1、東 北 大 學研 究 生 考 試 試 卷考試科目： 計算機控制理論與設計 課程編號： 09601603 閱 卷 人： 關守平 考試日期： 2014.01.05 姓 名： 薛勝先 學 號： 1300978 注 意 事 項1考 前 研 究 生 將 上 述 項 目 填 寫 清 楚2字 跡 要 清 楚，保 持 卷 面 清 潔3交 卷 時 請 將 本 試 卷 和 題 簽 一 起 上 交東北大學研究生院燃燒過程控制系統摘要：本作業主要針對燃燒控制系統進行了仿真，首先簡要介紹了燃燒控制系統的工作原理，然后對燃燒控制系統各個部分的PI調節器進行了參數整定，并對負壓控制系統前饋進行了補償整定，最后對燃燒控制系統

2、進行了仿真，其中包含了串級系統和前饋系統。關鍵詞：燃燒控制系統，仿真，串級系統，前饋系統1引言在許多的工業生產過程中燃燒都是必要的一環，如氧化鋁生產過程中的燃燒問題、硫化床生產過程的燃燒問題等。從燃料角度來說，燃燒過程有燃油、燃煤、燃氣等區別。雖然燃燒應用場合和燃料各異，但對燃燒過程的控制都不外是燃料控制、溫度控制、燃燒程度控制、安全性控制、節能控制等。在此，僅以燃油蒸汽鍋爐為例說明燃燒系統中帶有一定普遍性的控制問題。燃油鍋爐的燃燒控制主要由三個子系統構成：蒸汽壓力控制系統、燃料空氣比值控制系統和爐膛負壓控制系統。2.基本理論2.1蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統圖1. 燃燒爐蒸汽壓力控制和

3、燃料空氣比值控制系統的方案燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是生產蒸汽供其他生產環節使用。一般生產過程中蒸汽的控制是通過壓力實現的，后續環節對蒸汽的生產用量不同，反映在燃油蒸汽鍋爐環節就是蒸汽壓的波動。維持蒸汽壓力恒定是保證生產正常進行的首要條件。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節燃燒產生的熱量，而燃燒產生熱量的調節是通過控制所供應的燃料量以及適當比例的助燃空氣實現的。因此，蒸汽壓力是最終被控制量，可以根據生成情況確定；燃料量是根據蒸汽壓力確定的；空氣供應量根據空氣量與燃料量的合理比值確定。燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統的方案如圖1。2.2爐膛負壓控制系統鍋爐爐膛負壓力過小時，

4、爐膛內的熱煙、熱氣會外溢，造成熱量損失、影響設各安全運行甚至會危及工作人員安全；當爐膛負壓太大時，會使外部大量冷空氣進入爐膛，改變燃料和空氣比值，增加燃料損失、熱量損失和降低熱效率。保證爐膛負壓的措施是引風量和送風量的平衡。如果負壓波動不大，調節引風量即可實現負壓控制；當蒸汽壓力波動較大時，燃料用量和送風量波動也會較大，此時，經常采用的控制方法如圖2所示。圖2.爐膛負壓控制系統框圖由圖2可以看出，該方案中以負壓為控制目標，用引風量構成控制閉環，利用前饋控制消除送風量變動對負壓的影響。3.仿真 燃燒過程的仿真和其他仿真過程一樣由系統辨識、穩定性分析、控制策略選擇、參數整定和系統仿真等內容組成。某

5、鍋爐燃燒系統要求對系統進行蒸汽控制。采用燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統，并輔以爐膛負壓控制的方案，控制系統簡圖如圖3所示。3.1建立數學模型(1) 建立燃料爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統數學模型燃料流量被控對象：燃料流量至蒸汽壓力關系約為：蒸汽壓力至燃料流量關系約為：蒸汽壓力檢測變換系統數學模型：燃料流量檢測變換系統數學模型：燃料流量與控制流量比值：空氣流量被控對象：(2) 建立爐膛負壓控制系統數學模型引風量與負壓關系：送風量對負壓的干擾：圖3.控制系統框圖3.2 控制系統的整定(1) 燃料控制系統參數整定為使系統無靜差，燃料流量調節器采用PI形式。即：其中，參數KP和KI采用

6、穩定邊界法整定。先讓KI=0，調整KP使系統等幅震蕩（系統被控對象在KP=3.72附近時系統震蕩），即系統處于臨界穩定狀態。系統臨界震蕩仿真框圖及其震蕩響應如圖4(a)和圖4(b)所示。(a) 系統臨界振蕩仿真框圖(b) 系統臨界振蕩響應圖4.系統臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應記錄此時的振蕩周期Tcr=11s和比例系數Kcr=3.8。則KP=Kcr/2.2=1.73，KI=KP/(0.85Tcr)=0.18。在KP=1.73，KI=0.18基礎上，對PI參數進一步整定后，燃料流量閉環控制系統單位階躍輸入的仿真框圖如圖5(a)所示。調節KP=1.1，KI=0.1時，系統響應如圖5(b)所示，可見系

7、統有大約10%的超調量。(a) 燃料流量閉環控制系統單位階躍輸入的仿真框圖(b)燃料流量閉環控制系統單位階躍輸入的仿真響應圖5.燃料流量閉環控制系統參數整定(2) 蒸汽壓力控制系統參數整定(a) 蒸汽壓力控制系統參數整定框圖(b) 蒸汽壓力控制系統參數整定仿真結果圖6. 蒸汽壓力控制系統參數整定仿真在燃料流量控制系統整定的基礎上，采用試誤法整定蒸汽壓力控制系統參數。系統整定仿真框圖如圖6(a)所示。當KP=1，KI=0時(此時相當于無調節器，此時系統最簡單)，仿真結果如圖6(b)所示，上圖為系統階躍響應，下圖為階躍輸入。由仿真結果圖6(b)可以看出，系統響應超調量大約50%。此時系統調節器最簡

8、單，工程上系統響應速度和穩定性都較好。(3) 空氣流量控制系統參數整定空氣流量控制參數整定方法和燃料流量控制參數整定方法類似，此處不詳細說明。當KP=0.08，KI=0.05時，系統階躍響應如圖7所示，可見系統響應超調量大約25%。圖7.整定后空氣流量控制系統階躍響應(4) 負壓控制系統參數整定圖8.整定后負壓控制系統階躍響應(a) 燃燒爐控制系統仿真框圖(b) 燃燒爐控制系統仿真結果圖9.燃燒爐控制系統仿真負壓控制系統參數的整定方法和燃料流量控制參數整定方法類似，此處不詳細說明。當KP=0.03，KI=0.05時，系統階躍響應如圖8所示，可見系統響應超調量大約50%。(5) 負壓控制系統前饋

9、補償整定采用動態前饋整定，其前饋補償函數為：3.3 控制系統Simulink仿真 利用各整定參數對控制系統仿真，其框圖如圖9(a)所示。假定蒸汽壓力設定值為10，爐膛負壓設定值為5。仿真結果如圖9(b)所示。由仿真圖可以看出，空氣流量波形大約有34%的超調量，但之后趨于穩定，穩定在30。實際蒸汽變動波形大約有50%的超調量，但之后趨于穩定，穩定在給定量10。負壓變化波形實際蒸汽變動波形大約有50%的超調量，但之后趨于穩定，穩定在給定量5。總體來說，雖然系統的超調量比較大，但由于系統負反饋閉環和前饋補償的作用，系統可以穩定工作。圖10為燃燒爐控制系統加干擾的仿真框圖與仿真結果。(a) 燃燒爐控制系統仿真框圖(b) 燃燒爐控制系統仿真結果圖10.燃燒爐控制系統仿真由圖10可以看出，系統受到干擾后，空氣流量波形、實際蒸汽變動波形和負壓變化波形也能在一定時間后趨于穩定，可見由于系統負反饋閉環和前饋補償的作用，系統還有一定