蒸汽锅炉燃烧控制系统的设计和仿真

3.4控制系统总框图

4 MATLAB环境下控制算法的研究

4.1系统辨识

(1)燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制

燃烧流量被控对象为： s e s s G 21

122)(-+= 燃料流量至蒸汽压力关系为：

4)(=s G

蒸汽压力至燃料流量关系为:

4/1)(=s G

燃料流量检测变换系统数学模型为：

1)(=s G

燃料流量与控制流量比值为：

2)(=s G

空气流量被控对象为:

s e s s G 21102)(-+=

(2)炉膛负压控制

引风量与负压关系： s e s s G -+=

156)( 送风量对负压的干扰为： 1

22)(+=s s G 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4.1所示：

4.1(a)系统临界振荡仿真框图

4.1(b)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4.2(a)所示。调节Kp=1.1，Ki=0.1，系统响应如图4.2(c)所示，可见系统有约10%的超调量。

4.2(a)PI模块结构

4.2(b)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图

4.2(c)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应

(2)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4.3所示，上图为系统仿真图，下图为阶跃输出。

4.3(a)蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图

PID(2)中KP=0.1，KI=0；

4.3(b)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，系统响应超调量约为25%。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。

(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，当

Ki=0.05和Kp=0.08时，系统阶跃响应如图4.4所示，其中上图为阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量约为25%。

4.4(a)整定后空气流量控制系统阶跃响应

4.4(b)整定后空气流量控制系统阶跃输入

(4)负压控制系统

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。当Ki=0.05，Kp=0.03时，系统阶跃响应如图4.5所示，其中上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量为25%。

4.4.5(a)整定后负压控制系统阶跃响应

4.5(b)整定后负压控制系统阶跃输入

(5)负压控制系统前馈补偿整定

采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为： 5

1517)(++=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4.6所示。设定蒸汽压力值为10，炉膛负压值为5。仿真结果如图4.7至4.10所示，由上至下依次为蒸汽压力设定值波形，实际蒸汽压力与空气流量波形，负压变化波形和负压设定波形。

4.6控制系统仿真图

4.7蒸汽压力设定值波形

4.8实际蒸汽压力与空气流量波形(红色为实际蒸汽压力波形，黄色为空气流量

波形)

4.9负压变化波形

4.10负压设定波形

(2)有扰动仿真

系统在三个部分中均加入了幅值±0.1的随机扰动。系统仿真图如图4.11所示。仿真结果如图4.12至4.16所示，由上至下依次为蒸汽压力设定值波形，实际蒸汽压力与空气流量波形，扰动波形，负压变化波形和负压设定波形。

4.11有扰动系统仿真图

4.12蒸汽压力设定值波形

4.13有扰动蒸汽压力实际波形

4.14扰动波形

4.15有扰动负压变化波形

4.16负压设定波形