過控課程設(shè)計---燃燒過程控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　信息科學(xué)與工程學(xué)院</b></p><p><b>　　自動化系</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告書</b></p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué)

2、號： </p><p>　　班 級： 自動化０８０６ </p><p>　　課程名稱： 過程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2011年 12月 5日</

3、p><p>　　設(shè)計題目： 燃燒過程控制系統(tǒng)</p><p>　　燃燒過程控制系統(tǒng)的基本理論</p><p>　　燃油鍋爐的燃燒控制主要有三個子系統(tǒng)構(gòu)成：蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　1．蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)</p><p>　　燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是生產(chǎn)蒸

4、汽供應(yīng)其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用。一般生產(chǎn)過程中蒸汽的控制是通過壓力實現(xiàn)的，隨著后續(xù)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)用量不同，反應(yīng)在燃油蒸汽鍋爐環(huán)節(jié)就是蒸汽壓的波動。維持蒸汽壓力恒定是保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的首要條件。保證蒸汽壓力恒定的主要手段是隨著蒸汽壓力波動及時調(diào)節(jié)燃燒產(chǎn)生的熱量，而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)是通過控制所供應(yīng)的燃料量以及適當(dāng)比例的助燃空氣</p><p><b>　　實現(xiàn)的。</b></p><p

5、>　　2．爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)</p><p>　　鍋爐爐膛負(fù)壓力過小時，爐膛內(nèi)的熱煙、熱氣會外溢，造成熱量損失、影響設(shè)備安全運(yùn)行甚至?xí)＜肮ぷ魅藛T安全；當(dāng)爐膛負(fù)壓太大時，會使外部大量冷空氣進(jìn)入爐膛，改變?nèi)剂虾涂諝獗戎?，增加燃料損失、熱量損失和降低熱效率。</p><p>　　保證爐膛負(fù)壓的措施是引風(fēng)量和送風(fēng)量的平衡。如果負(fù)壓波動不大，調(diào)節(jié)引風(fēng)量即可實現(xiàn)負(fù)壓控制；當(dāng)蒸汽壓力波動較大時，燃

6、料用量和送風(fēng)量波動也會較大，此時，經(jīng)常采用的控制方案如圖11.2所示。</p><p>　　二、、燃燒過程控制任務(wù) </p><p>　　燃燒過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃料的種類和供給系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負(fù)荷的聯(lián)接方式都有關(guān)系，但是燃燒過程自動調(diào)節(jié)的任務(wù)都是一樣的。歸納起來，燃燒過程調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三大任務(wù)。</p><p>　　第一個任務(wù)是維持汽壓恒定。汽壓的變化

7、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?，以改變鍋爐的蒸汽量。</p><p>　　第二個任務(wù)是保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)燃料量改變時，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　第三個任務(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。</p><p>　　對于一臺鍋爐，燃燒過程的這三項調(diào)節(jié)任務(wù)是不可

8、分隔的，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)加以注意。</p><p>　　三、燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)對象的特性</p><p>　　鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務(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，燃燒過程的控制系統(tǒng)應(yīng)包括三個調(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。與此相對應(yīng)，應(yīng)有三個控制回路分別調(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

9、燒過程控制系統(tǒng)。為了能正確地設(shè)計控制系統(tǒng)，應(yīng)先了解對象的動態(tài)特性。</p><p><b>　　氣壓調(diào)節(jié)對象的特性</b></p><p>　　鍋爐的燃燒過程是一個能量轉(zhuǎn)換、傳遞的過程，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)的一個標(biāo)志。因此，要了解燃燒過程的動態(tài)特性主要是弄清汽壓對象的動態(tài)特性。</p&g

10、t;<p>　　氣壓被控對象的生產(chǎn)流程及環(huán)節(jié)劃分</p><p>　　鍋爐汽包壓力是燃燒過程控制的主要被控量，分析燃燒過程對象的動態(tài)特性，是確定燃燒系統(tǒng)自動控制方案的主要依據(jù)。汽壓被控對象的生產(chǎn)流程示意圖如圖2.1所示，整個系統(tǒng)由爐膛1，汽包、水冷壁組成的蒸發(fā)受熱面2，過熱器3，母管4和用汽設(shè)備5組成。工質(zhì)(水)通過爐膛吸收了燃料燃燒發(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)過過熱器

11、成為過熱蒸汽，輸送到用汽設(shè)備作功。</p><p>　　在鍋爐運(yùn)行中，當(dāng)燃料量M發(fā)生變化時，送風(fēng)量與引風(fēng)量應(yīng)同時協(xié)調(diào)變化，這時的燃料量M的變化，表示鍋爐燃燒率的變化，Qr的變化與燃燒率的變化（相當(dāng)于M的變化）成正比。</p><p>　　燃料從煤斗下來落在爐排上，形成均勻的、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。根據(jù)給煤量階躍擾動響應(yīng)曲線求得床溫被控對

12、象的近似傳遞函數(shù)為： </p><p>　?。?—1） </p><p>　　燃燒和傳熱過程是一個復(fù)雜的化學(xué)物理過程，燃料量改變后，首先需要經(jīng)過一定的吸熱、燃燒、放熱時間，而后將熱量傳給受熱面的金屬管壁（輻射傳熱和對流傳熱同時進(jìn)行），然后將熱量傳給鍋爐的汽水容積。</p>

13、;<p>　　四、根據(jù)控制任務(wù)，主要調(diào)節(jié)以下三個物理量：</p><p><b>　　1．燃料量調(diào)節(jié)</b></p><p>　　調(diào)節(jié)燃料量使入爐燃料燃燒所產(chǎn)生的量能與鍋爐外部負(fù)荷需求的量能相適應(yīng)。</p><p><b>　　2．送風(fēng)量調(diào)節(jié)</b></p><p>　　燃料量改變時，

14、送風(fēng)量也應(yīng)改變，以保證燃料的完全燃燒和排煙熱損失最小。調(diào)節(jié)送風(fēng)量的目的是保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。</p><p><b>　　3．引風(fēng)量調(diào)節(jié)</b></p><p>　　調(diào)節(jié)引風(fēng)量的目的是使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛壓力在要求范圍內(nèi)，以保證燃燒過程穩(wěn)定性。 </p><p><b>　　燃燒過程控制特點</b>&l

15、t;/p><p>　　五、燃燒過程控制基本方案 </p><p>　　從燃燒過程控制任務(wù)來看，燃燒過程控制應(yīng)具有如下功能：</p><p>　?。?）迅速改變爐膛燃燒率，適應(yīng)外部負(fù)荷變化。</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)能迅速發(fā)現(xiàn)并消除燃燒率擾動。燃燒率擾動通常指燃料量和燃料熱值的變化擾動。</p><p>　?。?）

16、確保燃料、送風(fēng)和引風(fēng)等參數(shù)協(xié)調(diào)變化。保證燃燒經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　?。?）確保燃燒過程的穩(wěn)定性，避免爐膛壓力大范圍波動。</p><p>　　鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個復(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源，給煤量的變化直接影響鍋爐提供的蒸汽量，也影響汽包壓力的變化，是燃燒系統(tǒng)的主控量。鼓風(fēng)量的變

17、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。這三個控制子回路組成了一個不可分割的整體，統(tǒng)稱為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，共同保證鍋爐運(yùn)行的機(jī)動性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。</p><p>　　可見，鍋爐的燃燒過程是個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。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，并且參數(shù)是

18、時變的，對于這樣的對象，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　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。</p><p>　　六、 燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制</p><p>　　燃燒流量被控對象為：</p><p>　　燃料流量至蒸汽壓力關(guān)系為：</p><

19、;p>　　蒸汽壓力至燃料流量關(guān)系為:</p><p>　　蒸汽壓力至燃料流量關(guān)系為：</p><p>　　燃料流量檢測變換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：</p><p>　　燃料流量與控制流量比值為：</p><p>　　空氣流量被控對象為:</p><p><b>　　爐膛負(fù)壓控制</b></p&

20、gt;<p><b>　　引風(fēng)量與負(fù)壓關(guān)系：</b></p><p>　　送風(fēng)量對負(fù)壓的干擾為：</p><p><b>　　控制系統(tǒng)參數(shù)整定</b></p><p><b>　　(1)燃燒控制系統(tǒng)</b></p><p>　　為使系統(tǒng)無靜差，燃燒流量調(diào)節(jié)器采用P

21、I形式，即：</p><p>　　其中，參數(shù)Kp和Ki采用穩(wěn)定邊界法整定。先讓Ki=0，調(diào)整Kp使系統(tǒng)等幅振蕩，即系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應(yīng)如圖4.1所示：</p><p>　　4.1(a)系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖</p><p>　　4.1(b)系統(tǒng)臨界振蕩響應(yīng)</p><p>　　記錄此時的振蕩周期Tcr=11s和比例

22、參數(shù)Kcr=3.8,則Kp=Kcr/2.2=1.73，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.18</p><p>　　在Kp=1.73，Ki=0.18的基礎(chǔ)上，對PI參數(shù)進(jìn)一步整定，燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖如下所示，其中PI模塊的結(jié)構(gòu)如圖4.2(a)所示。調(diào)節(jié)Kp=1.1，Ki=0.1，系統(tǒng)響應(yīng)如圖4.2(c)所示，可見系統(tǒng)有約10%的超調(diào)量。</p><p>　　4.2(

23、a)PI模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.2(b)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖</p><p>　　4.2(c)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)</p><p>　　(2)蒸汽壓力控制系統(tǒng)</p><p>　　在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎(chǔ)上，采用試誤法整定壓力控制系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖所示。當(dāng)Ki=0，Kp=1

24、時(此時相當(dāng)于無調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡單)，仿真結(jié)果如圖4.3所示，上圖為系統(tǒng)仿真圖，下圖為階躍輸出。</p><p>　　4.3(a)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖</p><p>　　4.3(b)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真結(jié)果</p><p>　　由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。此時系統(tǒng)調(diào)節(jié)器最簡單，工程上系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定程度都較好。</

25、p><p>　　(3)空氣流量控制系統(tǒng)</p><p>　　空氣流量控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似，當(dāng)Ki=0.05和Kp=0.08時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4.4所示，其中上圖為階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入。可見系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。</p><p>　　4.4(a)整定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)</p><p>　　4.4(b)整

26、定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍輸入</p><p><b>　　(4)負(fù)壓控制系統(tǒng)</b></p><p>　　負(fù)壓控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似。當(dāng)Ki=0.05，Kp=0.03時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4.5所示，其中上圖為系統(tǒng)階躍響應(yīng)，下圖為階躍輸入?？梢娤到y(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量為25%。</p><p>　　4.4.5(a)整定后負(fù)壓控制系

27、統(tǒng)階躍響應(yīng)</p><p>　　4.5(b)整定后負(fù)壓控制系統(tǒng)階躍輸入</p><p>　　負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償整定</p><p>　　采用動態(tài)前饋整定，其前饋補(bǔ)償函數(shù)為：</p><p>　　.3控制系統(tǒng)SIMULINK仿真</p><p><b>　　無干擾仿真</b></p>

28、<p>　　利用各整定參數(shù)對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，框圖如4.6所示。設(shè)定蒸汽壓力值為10，爐膛負(fù)壓值為5。仿真結(jié)果如圖4.7至4.10所示，由上至下依次為蒸汽壓力設(shè)定值波形，實際蒸汽壓力與空氣流量波形，負(fù)壓變化波形和負(fù)壓設(shè)定波形。</p><p>　　4.8實際蒸汽壓力與空氣流量波形(紅色為實際蒸汽壓力波形，黃色為空氣流量波形)</p><p><b>　　課程設(shè)計總結(jié)&

29、lt;/b></p><p>　　課程設(shè)計這幾天學(xué)到的東西還真不少，在一個多星期的日子里，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，這一點對于我們走上工作崗位很重要。</p&g

30、t;<p>　　在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但有以前一些相關(guān)課程的課程設(shè)計經(jīng)驗，面對各種問題，最終還是成功解決了。在設(shè)計方案的過程中，發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，最后不得不重新拿起課本自習(xí)閱讀相關(guān)的知識點?？偠灾?，在這次課程設(shè)計中，是自己的能力又有了進(jìn)一步的提高。</p><p>　　同時，在課程設(shè)計的過程中也遇到了一些問題，在此，感謝所