趙 鋼 段振戈

(天津理工大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院；b.天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)分析與算法仿真

趙 鋼a段振戈b

(天津理工大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院；b.天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

針對(duì)燃?xì)忮仩t具有非線性、大慣性及多變量等特點(diǎn)，分析了燃?xì)忮仩t二輸入二輸出燃燒控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了燃料控制系統(tǒng)和送風(fēng)控制系統(tǒng)，并且在該系統(tǒng)中使用了檢測煙氣含氧量的方法來實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬亢涂諝饬康淖罴芽杖急瓤刂?。在系統(tǒng)中采用了模糊自整定PID算法，在Matlab仿真中與常規(guī)PID對(duì)比得出：前者在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量等性能上具有更優(yōu)良的控制效果。

燃?xì)忮仩t 煙氣含氧量 空燃比 仿真

燃煤鍋爐在我國鍋爐行業(yè)中占主流地位，但是燃煤鍋爐會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題[1,2]。隨著國家“十二五”規(guī)劃的深入進(jìn)行，以“綠色發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”的口號(hào)被提出[3]。煤改氣鍋爐正在全國廣泛實(shí)施。天然氣是一種無污染、無粉塵且效率高的清潔能源。因此，以天然氣為主要燃料的燃?xì)忮仩t得到了長足的發(fā)展，它具有污染少、效率高、噪聲小、容易控制及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢。

在國外燃?xì)忮仩t已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且燃?xì)忮仩t產(chǎn)業(yè)十分成熟。德國西門子、威索，美國霍尼韋爾及意大利利雅路等知名品牌不僅具有熱效率高、安全性能好及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，而且操作簡單、維護(hù)方便。但是，國內(nèi)燃?xì)忮仩t研制水平較低，燃燒器和控制系統(tǒng)研究程度低，安全性無法得到保障，燃燒效率低下，耗能很高。

目前國內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)忮仩t控制器多采用經(jīng)典PID控制，由于其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)無超調(diào)，因此仍廣泛使用。但是，經(jīng)典PID依賴精確數(shù)學(xué)模型，參數(shù)整定不易，并不適用于燃?xì)忮仩t。為此，筆者設(shè)計(jì)了模糊控制與PID控制相結(jié)合的算法，結(jié)合煙道含氧量檢測，構(gòu)成一套完整高效的控制系統(tǒng)。

1 燃?xì)忮仩t燃燒控制系統(tǒng)分析①

燃?xì)忮仩t是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線性相互關(guān)聯(lián)的被控對(duì)象[4]。輸入包括燃?xì)饬?、送風(fēng)量，輸出包括供水溫度、煙氣含氧量及壓力等，其中燃?xì)馄焚|(zhì)和負(fù)荷變化也是系統(tǒng)中不可忽視的因素。因此，燃?xì)饬?、送風(fēng)量、燃?xì)馄焚|(zhì)及負(fù)荷變化等因素的改變都會(huì)導(dǎo)致供水溫度和煙氣含氧量的改變。燃?xì)忮仩t輸入輸出相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 燃?xì)忮仩t輸入輸出關(guān)系示意圖

燃?xì)忮仩t控制結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂破骺刂乒娘L(fēng)機(jī)、燃?xì)獗壤y以保證空燃比。出水溫度控制主要通過調(diào)節(jié)輸入燃料量和送風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)；氧含量的控制主要通過調(diào)節(jié)空氣和燃料成適當(dāng)配比來實(shí)現(xiàn)[5]。同時(shí)顯示操作單元和上位機(jī)分別用來就地顯示數(shù)據(jù)、輸入控制變量、上傳數(shù)據(jù)及監(jiān)控等。

燃?xì)忮仩t是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，以往都是把它當(dāng)做一個(gè)整體來控制，有些控制因素被忽略，控制效果并不好?，F(xiàn)在把它作為多個(gè)單變量系統(tǒng)來控制，既能將每個(gè)因素考慮在內(nèi)，又簡化了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并且控制更有條理，使控制效果得到提升。

圖2 燃?xì)忮仩t控制結(jié)構(gòu)

1.1燃料控制系統(tǒng)

燃料控制系統(tǒng)的目的是根據(jù)設(shè)定的供水溫度，調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y開度，進(jìn)而改變?nèi)細(xì)饬?。?dāng)負(fù)荷增加，燃?xì)獗壤y的開度應(yīng)該增加，以增加給氣量，從而提高供水溫度。當(dāng)負(fù)荷減少，燃?xì)獗壤y的開度應(yīng)該減小，以減少給氣量，從而降低供水溫度。燃料控制系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)[6]。主回路是對(duì)供水溫度控制，起到細(xì)調(diào)作用；副回路對(duì)燃?xì)獗壤y控制，起到粗調(diào)作用。燃料控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 燃料控制系統(tǒng)框圖

1.2送風(fēng)控制系統(tǒng)

送風(fēng)控制系統(tǒng)的目的在于根據(jù)燃?xì)饬康淖兓{(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)變頻器的頻率，進(jìn)而改變送風(fēng)量，維持燃燒過程中適當(dāng)?shù)目杖急?，使燃燒效率最高，減少熱量損失。送風(fēng)控制系統(tǒng)通過氧化鋯氧量分析儀來檢測煙道的含氧量，與之前設(shè)定值做差并經(jīng)過控制器來修正送風(fēng)量，維持最佳空燃比。煙氣含氧量很容易受到燃?xì)饬亢退惋L(fēng)量變化的影響。送風(fēng)控制系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，主回路對(duì)含氧量進(jìn)行控制，起到細(xì)調(diào)的作用；副回路對(duì)鼓風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行控制，起到粗調(diào)的作用。送風(fēng)控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 送風(fēng)控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)通過氧量分析儀測得的煙氣含氧量超過設(shè)定值時(shí)，氧量校正調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號(hào)，修正送風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)定值，使鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器減少送風(fēng)量，從而降低燃燒后的剩余含氧量，最終使含氧量測量值與設(shè)定值一致。系統(tǒng)在副回路入口信號(hào)的平衡關(guān)系為：

B·K+σ-V=0

式中B——燃?xì)饬浚?/p>

K——空燃比比值；

V——鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

σ——氧量校正器輸出。

校正后的送風(fēng)信號(hào)為：

V=B·K+σ

實(shí)際燃燒過程中，送風(fēng)量和燃?xì)饬康淖罴驯壤齂是根據(jù)負(fù)荷和燃料品質(zhì)的不同而實(shí)時(shí)變化的，因此將比例K通過函數(shù)f(x)來實(shí)現(xiàn)[7]，這樣就能更好地將不同干擾因素考慮在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化控制，得到良好的控制效果。因此送風(fēng)信號(hào)V=B·f(x)+σ。

1.3控制系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行分析

燃料控制系統(tǒng)和送風(fēng)控制系統(tǒng)兩者之間協(xié)調(diào)、優(yōu)化運(yùn)行構(gòu)成了燃?xì)忮仩t完整的燃燒控制系統(tǒng)。當(dāng)供水溫度較低時(shí)，首先減小燃?xì)獗壤y開度，再減小鼓風(fēng)機(jī)頻率。當(dāng)供水溫度較高時(shí)，應(yīng)該首先提高鼓風(fēng)機(jī)的頻率，再增加燃?xì)獗壤y開度。燃?xì)忮仩t總體控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 燃?xì)忮仩t總體控制系統(tǒng)框圖

2 控制算法分析與仿真

2.1基于PID的控制算法仿真分析

筆者在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于PID算法的仿真模型，仿真模型中，所有主回路均使用PID控制，所有副回路均使用PI控制，經(jīng)過Ziegler-Nichols參數(shù)整定后，得到合適的參數(shù)，模型如圖6所示。

設(shè)定燃?xì)忮仩t的供水溫度為60℃，煙氣的含氧量為10，仿真時(shí)間為150s，仿真結(jié)果如圖7、8所示。

從圖7可以看出，供水溫度上升時(shí)間為51s，調(diào)節(jié)時(shí)間是111s，超調(diào)量約為13.3%。圖8中，煙氣含氧量上升時(shí)間為8s，調(diào)節(jié)時(shí)間為91s，超調(diào)量約8.1%。通過PID控制所得數(shù)據(jù)可知，供水溫度輸出曲線的超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間一般，控制效果一般，而煙氣含氧量輸出曲線基本滿足需求。

圖6 PID算法仿真模型

圖7 供水溫度仿真曲線

圖8 煙氣含氧量輸出曲線

2.2基于模糊自整定控制算法仿真分析

雖然PID控制在工業(yè)生產(chǎn)中具有非常廣泛的應(yīng)用，也起到了重要作用，但還是無法掩蓋PID控制的缺陷。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程具有多變量、非線性、時(shí)變性、滯后性、大慣性，而常規(guī)PID控制效果并不好，常常也因此而導(dǎo)致了安全和環(huán)境問題。模糊控制對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型要求不高，只要有現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和操作數(shù)據(jù)，就能實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID無法實(shí)現(xiàn)的控制，但是模糊控制無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此把常規(guī)PID控制和模糊控制進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)兩者的劣勢，得到一種更加智能化的新算法——模糊自整定PID算法。模糊自整定PID能夠檢測外部環(huán)境變化的因素，通過模糊推理的方法對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd在線整定[9]，得到最佳的PID參數(shù)，使系統(tǒng)的控制達(dá)到最好。

控制器采用兩輸入三輸出的二維模糊控制器，將鍋爐的實(shí)際供水溫度與設(shè)定供水溫度的偏差和偏差的變化率作為控制器的輸入，經(jīng)過模糊化、模糊推理和清晰化處理，得出被調(diào)量ΔKp、ΔKi和ΔKd，并與之前參數(shù)進(jìn)行結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)PID參數(shù)的在線實(shí)時(shí)調(diào)整[10]。模糊自整定PID控制框圖如圖9所示。

圖9 模糊自整定PID控制框圖

根據(jù)燃?xì)忮仩t系統(tǒng)各個(gè)因素的影響和參數(shù)自整定原則，分別建立Kp、Ki和Kd自整定的模糊控制規(guī)則，表1列舉出3個(gè)參數(shù)的控制規(guī)則。

由于燃料控制系統(tǒng)是對(duì)供水溫度進(jìn)行控制，它具有大慣性、滯后性等特點(diǎn)，對(duì)控制效果的要求較高，因此燃料控制系統(tǒng)中采用控制效果更佳的模糊自整定PID控制器；而送風(fēng)控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID便能得到良好的控制效果，所以設(shè)計(jì)了如圖10所示的仿真模型。

表1 Kp、Ki和Kd模糊控制規(guī)則

圖10 模糊自整定PID仿真模型

同樣，仿真系統(tǒng)中設(shè)定鍋爐供水溫度為60℃，煙氣含氧量為10，仿真時(shí)間為150s，仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 鍋爐供水溫度仿真曲線

由圖11可以看出，鍋爐供水溫度上升時(shí)間為50s，超調(diào)量為1.2%，調(diào)節(jié)時(shí)間60s；由圖12可以看出，煙氣含氧量上升時(shí)間為7s，超調(diào)量為3.2%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為70s。通過以上分析可知，模糊自整定PID控制在燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)中具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性，明顯地改善了系統(tǒng)的控制效果。

圖12 煙氣含氧量輸出曲線

3 結(jié)論

3.1根據(jù)燃?xì)忮仩t的輸入輸出，將系統(tǒng)分為以供水溫度為主控量的燃料控制系統(tǒng)和以煙氣含氧量為主控量的送風(fēng)控制系統(tǒng)，它們之間通過鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器聯(lián)系在一起，從而達(dá)到空燃比的最佳控制。兩個(gè)控制系統(tǒng)都采用串級(jí)控制，即主回路進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)，副回路進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。燃料控制系統(tǒng)將燃?xì)獗壤y的開度作為送風(fēng)控制系統(tǒng)的前饋輸入，與送風(fēng)控制的煙氣含氧量和鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成空燃比修正信號(hào)，以此達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

3.2設(shè)計(jì)了燃料控制系統(tǒng)，主回路采用模糊自整定PID控制和副回路采用PI控制的仿真模型。以送風(fēng)控制主回路采用常規(guī)PID控制和副回路采用PI控制的仿真模型，通過對(duì)比常規(guī)PID與模糊自整定PID的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后者在燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)中的控制效果更佳，使得燃?xì)忮仩t的燃燒效率得到大幅提高，更減少了環(huán)境污染，這對(duì)燃?xì)忮仩t工業(yè)的應(yīng)用具有重要的意義。

[1] 周勇.燃?xì)忮仩t的節(jié)能降耗改造方案分析[J].化工機(jī)械,2014,41(2):192～193,203.

[2] 唐衛(wèi)國，李秦，楊光明.甘肅省工業(yè)鍋爐節(jié)能對(duì)策探討[J].化工機(jī)械，2012,39(3):266～270.

[3] 趙欽新.我國工業(yè)鍋爐發(fā)展回顧與“十二五”展望[J].工業(yè)鍋爐，2011，(6)：1～8.

[4] 張振興.燃?xì)鉄崴仩t智能控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[5] 向立志，張喜東，李榮，等.多變量預(yù)測控制在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2006，33(2)：20～24.

[6] 楊長亮. 基于模糊PID控制的燃?xì)鉄崴仩t燃燒控制系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[7] 劉佳.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的熱水鍋爐燃燒控制的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2005.

[8] 王釗，袁東麟.基于MATLAB的鍋爐燃燒控制[J].電力職業(yè)技術(shù)學(xué)刊，2009，(2)：1～4.

[9] 顏信材，程明.基于DCS的鍋爐自動(dòng)控制及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(3)：305～308.

[10] 王富強(qiáng).工業(yè)燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2011.

虹潤精密儀器有限公司智能儀表的應(yīng)用領(lǐng)域

虹潤精密儀器有限公司擁有六大系列的產(chǎn)品：隔離器與安全柵、數(shù)顯儀表、無紙記錄儀、過程校驗(yàn)儀、電工表、轉(zhuǎn)速表。產(chǎn)品種類齊全，涵蓋面廣。為OEM生產(chǎn)裝備配套提供個(gè)性化產(chǎn)品：提供中性產(chǎn)品以及中性的簡介、樣本、說明書。提供中性產(chǎn)品以及中性的簡介、樣本、說明書。

在國內(nèi)市場方面，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工生產(chǎn)、核電高鐵、采礦冶金、石油石化、食品醫(yī)藥、機(jī)械電子、裝備制造、農(nóng)業(yè)環(huán)保等領(lǐng)域。其中有中國空空導(dǎo)彈研究院、中國空間技術(shù)研究院、中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院、清華大學(xué)航天航空學(xué)院等40多家的航空航天企業(yè)，中國原子能科學(xué)研究院、中科院高能物理研究所、中國工程物理研究院、軍事醫(yī)學(xué)研究院等10多家軍工企業(yè)，大亞灣核電站、嶺澳核電站等。在國際市場方面，目前產(chǎn)品已應(yīng)用于美國微軟、瑞士ABB、德國蒂森克虜伯、西門子、日本日立等10多家國際知名公司。

GasBoilerControlSystemAnalysisandAlgorithmSimulation

ZHAO Ganga, DUAN Zhen-geb

(a.CollegeofAutomation; b.TianjinKeyLaboratoryforControlTheory&ApplicationinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)

Regarding the gas-fired boiler with nonlinearity, high inertia and the multivariable, the control system for the gas boiler’s two-input/output combustion was analyzed and its fuel control system and air-supply control system were designed where the method of detecting flue gas oxygen content was adopted to achieve a optimum air-fuel ratio control over the gas volume and the air amount. In the control system, a fuzzy self-tuning PID algorithm was adopted and compared with conventional PID control in Matlab simulation to show that this fuzzy self-tuning PID algorithm outperforms the traditional PID control in control effect.

gas boiler, flue gas oxygen content, air-fuel ratio, simulation

2016-03-07(修改稿)

TH865

A

1000-3932(2016)04-0347-06