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1、锅炉控制系统设计仿真摘要工业锅炉作为我国工业生产和集中供热的重要能源转换设备，能耗巨大，长期处在高能耗、高污染的生产状态。然而，目前我国大多数锅炉控制系统自动化不高、安全性低，效率普遍低于国家标准。锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一，提高锅炉控制水平已势在必行。本文针对锅炉系统参数时变、严重非线性、干扰因素复杂等特点，提出对汽包水位采用三冲量控制方式，对炉膛负压采用前馈PID控制，对最优风煤比采用双交叉限幅比值控制的控制策略。在MATLAB环境下对几种控制系统进行了仿真。仿真结果显示，三冲量控制、前馈PID和双交叉限幅比值控制具有良好的控制效果，减小了超调量，提高了上升时间，缩短了
2、调节时间，与传统的PID控制器相比，更适合工业锅炉这种复杂的控制对象。关键词：锅炉 三冲量控制 前馈PID控制 双交叉限幅比值控制 AbstractAs central heating in industrial production and the important energy conversion equipment in China, industrial boiler consumes enormous energy，and stays at high energy consumption and pollution production status. However, at p
3、resent the majority of automatic boiler control system is not high, the security is low and the efficiency is generally lower than the national standard. Because the boiler is one of the important equipment which converses primary energy into secondary energy, improving the level of boiler control i
4、s imperative. In view of many factors of the boiler system, such as time-varying parameters, severely nonlinear and complex interference factors and so on , this paper puts forward three control strategies, including using three-impulse control, utilizing feed forward PID control to hearth negative
5、pressure, and adopting double crossover restricts the amplitude ratio control to the optimal air fuel ratio. Several control systems are simulated in the MATLAB environment. The simulation results shows that three-impulse control, feed forward PID control and double crossover restricts the amplitude
6、 ratio control have good control effect, which reduce the overshoot, improve the rise time and reduce adjustment time. Compared with the traditional PID controller, these control systems are more suitable for the industrial boiler, a kind of complex control object.Key words: The Boiler, Three-impuls
7、e Control，Feed forward PID Control, Double Cross Restricts the Amplitude Ratio Control目 录摘要IAbstractII第1章 绪论111 选题背景及意义11.2 国内外锅炉的运行水平11.3 制约我国锅炉发展的因数21.3.1 大多数锅炉制造厂技术力量仍然薄弱21.3.2 燃料的因素21.3.3 工业锅炉的标准体系21.3.4 市场机制的影响及科研开发投入的不足21.3本文研究的主要内容2第2章 锅炉系统的控制任务32.1 锅炉系统的工艺流程简介32.2 锅炉自动控制系统的任务42.3 PID控制规律介绍4本
8、章小结5第3章 汽包水位三冲量控制63.1 汽包水位系统介绍63.2 汽包水位的动态特性分析63.3 锅炉汽包水位的控制方案93.3.1 单冲量控制系统93.3.2 双冲量控制系统93.3.3 三冲量控制系统10本章小结10第4章 炉膛负压控制114.1 控制和监视炉膛负压的意义114.2 炉膛负压控制11本章小结12第5章 最优风煤比控制135.1 常规PID风煤比控制系统的缺陷135.2 双闭环交叉限幅比例控制135.3 温度串级控制145.4 控制过程分析15本章小结16第6章 MATLAB/Simulink仿真176.1 MATLAB软件介绍176.2 汽包水位控制MATLAB仿真17
9、6.3 炉膛负压控制仿真186.4 最优风煤比控制仿真19本章小结20结论22参考文献23致 谢24第1章 绪论1.1 选题背景及意义锅炉作为能源转换的重要设备，运行情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气，拥有丰富的煤炭资源，因此，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉将是我国工业锅炉的主导产品。但我国锅炉房管理水平不高，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，操作工人水平参差不齐，经常是凭感觉和经验去操作，长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。因此，提高锅炉的生产运行效率不仅具有可观的经济效益，还能减少环境污染，提高能源利用率。锅炉设备是一个
10、复杂的控制对象，影响锅炉生产效率的重要因素之一是控制系统性能的好坏。把计算机技术运用于锅炉生产过程相关环节，进行自动化控制，能够有效地提高锅炉运行可靠性和生产效率。实现锅炉自动化控制的意义在于：(1)提高锅炉运行的安全性；(2)提高锅炉运行的经济性；(3)改善劳动条件；(4)减少运行人员，提高劳动生产率。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。1.2 国内外锅炉的运行水平目前国内外已经研制出许多工业锅炉微规控制系统，总体说来，工业锅炉的自动化控制经历了20世纪30、40年代单参数仪表控制，40、50年代单元组合仪表控制、综合参数仪表
11、控制，直到60年代兴起的计算机过程控制1。尤其是近十几年来，随着先进控制理论帮计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。在国外，锅炉的控制基基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、运行平稳，而且减少了对环境的污染2。我国由于经济技术条件的限制，锅炉设备水平一直比较落后。大多数中小型锅炉停留在手工和简单仪表操作的水平；到80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展3；至90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，单片机、可
12、编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、模糊控制、神经网络控制及专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用4。1.3 制约我国锅炉发展的因数1.3.1 大多数锅炉制造厂技术力量仍然薄弱目前，我国工业锅炉制造企业的技术力量参差不齐，具有自行设计和开发能力的仅有少部分，大多数企业的技术开发能力仍很薄弱。虽然我国在实行许可证制度以后，部分工业锅炉制造企业通过技术改造，使企业的工艺装备有了一定的提高，然而，更大多数企业的工艺装备仍然比较简单，很少配备先进的加工装
13、备，缺乏专用加工设备，加工能力比较薄弱。缺少能在工业锅炉行业中起领头的龙头企业或骨干企业5。1.3.2 燃料的因素我国的燃料结构和燃料政策决定了在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品，即使中小型的生产和生活用燃煤锅炉也会在最近相当长的一段时间内在部分地区保留并生产。1.3.3 工业锅炉的标准体系标准是工业锅炉发展的重要的技术支撑，在工业锅炉的发展过程中起到了决定性的作用。我国虽然已经建立了比较完整的工业锅炉标准体系，由于受到全国锅炉制造厂总体的工艺装备和制造工艺因素的影响，我国的标准在制造方面与国外的先进标准比还有一定的差距5。1.3.4 市场机制的影响及科研开发投
14、入的不足由于受到市场的影响，部分的锅炉用户过分注重锅炉的价格。过分的压价使得锅炉制造厂的利润空间被压缩得很小，造成制造厂的科研开发的投入难以为继的局面。而另一些锅炉制造厂（主要是一些小企业）为了获得定单，甚至将原来的机械燃烧改为手工燃烧，并尽量减少锅炉的运行监控能力，降低锅炉的自控要求，使得锅炉的运行性能大打折扣。当然，更谈不上对锅炉自控系统的开发了。1.3本文研究的主要内容论文的研究内容主要包括：(1) 本课题的研究背景、意义、燃煤锅炉运行现状以及制约我国锅炉发展的因数。(2) 介绍了对锅炉系统特性、产生扰动的主要因素及调节原理。(3) 依据控制对象特性将三冲量控制运用于汽包水位，前馈PID
15、控制运用于炉膛负压采用，双交叉限幅比值控制运用于最优风煤比，并运用MATLAB/Simulink仿真。第2章 锅炉系统的控制任务2.1 锅炉系统的工艺流程简介锅炉最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分6。锅炉设备的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程7。图21锅炉控制系统硬件组成(1)燃煤锅炉的燃烧过程燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。(2)烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经出烟窗(炉膛出口)并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器。烟气流经过热器后又经过接在上、下炉筒间的对流
