中南大学自动化工程训练报告-燃烧炉控制系统

《中南大学自动化工程训练报告-燃烧炉控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中南大学自动化工程训练报告-燃烧炉控制系统（22页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、自动化0806 2011-09-07中南大学自动化工程训练报告姓名：*学号：*班级：自动化08*指导老师：徐德刚 董密日期：2011-09-07目录前言3第一章 燃烧过程控制系统概述41.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统41.2炉膛负压控制系统6第二章 系统辨识82.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制82.2炉膛负压控制8第三章 系统稳定性分析93.1燃料控制系统93.2空气流量控制系统93.3负压控制系统10第四章 控制系统参数整定114.1燃料控制系统114.1.1 利用PID Tunner设计燃料控制系统PID控制器114.1.2利用稳定边界法整定PID参数134.2蒸汽压力控制

2、系统154.3空气流量控制系统154.4负压控制系统前馈补偿整定16第五章 控制系统Simulink仿真18第六章 工程训练感想19前言过程控制系统是工业中控制系统的主要表现形式，一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为温度、压力、流量、液位、成分等变量的系统。由于被控过程的多样性，因此过程控制系统的形式也多样，相应的控制方案也丰富多彩。在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真，Simulink的出现给控制系统分析与设计带来了福音。它有两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该

3、软件可以利用鼠标在模型窗口上搭建出所需要的控制系统模型，然后对系统进行仿真和分析。Simulink仿真的模型是具体的函数模型，因此，过程的建模就显的十分的重要。过程建模方法主要有这么几种：1机理法用机理法建模就是根据过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程，例如物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程，以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。2测试法测试法建模通常只用于建立输入输出模型。它是根据过程的输入和输出的实测数据进行某种数学运算后得到的模型，其主要特点是把被研究的过程视为一个黑匣子，完全从外特性上

4、描述它的动态性质，也称为“黑箱模型”。复杂过程一般都采用测试法建模。测试建模法又可分为经典辨识法和系统辨识法两大类：（1）经典辨识法不考虑测试数据中偶然性误差的影响，只需对少量的测试数据进行比较简单的数学处理，计算工作量一般较小。经典辨识法包括时域法、频域法和相关分析法。（2）系统辨识法其特点是可以清除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，为此就需要处理大量的测试数据，计算机是不可缺少的工具。我们针对工程训练任务书中给出的系统辨识函数，搭建了仿真框图，调整PID参数，最终使系统在较好的指标内达到稳定。本报告主要分为以下几章：第一章 燃烧过程控制系统概述第二章 系统辨识第三章 系统稳定性分析第四章

5、 控制系统参数整定第五章 控制系统Simulink仿真第六章 工程训练感想第一章 燃烧过程控制系统概述燃烧蒸汽锅炉的燃烧过程主要有三个子系统构成：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。图1.1 燃烧过程控制系统示意图1.1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

6、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；燃料量根据蒸汽压力确定；空气供应量根据空气量与燃料量的比值确定。图1.2 控制量示意图（a）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(b)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1.3 燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统方案1.2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

7、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

8、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，如图1.4所示。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

9、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

10、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。（a） 炉膛负压控制系统结构简图（b） 炉膛负压控制系统框图图1.4炉膛负压控制系统方案第二章 系统辨识2.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制燃料流量被控对象为：GS=114s+1e-4s燃料流量至蒸汽压力关系为：G(S)=6蒸汽压力至燃料流量关系为：G(s)=

11、1/6蒸汽压力检测变换系统数学模型为：G(s)=2燃料流量检测变换系统数学模型为：G(s)=6 燃料流量与控制流量比值为：G(s)=1/5 空气流量被控对象为：Gs=411s+1e-3s2.2炉膛负压控制引风量与负压关系：Gs=68s+1e-2s送风量与负压关系：Gs=17s+1第三章 系统稳定性分析3.1燃料控制系统燃料流量被控对象为：GS=114s+1e-4sMATLAB程序：G_Fuel =tf(1,14 1,inputdelay,4);margin(G_Fuel);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_Fuel)图3.1燃料被控对象Bode图由图可知，无调节器时，燃料控制系统开环稳

12、定，幅值稳定裕量为15.8dB,相位稳定裕量为180，对应增益为6.1512。3.2空气流量控制系统空气流量被控对象为：Gs=411s+1e-3sMATLAB程序：G_Air =tf(4,11 1,inputdelay,3);margin(G_Air);Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_Air)图3.2空气流量被控对象Bode图由图可知，无调节器时，空气流量控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为4.1dB,相位稳定裕量为44，对应增益为1.60313.3负压控制系统引风量与负压关系：Gs=68s+1e-2sMATLAB程序：G_LeAir_NegPres =tf(6,8 1,inputdel

13、ay,2);margin(G_LeAir_NegPres); Gm,Pm,Wg,Wp=margin(G_LeAir_NegPres)图3.3引风量与负压关系Bode图由图可知，无调节器时，负压控制系统开环稳定，幅值稳定裕量为1.26dB,相位稳定裕量为14.9，对应增益为1.1558。第四章 控制系统参数整定4.1燃料控制系统4.1.1 利用PID Tunner设计燃料控制系统PID控制器PID模块位于MATLAB SIMULINK的coutinuous库中，如图4.1，利用此模块，可以方便的安自己的要求整定PID的各种参数。图4.1 PID模块首先连接仿真模型，如图4.2图4.2燃料流量闭环

14、控制系统添加PID模块双击打开PID模块的设置界面如图4.3图4.3 PID模块设置页面在Controller下拉菜单中选择PI结构模式，Time-domain选项选择连续域模式。选择好模式之后，单击Apply，然后单击Tune按钮，PID Tuner会自动在系统默认的工作点处对模型进行线性化处理，设计出控制器的参数。在界面的下方，有用来调节系统响应时间的滚动条工具，通过滚动条可以调节系统的响应时间。图4.4 PID自动调节模块界面得到满意的响应曲线之后，单击Apply按钮，PID Tuner自动设计的参数就已经写入到了参数设置框中，如图4.5所示。图4.5 PID参数在PID模块整定的参数之

15、下，系统较好的达到了要求。图4.6燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应4.1.2利用稳定边界法整定PID参数首先使KI=0，调整KP使系统临界振荡，由BODE图知，单位负反馈时，KP= 6.1512附近系统振荡，则当负反馈系数为6时，KP=1.0252时，闭环系统振荡。系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图4.7所示。（a）系统临界振荡仿真框图（b）系统临界振荡响应图4.7 系统临界振荡仿真款图及其振荡响应记录此时的振荡周期T=15s和比例系数KCR=1.0252，则有KP=KCR2.2=0.466，KI=KP0.85T=0.037。系统的响应如图4.8所示。图4.8 稳定边界法整定PID

16、参数系统响应图与MATLAB的PID整定模块相比，稳定边界法在超调量、响应时间等方面不及PID自动整定效果。4.2蒸汽压力控制系统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。系统整定仿真框图如图4.7所示，KP=1KI=0当，时（此时相当于无调节器，因此系统最简单）。仿真结果如图所示图4.9蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图图4.10蒸汽压力闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应4.3空气流量控制系统图4.11空气流量控制系统参数整定仿真框图图4.12空气流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应4.4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

17、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。图4.13 前馈控制原理图在图4.12中实现部分为未引入控制措施前的控制框图，虚线部分为所引入的控制部分。Gf(s)G3(s)为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数；Gd(s)为前馈调节器函数；G2(s)G3(s)为干扰源至系统输出的控制通道传递函数；G1(s)为给定环节传递函数。系统输出为：Y=XG1G2G3+M(GdG2+Gf)G3由上式可知，消除可测干扰M的影响，可令M的系数为0，即可得到Gd=-GfG2因此，可以得到负压控制系统前馈补偿函数为：Gs=-8s+142s+6图4.14负压前

18、馈反馈控制系统参数整定仿真框图图4.15负压前馈反馈控制系统单位阶跃输入的仿真响应从仿真效果可以看出，前馈控制发挥了很好的作用。第五章 控制系统Simulink仿真搭建完整的系统Simulink仿真框图，在仿真框图中，为了模拟真正的工业控制环境，在特定的环节，我们添加了幅值为-1至1的噪声干扰信号，仿真框图如图所示：图5.1 燃烧炉控制系统仿真框图引入干扰信号之后，系统较好的抑制了干扰，曲线很漂亮的达到了稳定。示波器的波形由上至下一依次为：蒸汽压力设定值波形、干扰波形、实际蒸汽变动波形、空气流量波形、负压变化波形和负压设定值波形，如图5.2所示。图5.2 燃烧炉控制系统仿真结果第六章 工程训练

19、感想为期两周的工程训练已经临近尾声,在这两周里面,我们搭建了MATLAB仿真系统，仿真了从系统识别到调节PID参数调节的各个环节。通过本次工程训练，使我对自动控制原理这门课程有了更深入的理解。自动控制原理是一门实践性较强的课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时，加强上机实践。一个人的力量是有限的，要想把课程设计做的更好，就要学会参考一定的资料，吸取别人的经验，让自己和别人的思想有机的结合起来，得出属于你自己的灵感。程序的编写需要有耐心，有些事情看起来很复杂，但问题需要一点一点去解决，分析问题，把问题一个一个划分，划分成小块以后就逐个去解决。再总体解决大的问题。这样做起来不仅有条理也使

20、问题得到了轻松的解决。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服开发技术的前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次的课程设计我对于专业课的学习有了更加深刻的认识，以为现在学的知识用不上就加以怠慢，等到想用的时候却发现自己的学习原来是那么的不扎实。以后努力学好每门专业课，让自己拥有更多的知识，才能解决更多的问题！19负压给定-蒸汽压力给定-+-+-负压检测变换引风与负压关系引风调节器送风对负压影响前馈补偿调节器空气流量检测与变换系统被控对象（空气流量）空气流量调节器燃料流量调节器蒸汽压力检测变换系统燃料流量检测与变换系统被控对象（燃料流量与蒸汽压力）被控对象（燃料流量）蒸汽压力调节器+蒸汽压力燃料流量空气流量炉膛负压控制系统框图燃烧炉控制系统仿真框图燃烧炉控制系统仿真结果