 MATLAB/Simulink在过程仿真中的优势为了满足用户对工程仿真的要求，一些软件公司相继推

19、出一批数学类科技应用软件，如MATLAB、Xmath、mathematica、maple等。其中MathWorks公司推出的MARLAB由于有强大的功能和友好的用户界面受到越来越多的科技工作者的青睐，尤其是控制领域的专家和学者。MATLAB具有友好的工作平台和编程环境、简单易学的编程语言、强大的科学计算和数据处理能力、出色的图形和图像处理功能、能适应多领域应用的工具箱、适应多种语言的程序接口、模块化的设计和系统级的仿真功能等诸多的优点和特点。1990年，MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型化图形输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛

20、的认可，使得仿真软件进图了模型化图形组合阶段。1992年正式将该软件更名为Simulink。Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，他让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作、Simulink的每个模块对用户而言都是透明的，用户只需知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给客户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务。至于Simulink的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于Simulink具有这些特点，所以他被广泛的应用在过

21、程控制系统仿真中。近几年来，在学术界和工业领域，Simulink已经成为动态系统建模和仿真领域中应用最为广泛的软件之一，也成为了目前最常用的过程控制系统仿真平台。在过程控制系统仿真中， 具有先天的优势。（1）Simulink可以很方便的创建和维护一个完整的模块，评估不同的算法和结构，并验证系统的性能。 由于Simulink采用模块组合方式来建模，因而可以使得用户能够快速准确的创建动态系统的计算机仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系统，更加方便。而且，对同一个过程特性，Simulink可以方便的进行不同控制方案的仿真与评估，通过多种仿真的分析比较，有利于用户对工程控制理论的理解和掌握。例如，改

22、变纯滞后系统控制器的被控变量，可进行常规PID控制、Smith预估控制两种完全不同的控制方案的仿真。（2）Simulink模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散，或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇到的动态系统。另外，Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。（3）Simulink没有单独的语言，但是它提供了S函数贵客。S函数可以是一个M函数文件、Fortran程序、C或C+语言程序等，通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型或模块调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力。如同MATLAB一样，Si

23、mulink也不是封闭的，他允许用户可以方便地定制自己的模块和模块库。同时Simulink也同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应模块的说明，便于应用。总之，Simulink就是一种开放性的，用来模拟线性或非线性的、连续或离散的，或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具，非常适合用来进行过程控制系统仿真。目前，随着软件的升级换代。在软硬件的接口方面有了长足的进步，使用Simulink可以很方便地进行实时的信号控制和处理、信息通信以及DSP的处理。世界上许多知名的大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开发的强有力工具。第3章 锅炉设备控制系统锅炉是石油、化工、发电等工业

24、生产过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽不仅可以作为精馏、蒸发、干燥、化学反应等过程的热源，还可以为压缩机、风机等提供动力源。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅炉。按所提供蒸汽压力不同，又可分为常压锅炉、低压锅炉、常高锅炉、超高压锅炉等。不同类型的锅炉的燃料种类和工艺条件各不相同，但蒸汽发生系统的工作原理是基本相同的。图3-1锅炉设备主要工艺流程图3-1给出了常见的蒸汽锅炉的主要工艺流程图。其中，蒸汽发生系统由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。在锅炉运行过程中，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热

25、量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质量指标的过热蒸汽输出，供给用户。同时燃烧过程中产生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。锅炉设备是一个复杂的控制对象，其主要的控制变量有燃料量、锅炉给水、减温水流量、送风量和引风量等；主要的被控量有汽包水位、过热蒸汽温度、过热蒸汽压力、炉膛负压等。这些控制变量与被控变量之间相互关联。例如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、炉膛负压和烟气含氧量；给水量变化不仅会影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度都有影响。因此锅

26、炉设备是一个多输入/多输出且相互关联的控制对象。锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，提供一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全经济的条件下运行。其主要控制任务如下。1.锅炉供应的蒸汽量应适应负荷变化的需要。2.锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。3.过热蒸汽温度保持在一定范围内。4.汽包中的水位保持在一定范围内。5.保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。6.炉膛负压保持在一定范围内。为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划分为如下几个主要控制系统：1.锅炉汽包水位的控制。被控变量是汽包水位，控制变量是给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允

27、许的范围内。这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。2.锅炉燃烧系统的控制。被控变量有三个，即蒸汽压力(或负荷)、烟气含氧量(经济燃烧指标)和炉膛负压。控制变量也有三个，即燃料量、送风量和引风量。这三个被控变量和三个控制变量相互关联。组成的燃烧控制系统方案，需要满足燃料燃烧时所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；使引风量和送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。3.过热蒸汽系统的控制。被控变量是过热蒸汽，控制变量是减温器的喷水量。控制的目的是使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工

28、作温度。下面分别讨论这三个控制系统的典型控制方案3.1锅炉汽包水位控制 汽包水位是锅炉运行的主要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将带水过多，使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机叶片。水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，若不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制。3.1.1. 汽包水位动态特性1.蒸汽流量对汽包水位的影响在其他条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然

29、会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高(水量实际上在减少)。这种由于压力下降而非水量增加导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位”现象。图3-1给出了在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线。当蒸汽流量D突然增加D时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大于给水量，水位应下降，如图中曲线H1 。实际上，由于蒸汽流量的增加，瞬时间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，由于气泡容积增加而使水位变化的曲线如图中H2 。而实际显示的水位响应曲线H应为H1和H2的叠加，即H= H1+ H2。从图中可看出，当蒸汽用量增加时，在开始

30、阶段水位不会下降反而先上升，然后再下降，这各现象称之为“虚假水位”。蒸汽扰动时，水位变化的动态特性用传递函数表示为T2为响应曲线H2 的时间常数。虚假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。一般蒸发量为100230t/h 的中高压锅炉，当负荷变化10%时，假水位可达3040mm。对于这种假水位现象，在设计控制方案时，必须加以注意。图3-1蒸汽流量阶跃干扰下汽包水位响应曲线2. 给水流量对汽包水位的影响图3-1给出了给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。如果把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位阶跃响应曲线如图中的H1所示。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包后会从饱和水中吸收一部分热

31、量，所以当给水流量增加后，汽包中气泡总体积减小，导致水位下降。汽包中气泡总体积减小导致水位变化的阶跃响应曲线如图中的H2所示。当给水流量增加时，汽包水位的实际响应曲线如图中H所示，即当给水流量作阶跃变化后，汽包水位一开始并不立即增加，而是要呈现出一段起始惯性段。用传递函数描述时，它近似为一个惯性环节和和纯滞后环节的串联，可表示为式中，0为给水流量变化单位流量时水位的变化速度；t为纯滞后时间。给水温度越低，滞后时间t越大，一般t 在15100s 之间。如果采用省煤器，由于省煤器本身的延迟，会使t增加到100200s之间。图3-2流量阶跃扰动作用下的汽包水位响应曲线3.1.2 汽包水位的控制方案考

32、虑到锅炉汽包存在虚假水位现象，一种可行的控制方案是以汽包水位为主被控参数，给水流量为副被控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈-反馈串级控制系统。采用这种控制方案的理由分析如下：1.单冲量水位控制方案 以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统成为单冲量控制系统。这种系统结构简单，设计方便，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差。尤其是当大中型锅炉存在负荷干扰时，严重的虚假水位将导致导致给水调节阀产生误动作，使汽包水位产生激烈波动，从而影响设备寿命和安全。所以，单冲量的控制方案不宜采用。2.双冲量水位控制方案 在汽包水位的控制中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化。如果根据蒸汽

33、流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水系统的干扰扔不能有效克服，需要再引入给水流量信号构成三冲量串级控制系统。3.三冲量串级控制方案 该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。其中，主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。准确地说，该系统应成为三冲量前馈-反馈串级控制系统。该系统的主要优点是：当负荷（即蒸汽流量）变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，

34、能及时的调节调节阀的给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持进出汽包的物料平衡，从而有效地克服虚假水位的影响，抑制水位的动态偏差；当蒸汽流量不变时，由给水流量为副被控量构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰（主要由给水压力的波动引起）。汽包水位是主被控量，主调节器采用PI调节规律。动态过程中，它根据水位偏差调节给水流量的设定值；稳态时，它可使汽包水位等于设定值。由此可见，三冲量前馈-反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。3.2 锅炉蒸汽温度控制3.2.1 控制要求与过程特性 由工艺可知，过热蒸汽温度

35、过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响运行的安全；过热蒸汽温度过低，则使汽轮机的效率降低，同时也使通过汽轮机的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。因此，过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数。一般要求把持在5的范围内。例如，30万KW的机组锅炉过热蒸汽温度为（5655）。过热蒸汽的温度控制系统一般包括一级过热器、减温器、二级过热器等。过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并且使过热器的管壁温度不超过允许的工作范围。影响过热蒸汽温度的外界因素很多，例如蒸汽流量、减温水量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。3.2.2 控制方案

36、的确定由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；若采用烟气侧干扰作为控制变量；则会使锅炉的结果复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；为了保护过热器，保证机组安全运行，在锅炉设计时，已经设置了喷水减温装置，若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：1.减温水流量与温度过控蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；2.在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。一种可行的控制方案是设计串级控制系统，该控制系统是将减温器后的汽温信

37、号T2作为副被控参数构成副回路，当减温水自身出现波动时，T2比主汽温T1能提前感受到它的影响，并使副调节器及时动作，使减温水的干扰能够及时得以克服。当主汽温因受其他干扰（如烟道气）而偏离给定值时，住汽温信号T1经测量，变送反馈至主调节器，使主调节器发出控制指令改变副调节器的设定值，副调节器随之动作，控制调节阀，从而使主汽温控制在允许的范围之内，使控制质量得到保证。为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰做为前馈信号，构成前馈-反馈串级控制系统。3.3 锅炉燃烧过程控制燃烧蒸汽锅炉的燃烧过程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。如图3-3过程控制系统示

38、意图，图3-4为方框图。图3-3燃烧过程控制系统示意图图3-4燃烧过程控制框图3.3.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是为后续的生产环节提供稳定的压力。一般生产过程中蒸汽的控制是通过调节压力实现的，随着后续环节的蒸汽用量不同，会造成燃油蒸汽压力的波动，蒸汽压力的波动会给后续的生产造成不良的影响，因此，维持蒸汽压力恒定是保证生产正常进行的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃料产生的热量，而燃烧产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以及适当比例的助燃空气实现的。因此，各个控制环节的关系如下：蒸汽压力是最终被控量，根据生成量确定；燃料量根据蒸汽压

39、力确定；空气供应量根据空气量与燃料量的比值确定。控制量如图3-4所示。图3-5为燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统结构简图。图3-6为燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图。图3-4控制量示意图图3-5蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图图3-6燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统框图3.3.2炉膛负压控制系统所谓炉膛负压：即指炉膛顶部的烟气压力。炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等的变

40、化，其次才是蒸汽参数的变化。因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。大多数锅炉采用平衡通风方式，使炉内烟气压力低于外界大气压力，即炉内烟气负压，炉膛内烟气压力最高的部位是炉堂顶部。当炉负压过大时，漏风量增大，吸风机电耗，不完全燃烧损失、排烟热损失均增大。甚至使燃烧不稳定甚至灭火炉负压小甚至变为正压，火焰及飞灰将炉膛不严处冒出，恶化工作燃烧造成危及人身及设备安全。故应保持炉膛负压在正常范围内。 保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果负压波动不大，调节引风量即可以实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和

41、送风量波动也会很大，此时，经常采用的控制方法为动态前馈-反馈控制。前馈控制的基本概念是测取进入控制过程的干扰信号，在炉膛负压控制系统中，由于蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量的波动会较大，所以通过测取引风量，就可以的到干扰信号，利用反应较快的动态前馈控制，就可以很好的减小干扰信号对系统的影响。将前馈与反馈有效的结合，运用前馈控制在扰动发生后，及时抑制由主要扰动引起的被控量所产生的偏差，同时运用反馈控制消除其余的扰动对负压的影响。前馈控制系统主要特点如下：1.属于开环控制 只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。但若系统中有一个环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。另外，系统的控制精度

42、取决于构成控制系统的每一部分的精度，所以对系统各环节精度要求较高。2.很强的补偿局限性 前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰的影响。因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。3.前馈控制反应迅速 在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。当扰动发生后，前馈控制器及时动

43、作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。这非常有利于大迟滞系统的控制。4.只能用于可测的干扰 对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。 该方案中以负压为控制目标，用引风量做成控制闭环，利用前馈控制消除送风量变动对负压的影响。 图3-7炉膛负压控制系统结构简图图3-8炉膛负压控制系统框图第4章 锅炉燃烧过程系统稳定性分析4.1建立数学模型1.建立燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统数学模型 燃料流量被控对象： 燃料流量至蒸汽压力关系约为：蒸汽压力至燃料流量关系约为：蒸汽压力检测变换系统数学模型：燃料流量检测变换系统数学模型：燃料流量与控制流量比值：空气流量被控对象：2.建

44、立炉膛负压控制系统数学模型引风量与负压关系：送风量对负压的干扰：4.2 进行系统稳定性分析4.2.1 燃料控制系统作出伯德图，如果相角裕度Pm0或幅值裕度Gm1，表示系统稳定。燃料流量被控对象为： 经软件仿真结果如图4-1所示，由图可知，无调节器时，燃料控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为11.4dB,相位稳定裕量为97.1，对应增益为3.7283。图4-1燃料被控对象Bode图4.2.2空气流量控制系统空气流量被控对象为： 经软件仿真结果如图4-2所示，由图可知，无调节器时，空气流量控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为9.81dB,相位稳定裕量为80，对应增益为3.0956。图4-2 空气流量被控对

45、象Bode图4.2.3负压控制系统引风量与负压关系： 经软件仿真结果如图4-3所示，由图可知，无调节器时，负压控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为1.32dB,相位稳定裕量为14.3，对应增益为1.16。图4-3 引风量与负压关系Bode图第5章 锅炉燃烧过程控制系统仿真5.1参数整定5.1.1燃料控制系统参数整定为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI形式，即：其中，参数Kp和Ki采用稳定边界法整定。先让Ki=0，调整Kp使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图如图5-1所示，其振荡响应如图5-2所示。图5-1系统临界振荡仿真框图图5-2系统临界振荡响应记录此时的振荡周期Tcr=1

46、1s和比例参数Kcr=3.8,则Kp=Kcr/2.2=1.73，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.18在Kp=1.73，Ki=0.18的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下图5-3所示。调节Kp=1.1，Ki=0.1，系统响应如图5-4所示，可见系统有约10%的超调量。图5-3燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图图5-4燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应5.1.2蒸汽压力控制参数整定在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统参数。系统整定仿真框图如图5-5所示。当Ki=0，Kp=1时(此时相当于无调节器，因此系统最简单)，

47、仿真结果如图5-6所示，上图为系统阶跃响应，下图为节约输入。图5-5 蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图图5-6蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果由仿真结果可以看出，系统响应超调量约为25%。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度都较好。5.1.3空气流量控制系统空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，当Ki=0.05和Kp=0.08时，系统阶跃响应如图5-7所示，下图为阶跃响应，可见系统响应超调量约为25%。图5-7 整定后空气流量控制系统阶跃响应5.1.4负压控制系统参数整定负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似。当Ki=0.05和Kp=0.03时，系统阶跃响应如图5-8所示，上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量约为25%。图5-8整定后负压控制系统阶跃响应5.1.5负压控制系统前馈补偿整定由系统概述可知，利用动态前馈与反馈控制能使负压控制系统达到比较好的效果，反馈控制在燃料控制系统和空气流量控制系统中已经详细的论述与应用过了，在此就前馈控制做一下讨论。Gf(s)G3(s)为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数；G(s)为