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1、锅炉燃烧控制系统的仿真摘要工业锅炉是重要的动力设备，在我国国民经济发展中占有重要地位。近年来，随着人们能源与环保意识的增强，锅炉生产过程的在线监测与优化控制，已成为能源、环保和控制领域研究的热点方向之一。目前，我国工业锅炉的设备相对落后，大多数锅炉的控制、操作水平的自动化水平较低。根据我国锅炉自动控制的现状，本论文着重研究了工业锅炉的燃烧自动控制系统。本设计分析了工业锅炉燃烧过程机理及控制目标。在此基础上，针对工业锅炉控制系统的控制任务，对工业锅炉燃烧系统的燃料、送风、引风进行设计。其中，总结操作人员成功的经验，提出两种控制策略：其一是基本模糊控制器，引入工业锅炉燃料控制系统中；另一种是模糊自
2、寻优控制器，用于送风控制系统中。最后，根据所提出的控制方案，采用MATLAB仿真软件，进行了有效的仿真实验。结果表明，模糊控制的引入有效地克服了系统的扰动，提高了系统的动态特性。关键词：工业锅炉;燃烧系统; MATLAB仿真Boiler Burning The Control System SimulationAbstractThe Industrial boiler is important in power equipment, in Chinas national economic development plays an important role. In recent years,
3、 as people energy and strengthening of environmental protection consciousness, the production process of boiler on-line monitoring and optimization control, has become energy, environmental of protection and control field research hot spot one of directions. At present, Chinas industrial boiler equi
4、pment is relatively backward, most of the boiler control, operation level of automation level is low. According to Chinas present situation of boiler control, this paper focuses on the industrial boiler combustion automatic control system. This paper analyzes the industrial boiler combustion process
5、 mechanism and control goals. On this basis, according to industrial boiler control system of industrial control tasks of boiler combustion system of fuel and air supply, lead the wind to carry on the design. Among them, summarizes the successful experience operators, put forward two control strateg
6、ies: one is the basic fuzzy controller, the introduction of industrial boiler fuel control system; Another kind is fuzzy optimum controller, since for supply air control system. Finally, according to the proposed control schemes, using of MATLAB simulation software, effectively simulation experiment
7、. The results show that the introduction of fuzzy control effectively will overcome the system disturbance and improve the dynamic behavior of the system. Keywords: Industrial boiler；Combustion system；MATLAB simulation 目录摘要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 选题背景及目的11.2 国内外锅炉燃烧控制系统的发展现状11.3 国内外锅炉燃烧控制理论研究现状21.4
8、 模糊控制的发展及研究现状21.5 本设计主要研究内容32 锅炉燃烧过程的原理及控制目标42.1 锅炉的构造和工作过程42.2锅炉燃烧过程原理52.2.1 内扰特性62.2.2 外扰特性82.2.3 送风和引风扰动下的动态特性82.3 燃烧控制的目标103 锅炉燃烧过程模糊控制系统的设计123.1 燃料控制系统123.1.1 系统控制方案123.1.2 基本模糊控制器的设计133.2 送风控制系统173.2.1 系统控制方案173.2.2 自寻优算法183.3 引风控制系统203.3.1 系统控制方案203.3.2 前馈补偿器203.4 小结214 锅炉燃烧系统的模糊控制仿真224.1 系统仿
9、真的目的224.2 MATLAB软件简介224.2.1 模糊控制工具箱介绍224.2.2 SIMULINK工具箱介绍234.3 燃料控制系统仿真234.3.1 FUZZY-PI串级控制系统的仿真234.3.2 燃料控制系统的性能分析254.4 送风控制系统仿真254.4.1 送风控制系统的仿真框图及结果254.4.2 送风控制系统性能分析264.5 引风控制系统仿真264.5.1 引风控制系统的仿真框图及结果264.5.2 引风控制系统的性能分析284.6 小结28结论29致谢30参考文献311 绪论1.1 选题背景及目的锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生
10、的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为工厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。 工业锅炉的自动控制有着重要的意义,其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比条件下进行，可以提高燃烧效率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高1都会产生巨大的经济效益。其次，锅炉控制过程的自动化处理能使操作人员在监控计算机上根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生
11、产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。1.2 国内外锅炉燃烧控制系统的发展现状 随着现代化工业的发展，能源日益紧张，环境保护的要求也越来越高，国外燃煤的工业锅炉很少，尤其是200吨/时以下的工业锅炉更少，它们主要是燃烧油或天然气，大量的工业用汽或采暖都由200吨/时以上的电站锅炉或热电联产的中压以上锅炉来提供。近年来1吨/时以下的燃油、燃气的小型锅炉发展迅速，这些锅炉的自动化水平极高，甚至达到了无需用人管理的地步。自1975年，世界上第一个分布式控制系统美国Honeywell公司的TDC-2000问世以来，发达
12、国家已研制出许多先进的工业锅炉的微机控制系统，从而逐步取代常规仪表而进入工业锅炉控制行业。 在我国工业锅炉控制系统方面的发展大致经历了四个阶段，1、手工控制阶段；2、专用仪表控制阶段；3、电动单元组合控制阶段；4、计算机控制阶段(分布式控制系统DCS)。我国从80年代开始，引进了数十套工业锅炉微机分布控制系统，近年来国内有几十家大专院校、科研院所和企业合作开发工业锅炉的微机控制系统，并取得了明显的经济效益，随着计算机技术的发展与完善，成本也大幅度降低，可靠性不断提高，锅炉运行采用微型计算机控制是工业锅炉运行的必然趋势。可以预言，工业锅炉的微机分布式控制系统必将成为新一代的产品投放市场，以供锅炉
13、直接使用，锅炉的微机分布式控制系统正在我国形成一种产业，也将成为锅炉控制系统的一次飞跃。1.3 国内外锅炉燃烧控制理论研究现状 目前,国内外已研制出许多工业锅炉微机控制系统，如：单片机控制系统、可编程控制系统。随着大规模集成电路及微处理器技术的发展，这些控制系统所使用的微处理器也不断更新，单片机取代了单板机。尽管微处理器在不断更新，现代控制理论已经十分成熟，但大多数的工业过程仍采用PID算法，这是因为PID算法技术成熟，调节规律灵活，参数调节简单，易于实现。传统控制理论需要较高精度的对象模型，而工业过程的动态特点是：1、对象的动态特性是不振荡的；2、对象动态特性有迟延；3、被控对象本身是稳定的
14、或中性稳定的；4、被控对象往往具有非线性特性，而且大多数工业过程是多变量的，难于建立起精确的数学模型，因而在工业的实际应用中很难收到预期的效果。为了克服理论与实际之间的不协调，70年代以来，人们设想从工业过程的特点出发，寻找对模型精度要求不高而同样能实现高质量控制性能的方法，于是加强了在建模理论、辨识技术、最优控制、最优化等方面的研究，开始打破传统方法的束缚，推出了从工业系统特点出发研究,其对模型要求不高，在线计算方便，对过程和环境的不确定性有一定适应能力的实用型控制策略和方法。例如：模糊控制等就是在这种背景下发展起来的新型的控制算法。它以比单纯的PID控制更好的控制效果而广泛应用。1.4 模
15、糊控制的发展及研究现状1965年，模糊集理论由美国控制论专家L.A.Zadeh创立，为描述、研究和处理模糊性现象提供了有力的数学工具。最早实现模糊控制应用的是英国伦敦大学教授EH.Mamdani，他于1974年将模糊控制语句组的模糊控制器，应用于锅炉和气轮机的运行控制，开创了模糊控制应用的先河，也充分展示了模糊控制技术的应用前景。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。模糊控制可在多个领域中得到应用，大体可分为三个方面。(1)模糊控制的产品化研究以家用电器产品的应用为对象
16、，采用模糊控制技术，生产出了各种家用电器，如模糊洗衣机、模糊空调、模糊电饭煲、模糊自动聚焦摄像机和照相机等。随着这些特定对象的控制系统开发的迅速增长。简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成专用芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的研究也日新月异。(2)模糊控制的非生产过程应用研究在非生产过程中模糊控制已经成功的应用于电梯自动运行、十字路口交通管理系统、水处理、汽车速度控制等方面。(3)模糊控制在工业过程中的应用研究工业过程以其特有的复杂性，成为模糊控制应用的最为重要的领域。将模糊控制应用于复杂的工业过程，往往能得到常规控制难以比拟的控制效果。模糊控制已成功的应用于水泥回转窑控制、核反应控制、电
17、厂汽机系统控制、液压伺服电机等系统。充分显示了模糊控制在大规模、多目标、非线性等复杂系统中应用的强大优势。1.5 本设计主要研究内容 将模糊控制应用于工业锅炉燃烧系统，此系统包括燃料、送风、引风三个子系统，主要研究内容为：(1)分析锅炉燃烧过程的原理及控制目标；(2)设计燃料、送风、引风控制系统的控制方案及模糊控制器；(3)运用仿真软件MATLAB进行计算机仿真，并分析仿真结果。2 锅炉燃烧过程的原理及控制目标2.1 锅炉的构造和工作过程图21为工业锅炉的结构简图，它主要由以下几部分组成。 图2.1 工业锅炉结构简图 1、燃烧嘴：燃料进入炉膛后燃烧的地方。2、炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的
18、设备。燃料由料斗落在转动的链条炉排上，进入炉内燃烧。所需的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的灰渣被炉排带到除灰口，落入灰斗中，得到的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排至大气。3、汽包：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受外烟气加热，因两管簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒里面。4、减温器：降低管内流动水的温度。5、过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。6、省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。省煤器由蛇形管组成。7、空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。为
19、保证锅炉正常工作，还必须有一些辅助设备，包括以下几部分：l、引风设备：包括引风机、烟囱、烟道口部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。2、送风设备：由送风机和风道所组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。3、给水设备：由给水泵和给水管路所成，给水泵系用来克服给水管路与省煤器的阻力和锅筒的压力，把给水泵送入锅筒。为了安全，锅炉房通常要有两台以上给水泵，并且采用气动和电动两种拖动方式，起着相互备用的作用。4、水处理设备：其作用为清除水中杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀，从而提高锅炉的经济性和安全性。5、燃料供给设备：其作用是保证锅炉所需燃料的供应。6、除灰尘设备：除灰尘设备是收集锅炉灰
20、渣并运往贮灰场地的设备。除灰尘设备是除去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染的设备。 锅炉最基本的构成是汽包和炉膛两大部分。锅炉的工作过程为：燃料在炉膛里进行燃烧，将其化学能转化为热能；高温的燃烧产物一一烟气，通过汽包受热面将热量传递给气锅内温度较低的水，水被加热，进而沸腾汽化，生成蒸汽。所以，锅炉的工作过程概括起来应包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程、烟气向水的传热过程和水的汽化过程。锅炉的控制主要分为两大部分：燃烧控制系统和汽包水位控制系统。锅炉的燃烧过程是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统，较难控制，因此,本文重点研究了锅炉的燃烧过程控制。2.2锅炉燃烧过程原理锅炉
21、汽包蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被调量，引起蒸汽压力变化的因素有很多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况的变化原因。它受到的主要扰动分为内扰(燃料的变化)和外扰(蒸汽流量的改变)。以蒸汽压力作为被调量的燃烧过程示意图如图22所示。图2.2 以锅炉汽压为主参数的燃烧过程示意圈其中：燃料调节阀开度； B：燃料量；V：送风量； Q：炉膛发热量；W：给水量； P：汽包出口蒸汽压力；D：蒸汽流量； ：用汽设备调节阀开度。 2.2.1 内扰特性 锅炉在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变。而蒸发量部分可以看作是一个储热量的容器，反映储热量多少的主要参数汽汽包压
22、力P。当炉膛发热量Q和蒸汽流量D所带走的热量不相等时，汽包压力P就要发生变化，其关系式为： (2.1)其中：Q：单位时间内锅炉炉膛发热量；D：蒸汽流量(用热量表示)；C：锅炉蒸发部分的容量系数，即汽包压力变化一个单位时，锅炉蒸发部分储热量的改变；：锅炉汽包压力时间的变化率。(1)蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供汽条件有关，如果用汽量D不变，而燃料量改变产生内扰时，蒸汽压力成积分规律变化，蒸汽压力变化的阶跃反映曲线如图23所示。图2.3 蒸汽流量不变时，燃料量阶跃扰动响应图2.4 蒸汽调节阀开度不变时，燃料量阶跃扰动响应(2)若用汽设备的调节阀开度不变，则随着汽压P的升高，蒸汽流量也将增加这时蒸
23、汽压力成指数规律变化，它的反应曲线如图24所示。当蒸汽流量带走的热量等于燃料增加的热量时，蒸汽压力又在新的数值上稳定下来，系统达到新的平衡。燃料量改变时蒸汽压力的动态特性存在较大滞后。而从时间上来说，炉膛温度比蒸汽压力超前得多，所以本文采用以炉膛温度为副控参数，以蒸汽压力为主控参数的串级控制系统。根据以往研究者的经验，我们可以把炉膛温度模型近似为： (2.2)式中：增益系数；：惯性时间常数：纯滞后时间常数。 对式(21)进行拉氏变换，得： (2.3) 因此锅炉的蒸汽压力对象可用单容积积分环节与纯滞后(传递滞后)环节的串联表示。2.2.2 外扰特性外扰有两种情况，一种是负荷设备的蒸汽阀门开度改变
24、，另一种是负荷设备用汽量的突然增加(或减少)所产生的。下面就分析两种情况的扰动下，蒸汽压力变化的动态特性。(1)若负荷设备的蒸汽调节阀开度突然改变，锅炉的汽压也随即改变，其反应曲线如图25所示。当突然开大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量D立即增加，但是，由于燃料量没有增加，汽包压力批P逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也逐渐减少，最后蒸汽流量只能恢复原值。也就是说，燃料量不改变，在平衡状态时，锅炉供应的蒸汽流量也不会改变。至于阀门开度增大后短时间增加的蒸汽量是依靠锅炉蒸发部分储热量减少(压力降低)放出来的。(2)当负荷设备蒸汽用量突然增加时，汽包蒸汽压力的反应曲线如图26所示。当蒸汽流量增加时，
25、汽包蒸汽压力则下降，如果蒸汽流量继续保持增大后的数值，由于燃料量没有增加，热量不能平衡，所以蒸汽压力一直下降，直到改变燃料量使其产生的热量与蒸汽流量相平衡时，才能恢复保持锅炉的蒸汽压力。2.2.3 送风和引风扰动下的动态特性上面主要讨论了燃烧控制系统的汽压被控对象的动态特性。为了保证锅炉的经济、安全 (a)(b)(c)图2.5 负荷设备蒸汽阀门开度阶跃变化，锅炉汽压的反应曲线燃烧，还要考虑在送风和引风扰动下的动态特性。由于目前没有直接测量燃烧经济性指标的手段，只能近似认为只要送风量、引风量随时与燃料量保持适当的比例就能保证。当送风量或引风量单独改变时，炉膛压力变化的惯性很小，因此，这些扰动的动
26、态特性可近似认为控制对象是一个惯性很小的环节，或者认为是比例环节。炉膛压力控制通道的传递函数可描述为： = (2.4) 送风干扰通道传递函数可近似为： = (2.5)2.3 燃烧控制的目标 通常将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系统，输入量为燃料量、送风量和引风量；输出量为主蒸汽压力、炉膛温度和炉膛负压。同时，还存在着错综复杂的扰动参数，包(a)(b)图2.6 蒸汽流量阶跃变化，锅炉蒸汽压力的反应曲线括蒸汽流量扰动和燃料品质扰动等。这些参数互相作用如图27所示。在实际控制系统中，通常将系统简化为三个子系统：燃料控制系统、送风控制系统、引风控制系统。图2.7 燃烧系统输入输出关系示意圈 锅炉燃烧过程
27、自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应蒸汽负荷的需要，同时又要保证锅炉安全经济运行。每台锅炉燃烧过程的具体控制任务及控制系统的选择因实际应用情况而有所差别，燃烧控制系统的任务归纳起来有以下几个：(1)维持蒸汽母管压力稳定。蒸汽压力反映了锅炉在运行过程中的能量平衡和物料平衡的状况，所以，蒸汽压力调节系统除了安全的目的之外，主要起定值负荷调节作用。当锅炉负荷增加，压力就下降，这时，就得增加燃料的供应量以保持能量的平衡；反之亦然。(2)保证空燃比。当燃料量变化时，必须相应的调节送风量，使风量与燃料相匹配。如果比值不当，空气不足导致燃料的不完全燃烧：空气过多会使大量的热量损失在烟气中，使燃烧效
28、率降低。(3)保证一定的炉膛负压。送风量发生变化时，必须相应地改变引风量，以保证炉膛负压在一定范围内。炉膛压力的高低，关系锅炉的安全运行，负压过小炉膛向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生；负压过大，炉膛漏风量增大，则会造成风机耗电量增加，排烟热量损失增加。一台锅炉燃烧系统的这三项控制任务是不可分开的，可以用三个调节器控制三个调节变量(燃料量B、送风量V、引风量V)，以维持三个被调量(蒸汽压力P、过剩空气系数或最佳含氧量或炉膛火焰中心的温度T和炉膛负压。三个控制系统互相协调不可分割。3 锅炉燃烧过程模糊控制系统的设计3.1 燃料控制系统3.1.1 系统控制方案 燃烧系统是一个具有强干扰、非线
29、性、时变的过程，所建立的数学模型是不精确的，而且蒸汽压力对象滞后较大，燃料量的变化到主蒸汽压力的变化回路存在时滞，该时滞的大小随负荷状况的变化而变化，这些因素给控制带来不少困难，常规PID算法对这种大滞后、时变系统是很难奏效的。工业锅炉大多沿用测量蒸汽压力来调节送风量和给燃料量。由于这种方法纯滞后太大，给控制系统达到良好特性带来许多困难。从时间上来说，炉膛温度比蒸汽压力对燃料量变化的响应超前得多，因此，可以把炉膛温度与蒸汽压力串级，组成热负荷控制系统。模糊控制器由于具有较强的鲁棒性，因而在控制数学模型不精确的情况下，常常得以采用，但常规二维控制由于缺少积分作用，稳态性能不太好。为使系统具有较好
30、的动态性能和稳态性能，提出一种带参数自调整的模糊控制器，作为主蒸汽压力调节器，用常规PI控制器作为炉膛温度调节器，形成一个模糊-PI串级控制系统。如图31所示：图3.1 燃料控制系统方框图蒸汽压力对象的主要干扰是蒸汽流量的变化(外扰)和锅炉燃料的变化(包括燃料量，燃料所含水分、可燃物质等的变化，统称为内扰)。在燃料扰动时，送风和引风同时协调动作，以保证系统的安全运行。由于炉膛温度信号能及时反映燃料的扰动，所以引入温度调节器，以克服内扰的影响，并很快消除扰动，基本不会因燃料的扰动造成主蒸汽压力的波动。3.1.2 基本模糊控制器的设计 （1）模糊控制器的结构 一般来说，模糊控制器的维数越高，控制精
31、度越高，但维数过高，会使控制规则变得复杂而导致算法实现困难。本文选用最常用的二维模糊控制器，即输入变量为偏差E和偏差变化量C，系统框图如图3.2所示：图3.2 基本模糊控制系统图中：主汽压偏差：主汽压测量值； ：主汽压给定值；：偏差变化率；：本次偏差； ：上次偏差；：本次时间； ：上次时间。（2）确定模糊输入和输出变量的值 一般包括两个部分的内容：选择描述输入输出变量的词集及定义各模糊变量的模糊子集。1、选择描述输入输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入、输出变量状态的一些词汇的集合，称为这些变量的词集。选择词汇较多，可以使制定控制规则方便，但是控制规则
32、相应变得复杂；选择词汇较少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏，本文选择描述偏差、偏差变化率和控制量的词集为：NB，NM，NS，O，PS，PM，PB 其中，NB，NM，NS，O，PS，PM，PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。输入、输出变量可以用模糊集合来表示，因此模糊概念的问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。2、定义各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，就构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。对于模糊化过程而言，隶属函数的形状起着重要作用，它代表着人在思维过程中将
33、现实的精确量转化为语言变量的直觉过程。从统计学分析，正态分布隶属函数体现人的直觉推理方式，因为人们对客观事物的判断往往沿用正态分布的思维特点，应用于实时控制中的模糊控制器往往采用正态分布的隶属函数。本文的模糊控制采用的隶属函数如图33、图34和图35所示使用MATLAB的模糊逻辑工具箱很容易实现。（3）建立模糊控制器的控制规则 模糊控制器的规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、实验、经验而逐渐形成的，存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者再根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使
34、得系统达到预期的目标。用于主蒸汽压力模糊控制器的推理由一套线性规则构成，表示为：If E is and C is then U is 其中，代表“主汽压偏差”的模糊集，代表“主汽压偏差变化量”的模糊集，代表“输出量”的模糊集。图3.3 输入量E的隶属函数图3.4 输入量C的隶属函数图3.5 输出量U的隶属函数 以上规则的构造基于实际过程中如下阶跃响应特征：若主汽压快速远离设定点，则施加大的控制量以控制输出量返回设定点；当主汽压离设定点较近且正在快速靠近设定点，则需要较小的控制输出信号。输入量E和C对于决定输出量具有等同的重要性。输入输出变量间的关系采用线性关系，因为线性关系代表着操作人员操作过
35、程的一般思维方式。以上的规则用语言形式表示为：如果“主汽压偏差”为“负大”，且“偏差变化量”为“负大”，则“输出量”为“正大”；如果“主汽压偏差”为“负大”，且“偏差变化量”为“负中”，则“输出量”为“正大”等等，共49条语句，全部规则见表31。表3.1 主汽压模糊控制器的模糊控制规则表 NBNMNSOPSPMPBNBPBPBPBPBPMOONMPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMONSNSOPMPMPSONSNMNMPSPSPSONMNMNMNMPMOONMNBNBNBNBPBOONMNBNBNBNB由上表知，首先考虑偏差为负的情况，当偏差为负大时，如果偏差变化量也为负，这时偏差有增
36、大的趋势，为尽快消除已有的负大偏差，并抑制偏差变大，所以控制量的变化取正大。当偏差为负而偏差变化为正时，系统本身已有减少偏差的趋势，所以为尽快消除偏差且又不超调，应取较小的控制量。当偏差为负大且偏差变化量为正小时，控制量的变化取为正中；当偏差变化为正大或正中时，控制量不宜增加，否则将选成超调正偏差，因此，避时控制量变化取为0。当偏差为负中对，控制量的变化应该使偏差尽快消除。基于这种原则，控制量的变化选取同偏差为负大时相同。当偏差负小时，系统接近稳态，如果偏差变化为负，选取控制量变化为正中，以抑制偏差往负方向变化；如果偏差变化为正时，系统本身有消除负小偏差的趋势，选取控制量变化为正小即可。 上述
37、选取控制量变化的原则是：当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主，而当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。偏差为正时与为负时相似，相应的符号都要变化。对建立的模糊控制规划表3.1要经过模糊推理才能决策出变量的一个模糊子集，再将其反模糊化为精确量，以便更好地发挥出模糊推理结果的决策效果。上述基本模糊控制器在应用中存在以下问题：1确定模糊变量隶属度和控制规则时，带有人为的主观因素，因而可能导致控制查询表出现不尽合理的地方。2控制器的量化因子和以及比例因子与控制品质有关，为了保证足够的控制精度，应选用较大的和较小。但和太大易产生自持振荡，太小会使系统响应缓慢，也就
38、是说，选择参数时，系统的稳态精度和动态性能之间是矛盾的。3.2 送风控制系统3.2.1 系统控制方案送风控制系统的目的是保证合适的空/燃比，实现燃料的完全燃烧。如果在燃烧过程中，空气量不足，煤渣就会燃烧不完全。严重时会熄灭燃料的燃烧；当空气量过多时，会有未燃烧的过剩空气，吸收大量的热量从烟道排出。只有使燃料完全燃烧，又使过剩空气量减少到最低限度的情况下，才是燃烧的最佳状态。传统的做法是通过送风-氧量校正通道来维持最佳空燃比。实践证明这种方法由于受多种条件的限制，效果不够理想。首先，残氧量检测仪价格昂贵，使用寿命短；其次，氧量信号的滞后时间较长。本文采用另一种方法，即利用热效率与空/燃比之间的峰
39、值特性，以炉膛温度为被控制量，采用模糊自寻优控制，自动搜索最佳空/燃比。控制送风量的依据：在燃料量不变时，以最高炉温为指标，调节送风量，即改变空/燃比，当炉温时，表明此时的送风量能使该燃料量充分燃烧，此时的空/燃比为最佳空/燃比。当燃料量变化时，送风量相应的变化，启动模糊自寻优控制器，自动搜索最佳空燃比。框图如图36所示。图3.6 送风控制系统框图在燃料量一定时，炉膛温度T与送风量V的静态关系如图37所示。由图可知，在燃料量一定时，对应一最佳送风量，即当时，炉温。燃料量不同时，TV曲线也不同，因此，可以采用在线自动搜索的方法，使得炉膛温度达到最大值，即动态地调整空燃比，使锅炉运行于最高效率。图
40、3.7 炉膛温度与送风量的静态关系3.2.2 自寻优算法自寻优控制算法以最高炉温为指标，寻找最佳空燃比。在每个采样周期测量炉温增量，根据和上一周期寻优步长决定本次寻优步长自寻优的启动条件为： (3.1)当负荷有微小波动时保证不频繁改变送风量。当满足如下条件时： (3.2) (3.3)表示已经搜索到最佳工作点，停止寻优。和分别是炉温增量和步长的模糊语言变量，和是量化因子，把和分别分为8个和6个模糊子集，即：=NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB=NB，NM，NS，PS，PM，PB表3.2 模糊自寻优控制规则表 NBNMNSPSPMPBNBPBPBPBNBNBNBNMPMPBPBNBNB
41、NMNSPSPMPMNMNMNSNOPSPSPSNSNSNSPONSNMNMPMPMPSPSNSNMNMPMPMPSPMNMNBNBPBPBPMPBNBNBNBPBPBPB自寻优的搜索过程可以用下述人工经验描述：如果上步步长增量为负小，而温度增量为正大，则下步步长增量为负大；如果上步步长增量为负大，而温度增量为正小，则下步步长增量为负小等等。并且由图3.6可以看出：若0且0，则0且 ，减少风量；若0，则 ，减少风量：若0且0，则 ，增加风量。即：，增加风量；，减少风量。综合上述控制规则总结为表3.2。3.3 引风控制系统3.3.1 系统控制方案 由引风一负压通道的传递函数可知，对象为一滞后环节
42、，且滞后时间较小，因此控制起来比较方便。该通道的主要干扰是送风量的扰动，可用前馈补偿器来抑制干扰，该控制系统的框图如图3.8所示。图中，炉膛负压为被控量，负压调节器采用PI控制器。图3.8 引风控制系统框图3.3.2 前馈补偿器 假设变频器的传递函数为，引风机的传递函数为，炉膛压力控制通道的传递函数为，送风干扰对象的传递函数为。当 =及=时，根据完全补偿条件，可求得前馈补偿器的传递函数为 (3.4) 则 (3.5)3.4 小结通过分析，整个燃烧系统是一个多输入、多输出、各参数相互关联的复杂控制系统。在负荷稳定时，燃料量、送风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动；在负荷变化的外扰作用
43、时，需改变燃料量，同时相应地改变送风量和弓|风量，既适应负荷要求，又要使三个被调量：蒸汽压力、炉膛负压和空/燃比保持在一定的范围内。4 锅炉燃烧系统的模糊控制仿真4.1 系统仿真的目的 为了研究、分析和设计系统，需要对系统进行试验，有两种试验的方案，一种是在真实的系统上进行，另一种是按真实的系统构造一个模型，在模型上进行。这种在模型上进行这一过程就称为系统仿真。锅炉燃烧控制系统无法在实验室进行调试，而在现场调试费时且影响生产。所以选用后一种，也就是仿真。计算机仿真以其方便、经济越来越受到人们的重视，随着功能强大、应用灵活的仿真软件的不断出现，仿真变得越来越方便快捷。仿真的目的是进一步验证所设计
44、的锅炉燃烧系统的模糊控制规则是否合适。在此选MATLAB软件对该控制系统进行仿真。4.2 MATLAB软件简介MATLAB软件于 1984年由美国的math works公司推出。该软件使用简单、 方便， 对稍具 C 语言知识的用户都能够很容易地编制 MATLAB 应用程序。该软件提拱了丰富的数值分析、 矩阵运算、 图形绘制、 数据处理、 图像处理等功能。 此外,MATLAB还推出了大量不同的工具箱、 如控制系统工具箱、 系统辨识工具箱、 模糊控制工具箱、 神经网络工具箱等。MATLAB是一个开放的环境， 目前它已经成为国际控制界广泛流行的语言之一。 4.2.1 模糊控制工具箱介绍模糊逻辑工具箱 （Fuzzy Logic Toolbox） 提供了模糊逻辑控制器及系统设计的各种途径。工具箱提供了生成和编辑模糊推理系统 （FIS） 常用的工具函数， 它包括了产生新的FIS、 给FIS加入变量、 隶属函数、 规则、 设置解模糊方法及存储 FIS等功能。 用户可以用命令调用这些函数的方式生成和编辑模糊推
