【正文】 ......................................................................... 29 系統(tǒng)功能 ............................................................................................................ 30 硬件配置 ............................................................................................................ 31 第 5 章 軟件設計 ............................................................................................................. 35 軟件設計原則 .................................................................................................... 35 軟件實現(xiàn)功能 .................................................................................................... 35 主程序流程圖 .................................................................................................... 36 鍋爐點火子程序 ................................................................................................ 37 VI A/D 采樣子程序流程圖 ...................................................................................... 38 控制算法子程序流程圖 ..................................................................................... 39 第 6 章 系統(tǒng)仿真 ............................................................................................................. 40 仿真工具介紹 .................................................................................................... 40 供暖鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真 ............................................................................ 40 第 7 章 結論 ..................................................................................................................... 43 設計完成的主要工作 ........................................................................................ 43 尚待完善的工作 ................................................................................................ 43 參考文獻 ........................................................................................................................... 44 謝 辭 ............................................................................................................................... 45 1 第 1 章 緒 論 引言 隨著城市建設的迅速發(fā)展 ， 北方地區(qū)冬季供熱面積的不斷擴大 ， 如何科學有效的控制和管理供熱系統(tǒng) ， 提高供熱的經濟效益和社會效益 ， 成為當前急需解決的重要課題。 針對鍋爐這種具有非線性、參數(shù)不穩(wěn)定、難以建立精確數(shù)學模型的控制對象 ，采用傳統(tǒng)的 PID 控制 ， 效果不佳。由于它不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型 ， 而是模擬人的思維方式來實施控制 ， 因而對于鍋爐燃燒的控制就具有了傳統(tǒng) PID 控制所無法比擬的自適應能力。 本文以 2 臺 50t/h 燃煤鍋爐的燃燒控制為課題 ， 以改進原有 PID 控制為目的 ，以當前發(fā)展比較迅速的模糊控制理論為手段 ， 提出了采用 8051 單片機控制變頻器改變給煤機、引風機和送風機轉速的設計方案 ， 實現(xiàn)了燃燒過程的計算機控制。 結合模糊控制理論和 PID 控制 ， 本 文提出用模糊自整定控制器實現(xiàn)對鍋爐的控制 。 在供熱系統(tǒng)中 ， 鍋爐房供熱所占比例很大。 爐膛負壓主要受引風和送風的影響，而其它各量對它的影響很小 ； VO%通道是保證鍋爐燃燒經濟性的做法，即通過送風 —— 氧量通道使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近 ， 通過對含氧量的調節(jié)達到對送風系統(tǒng)的調節(jié)。形成這種現(xiàn)象的因素是多方面的 ， 其中鍋爐燃燒控制方法的落后是造成差距的原因之一。據(jù)國外報道：在 10t/h 煤粉鍋爐上應用自校正技術和在 SIG— 20 型鏈條爐上使用 Fuzzy 控制已取得了節(jié)約燃料的良好效果。 在工業(yè)鍋爐上應用 EXACT取得了很好的效果。傳統(tǒng)的鍋爐燃燒控制多采用 PID 控制器， 但 PID 是無法為 具有大慣性、純滯后 和變參數(shù)的過程提供高質量的控制。 模糊控制同傳統(tǒng)控制的不同在于，它不依賴于被控對象的數(shù)學模型，而是在總 3 結經驗操作的基礎上實現(xiàn)自動控制的一種手段，它根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表 ， 然后由 該表決定控制量的大小。模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析 ， 采用模糊推理的方法實現(xiàn) PID 參數(shù) KP、 KI 和 KD 的在線自整定 ， 不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優(yōu)點， 而且具有更大的靈活性、適應性 ， 控制也更精確 [7]。同時采用 MCS— 51 單片機控制變頻器交流調速來控制給煤電動機、爐排電動機、鼓風機和引風機的轉速 ，使它們協(xié)調運作 ， 達到快速反應、準確協(xié)調 的控制效果。 2. 爐膛 ： 是使燃料充分燃燒并放出熱能的設備。通常 ， 大、中型鍋爐中均設有空氣預熱器。風量和燃料量成比例 (風煤比 )，以便進行充分燃燒，形成高溫煙氣。 高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱和對流換熱， 將熱量傳遞給管內的水。沿途降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道，與省煤器和空氣預熱器內的水進行熱交換后，以較低的煙溫排出鍋爐。鍋爐工作時 ， 汽鍋中的工作介質是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物。蒸汽在上鍋筒頂部引出后進入蒸汽過熱器 ， 而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部分的水中?？蛇x用的操縱變量也是三個 :燃燒量、送風量和引風量。 3 過熱蒸汽系統(tǒng)的控制 在本文中著重對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行研究 ， 設計出燃燒系統(tǒng)的控制方式。同時 ， 給煤機傳送具有純滯后時間 T。所以 ， 輸出參數(shù)可以為析出管道出口的蒸汽量 Ds 在研究蒸汽形成過程的動態(tài)特性時 ， 可以分省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中蒸發(fā)段兩部分。其中燃燒系統(tǒng) 8 的控制是主要的。調節(jié)引風使之隨時與送風相適應 ， 以保持爐膛負壓在一定的范圍內。使引風量隨時與送風量保持平衡 ， 維持爐膛負壓不變。既要防止空氣不足使煙囪冒黑煙 ， 也不要因空氣過量而增加熱量損失 。通過對這四個系統(tǒng)的分析 ， 可以得到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的結構 (如圖 所示 )。在給煤調節(jié)系統(tǒng)中 ， 分為兩部分 :一個是負荷主調節(jié)器 ， 另一個是爐膛溫度副調節(jié)器。模糊控制器的輸入變量是鍋爐的負荷及鍋爐負荷變化 ， 輸出是鏈條爐的給煤量。 這些工作都是離線進行的 ， 求出模糊控制表后 ， 將其存入計算機中。 12 送風調節(jié)系統(tǒng)的設計 送風調節(jié)系統(tǒng)的主要任務是調節(jié)送風量使之隨時與給煤保持適當?shù)谋壤?(風煤比 )， 以保證完全的燃燒和最小的熱損失。 氧量調節(jié)器有三個輸入變量 :最佳含氧量、含氧量測量值以及給煤增量前饋。如果模糊控制器的 3 個輸入變量都取 7 個模糊子集 ， 那么 控制規(guī)則將達到73=343 條。但是為了取得系統(tǒng)的快速響應性能 ，使得系統(tǒng)在給煤量分檔切換時爐膛負壓能夠盡快穩(wěn)定 ， 本文采用非線性模糊量化方法對模糊控制系統(tǒng)進行設計。 由于引風系統(tǒng)控制對象與送風系統(tǒng)相似 ， 因此 ， 在非線性量化表參數(shù)整定之后 ， 可以按照表 2— 3 得出的控制表對送風系統(tǒng)進行控制 ， 這樣就減少了計算機的存儲空間 ， 提高了計算機對其它事件的反應能力。若負壓過大 ， 則漏風嚴重 ， 從而導致總風量增加、煙氣熱損失增大、煤耗增加。 當負荷增大時 ， 需要利用調速電機增大煤量。因此將送風調節(jié)器的輸出作為前饋信號 ， 送到爐膛負壓調節(jié)回路的引風調節(jié)器 ， 使送風量變化時引風量也立即變化 ， 以解決滯后問題。 計算機控制可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 ， 直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC)， 監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC)和集散控制系統(tǒng) (DCS)。 為實現(xiàn)無擾動手動 /自動切換 ， 還對手操跟蹤信號進行采樣。對于鍋爐燃燒過程 ， 通常由于其時變性和不確定性 ， 很難建立既有足夠精度又便于系統(tǒng)控制的數(shù)學模型。 模糊控制器是近年來發(fā)展起來的新型控制器 ， 其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的數(shù)學模型 ， 而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表 ， 然后由該表決定控制量的大小。 PID 控制器是一種線性控制器 ， 它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構成控制偏差： E(t) = r(t)?c(t) () 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量 ， 對被控對象進行控制 ， 故稱為 PID 控制器。 微分環(huán)節(jié) :能反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )， 從而加快系統(tǒng)的動作速度 ， 減小調節(jié)時間。PID控制的控制品質對被控對象的變化不很敏感 ，具有一定的魯棒性。其組成核心是具有智能性的模糊控制器 ， 這也是它與一般的 PID在原理和方法上完全不同之處。 模糊化接口 :模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解 ， 因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。 19 知識庫 輸入 輸出 圖 模糊 控制器組成框圖 規(guī)則庫 :模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。根據(jù)人工試驗，可離線組織其控制決策表 R， R 是笛卡爾乘積集 U *V 上的一個模糊子集。在模糊控制中考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。但是，至此所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。 模糊控制系統(tǒng)原理框圖 模糊控制系統(tǒng)原理框圖也可以由圖 所示 ， 其中的模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊決策、非模糊化處理環(huán)節(jié)組成模糊控制器。模糊控制完全是模仿人腦的思維方式 ， 一個模糊控制器就是通過 if— then 形式的規(guī)則進行控制的。因此 ， 下面介紹 Fuzzy— PID 復合控制算法。 本 文僅對鍋爐燃燒系統(tǒng)中采用的模糊自整定 PID 控制進行介紹。 R Y 圖 PID 參數(shù) Fuzzy 自整定控制原理 PID 算法 F 計算 E,EC Fuzzy 規(guī)則 /Fuzzy 推理 查詢 Fuzzy 矩陣 KP， KI， KD 參數(shù)調整運算 1 ? e?TsS G(S) e(k) u(k) 22 PID 參數(shù) Fuzzy 整定模型 一般情況下 ， 在不同 的 | E|、 | EC| 下被控過程對參數(shù) KP、 KI 與 KD 的自整定要求可歸納為 ： | E|較大時 ， 為使系統(tǒng)具有良好的快速跟蹤性能 ， 應取較大的 KP， 與較小的KD， 同時為避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調 ， 應對積分作用加以限制 ， 通常取 KI=0。如表、表 和 表 所示。 該控制器如圖 所示 ， 也就是由一個標準 PID 控制器和一個 Fuzzy 自調節(jié)機構組成。當系統(tǒng)閉環(huán)運行后， Fuzzy 自調整系統(tǒng)就自動地在線整定 PID 參數(shù)。但兩者都有各自的不足 ， Fuzz