锅炉燃烧控制系统仿真
锅炉燃烧过程控制系统仿真
目的：通过该项目的训练，掌握串级控制、比值控制、前馈控制在锅炉燃烧过程控制系统的综合应用。
原理简述：
燃烧过程控制系统：燃油锅炉的燃烧过程控制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以及炉膛负压控制系统。
1 、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统
锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供其他生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，后续环节对蒸汽的生产用量不同，反映在蒸汽锅炉环节就是蒸汽压力的波动。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烧产生的热量，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的控制实现的。
因此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据生成情况确定；
燃料量是根据蒸汽压力确定的；空气供应量根据空气量与燃料量的合理比值确定。
2 、炉膛负压控制系统
锅炉炉膛负压过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失，影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会增加燃料损失、热量损失和降低热效率。
使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空气比值，
控制方案：
某锅炉燃烧系统要求对系统进行蒸汽压力控制。本项目采用燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统，并辅以炉膛负压控制的方案，控制系统框图如图所示。
已知控制系统传递函数：
燃料流量系统的数学模型：G(s)=s e s 31
122-+
空气流量模型：G(s)=s e s 21102-+
引风量与负压关系模型：G(s)=s
e s -+156
送风量对负压的干扰模型：G(s)=122
+s
并取：
燃料流量至蒸汽压力关系约为：G(s)=4
蒸汽压力至燃料流量关系约为：G(s)=1/4
燃料流量与控制流量比值：G(s)=2
空气流量与燃料流量比值：G(s)=1
实现步骤：
1、系统稳定性分析
作出伯德图，如果相角裕度Pm>0°或幅值裕度Gm>1，表示系统稳定。
(1) 燃料流量系统数学模型：G(s)=s
e s 31122-+的伯德图：
空气流量数学模型G(s)=s e s 21102
-+的伯德图：
(2)
(3) 引风量与负压关系模型G(s)=s e s -+1
56的伯德图 (4)
2、控制系统参数整定
(1)燃烧控制系统
为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI 形式，即：
s
Ki Kp s Gc +=)( 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及其振荡响应如图所示：
(5)
(6)
记录此时的振荡周期Tcr=10.7s和比例参数Kcr=2,则
Kp=Kcr/2.2=1.613，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.188
在Kp=1.613，Ki=0.188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模块的结构如图所示。调节Kp=1，Ki=0.08，系统响应如图所示，可见系统有约5%的超调量。
(7)
(2)蒸汽压力控制系统
(8)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
(9)
(10)
由仿真结果可以看出，系统响应超调量约为50%。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度一般。
(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
(11)
记录此时的振荡周期Tcr=7s和比例参数Kcr=5.23,则
Kp=Kcr/2.2=1.93，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.34
在Kp=1.93，Ki=0.34的基础上，对PI参数进一步整定，空气流量控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。调节Kp=1.45，Ki=0.1，系统响应如图所示，可见系统有约2%的超调量。
整定后空气流量控制系统阶跃响应
(12)
(4)炉膛负压控制系统
(13)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
(14)
(15)
(16)
记录此时的振荡周期Tcr=3.8s和比例参数Kcr=1.72,则
Kp=Kcr/2.2=0.65，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.21
在Kp=0.65，Ki=0.21的基础上，对PI参数进一步整定，炉膛负压控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。调节Kp=0.45，Ki=0.085，系统响应如图所示，可见系统有约5%的超调量。
(17)
(18)
(19)整定后负压控制系统阶跃输入
(20)
(21) 负压控制系统前馈补偿整 (22) 采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：6
15x 122)(++=
s s s G 3615)(++=
s s s G 4.3控制系统SIMULINK 仿真
(1)无干扰仿真 利用各整定参数对控制系统进行仿真，框图如所示。设定蒸汽压力值为6，炉膛负压值为5。仿真结果如图所示。
(23)
(24)
(2)有扰动仿真
系统在三个部分中均加入了幅值-1的随机扰动。系统仿真图如所示。仿真结果如图所示。
(25)
(26)
(27)
(28) 5.1总结
本文介绍了燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计与仿真的研究背景和现状，并设计出了一套具有普遍可行性的燃烧控制系统，它共分为三个子系统：蒸汽压力控制系统，燃料空气比值系统和炉膛负压控制系统，本文分别对其做了论证和分析。同时，选择了MATLAB中的SIMULINK工具箱对整个系统进行仿真。在仿真阶段，采用的控制方法是应用最广泛的PI控制，最终都使波形达到了稳定状态。仿真中分了有扰动和无扰动两种不同的情况进行，扰动为幅值±0.1的随机扰动，可以看到在有扰动的情况下，稳定性变差。但Tp,Ts和超调量均无明显变化。系统基本符合要求。