锅炉燃烧过程控制系统的Simulink仿真

燃烧过程控制系统概述

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。[6] 如图1是燃烧过程控制系统示意图，图2是原理方框图，图3是燃烧过程控制特点。

图1燃烧过程控制系统示意图

图2原理方框图

图3 燃烧过程控制特点

2.1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4所示。图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4控制量示意图

图5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

2.2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。[7]

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。

图7炉膛负压控制系统结构简图

图8炉膛负压控制系统框图

锅炉燃烧控制各子系统仿真

燃料控制系统

为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI形式，即：

Gc(s) Kp Ki

s 4-1

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12所示其振荡响应如图13所示：

图12系统临界振荡仿真框图

图13系统临界振荡响应

记录此时的振荡周期Tcr=11s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所示，其中PI模块的结构如图14所示。调节Kp=1.1，Ki=0.1，系统响应如图16所示，可见系统有约10%的超调量。

图14 PI模块结构

图15 燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图

图16燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应

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参数。系统整定仿真框图如图所示。当Ki=0，Kp=1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17为系统仿真图，图18为阶跃输出。

图17 蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图

图18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，系统响应最好。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。

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，系统阶跃响应如图所示，其中图19为阶跃响应，图20为阶跃输入。可见系统响应超调量约为20%。

[9]

图19 整定后空气流量控制系统阶跃响应

图20 整定后空气流量控制系统阶跃输入

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。

图21 前馈控制原理图

在图21中实线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。节器函数；节传递函数。[10] 为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数；为干扰源至系统输出的控制通道传递函数；为前馈调为给定环

系统输出为：

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

因此，可以得到负压控制系统前馈补偿函数为：

G(s) 7s 1

15s 5 4-2

图22为负压前馈控制系统参数整定仿真框图，图23为负压前馈控制系统单位阶跃输入的仿真响应图。

图22 负压前馈反馈控制系统参数整定仿真框图

图23 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。

采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为： G(s)

7s 115s 5

锅炉燃烧控制系统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24所示：

图24 燃烧控制系统仿真框图

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25所示。