【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 被調(diào)量同時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使所有的被調(diào)量都具有一定的控制精度。但是這樣的調(diào)節(jié)是很艱難的，要使所有的耦合變量都得到精確的控制是不可能的。目前一般將循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，主要包括以下主要控制回路： （ 1） 汽包水位控制回路； （ 2） 過(guò)熱汽溫控 制回路； （ 3） 主蒸汽壓力控制回路； （ 4） 床溫控制回路； （ 5） 床層高度控制回路； （ 6） 二級(jí)返料回料控制回路； （ 7） 爐膛負(fù)壓控制回路； （ 8） 煙氣含氧量控制回路； （ 9） 煙氣含 S02量控制回路 。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者嘗試著進(jìn)行循環(huán)流化床鍋爐自動(dòng)控制的研究，一些學(xué)者提出過(guò)一些很有應(yīng)用價(jià)值的自動(dòng)控制系統(tǒng)方案。 本課題設(shè)計(jì)的目的 循環(huán)流化床的床溫控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性系統(tǒng)。滯后性在給煤調(diào)節(jié)床溫時(shí)普遍存在。時(shí)滯越大 ,被控對(duì)象輸入、輸出之間的相關(guān)性越小 ，用常規(guī)控制已不能滿足當(dāng)前安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、低污染的需求。因此人們當(dāng)前通常采用控制算法簡(jiǎn)單 , 性能優(yōu)良 , 有較強(qiáng)的魯棒性的模糊控制算法進(jìn)行控制。本課題的設(shè)計(jì)目的是應(yīng)用模糊控制算法來(lái)控制循環(huán)流化床鍋爐床溫。從而提高床溫控制的精度，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 本課題設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn) （ 1）針對(duì)控制要求，設(shè)計(jì)循環(huán)流化床鍋爐床溫控制系統(tǒng)總體方案； 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 50 頁(yè) （ 2）根據(jù)床溫控制要求，設(shè)計(jì)模糊控制算法； （ 3） 利用 MATLAB 建立仿真模型，研究控制算法的性能，并與常規(guī) PID 控制 進(jìn)行比較。 （ 1）循環(huán)流化床鍋爐床溫控制系統(tǒng)具有大滯后、多變量、強(qiáng)耦合等非線性特性 ,其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜； （ 2）采用現(xiàn)代控制理論方法的基礎(chǔ)是要求有描述對(duì)象特性的較為精確的數(shù)學(xué)模型； （ 3）建立規(guī)則庫(kù)是模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，也是難點(diǎn)所在。 本文內(nèi)容 安排 本設(shè)計(jì)主要針對(duì)循環(huán)流化床床溫模糊控制技術(shù)進(jìn)行研究，利用模糊控制算法簡(jiǎn)單 ,性能優(yōu)良 , 有較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)，從穩(wěn)定性，適應(yīng)性，魯棒性和抗干擾等方面研究設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)負(fù)荷變化的床溫模糊控制系統(tǒng)。本課題的主要工作可以大致分為以下三個(gè)方面：第一，掌握循環(huán)流化床鍋爐的原理，結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)。第二，熟悉并掌握模糊控制原理，通過(guò)查閱模糊控制的相關(guān)文獻(xiàn)，可知模糊控制是一種適用于 多變量，強(qiáng)耦合，大時(shí)滯復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域可明顯改善控制的動(dòng)態(tài)性能。第三：用模糊控制算法對(duì)循環(huán)流化床鍋爐床溫進(jìn)行控制。 綜 合 CFB 鍋爐的特征及模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)模糊控制算法和仿真模型 ,用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真。此次研究的目的在于提高床溫的測(cè)量控制精度，保證床溫控制的穩(wěn)定性和可靠性。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 50 頁(yè) 2 循環(huán)流化床鍋爐原理 循環(huán)流化床工作原理 循環(huán)流化床燃燒是一種燃燒化石燃料、廢物和各種生物質(zhì)燃料的燃燒技術(shù)。它的基本原理是燃料在流化狀態(tài)下進(jìn)行燃燒。一般粗顆粒在燃燒室下部燃燒，細(xì)顆粒在燃燒室上部燃燒。被吹出燃燒室的細(xì)顆粒采用各種分離器收集之后，送回床內(nèi)循環(huán)燃燒。當(dāng)氣體或液體以一定的速度流過(guò)固體顆粒層，并且氣體或液體 對(duì)固體顆粒產(chǎn)生的作用力與固體顆粒所承受的其他外力平衡時(shí)，固體顆粒層會(huì)呈現(xiàn)出類(lèi)似于液體狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為流態(tài)化。此時(shí)，對(duì)于單個(gè)顆粒來(lái)說(shuō)，它不再依靠與其他鄰近顆粒的接觸來(lái)維持它的空問(wèn)位置，相反地，在失去了以前的機(jī)械支撐后，每個(gè)顆?？稍诖矊又凶杂蛇\(yùn)動(dòng)；就整個(gè)床層而言，具有了許多類(lèi)似流體的性質(zhì)。顆粒床層從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)化時(shí)的最低流化速度，成為臨界流化速度。氣固流化床很像沸騰的液體，它具有以下特點(diǎn)：在任何一高度的靜壓近似于在此高度以上單位床截面內(nèi)固體顆粒的重量：無(wú)論床層如何傾斜，床表面總是保持水平，床層的形 狀也保持容器的形狀；床內(nèi)固體顆粒可以像流體一樣從底部或側(cè)面的孔口排出；密度高于床層表而密度的物體在床內(nèi)會(huì)下沉，密度小的物體會(huì)浮在床面上；床內(nèi)固體顆粒混合良好，因此，當(dāng)加熱床層時(shí)，整個(gè)床層的溫度基本均勻。流態(tài)化是一個(gè)極為復(fù)雜的現(xiàn)象，尤其是氣固流態(tài)化。其影響因素很多，主要是受氣體流動(dòng)速度 (流化速度或空氣截面速度 )、固體顆粒特性 (密度、粒度等 )、流體特性 (密度、黏度等 )以及固體器壁的影響。隨流化速度增加，一個(gè)垂直上行氣固系統(tǒng)依次呈現(xiàn)以下幾種狀態(tài)：固定床，鼓泡流化床，湍動(dòng)流態(tài)化，快速流態(tài)化，密相氣力輸送，稀相氣力輸 送。快速流態(tài)化和密相氣力輸送狀態(tài)的區(qū)域，既經(jīng)典循環(huán)流態(tài)化的存在區(qū)域。此時(shí)，床內(nèi)無(wú)氣泡，無(wú)明顯密相界面；存在顆粒成團(tuán)與返混現(xiàn)象；具有較大的氣固滑移速度?？焖倭鲬B(tài)化流體動(dòng)力特性的形成對(duì)循環(huán)流化床是至關(guān)重要的，此時(shí)，固體物料被速度大于單物料的終端速度的氣流所流化，以顆粒團(tuán)的形式上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生高度的返混。顆粒團(tuán)向各個(gè)方向 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 50 頁(yè) 運(yùn)動(dòng)，而且不斷形成和解體。在這種流體狀態(tài)下，氣體還可以攜帶一定數(shù)量的大顆粒，盡管其終端速度遠(yuǎn)大于截面平均速度。這種氣固運(yùn)動(dòng)方式中存在較大的氣固兩相速度差，即相對(duì)速度。在一個(gè)循環(huán)流化床的提升管 (燃燒室 )和下行管 (一般指外部低速流化床 )內(nèi)安裝必要的受熱面，應(yīng)用于煤燃燒的過(guò)程，就稱(chēng)為循環(huán)流化床鍋爐 [2]。循環(huán)流化床鍋爐可分為兩個(gè)部分。第一部分由爐膛 (快速流化床 )、氣固物料分離設(shè)備、固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器 (有些循環(huán)流化床鍋爐沒(méi)有該設(shè)備 )等組成，上述部件形成了一個(gè)固體物料循環(huán)回路。第二部分為對(duì)流煙道，布置有過(guò)熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，與常規(guī)火炬燃燒鍋爐相近。 床溫控制模型床溫被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性 床溫 是影響 Ca/S NOX以及 CO排放量的最主要的因素，床溫過(guò)低不但使鍋爐效率下降，而且使鍋 爐運(yùn)行不穩(wěn)定，容易滅火；床溫過(guò)高會(huì)使脫硫效率下降，使SO2和 NOX的排放量增加，同時(shí)使鍋爐結(jié)焦，無(wú)法正常循環(huán)流化燃燒，因此床溫控制 對(duì)循環(huán)流化床鍋爐是至關(guān)重要的。 （ 1）床溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的求取 循環(huán)流化床內(nèi)主要能量來(lái)源于給煤中揮發(fā)份燃燒及殘?zhí)既紵懦龅哪芰?，則對(duì)于床體內(nèi)動(dòng)態(tài)能量平衡方程為： 床體內(nèi)能量的時(shí)間變化率 =由給煤帶入的物理焓 +由一次風(fēng)帶入的物理焓 +由循環(huán)物料量帶入的物理焓 +給煤中的碳燃燒反應(yīng)放出的熱量 +給煤中的揮發(fā)份燃燒反應(yīng)放出的熱量 由排渣帶走的物理焓 離開(kāi)床體的煙氣、床料分別帶走的物理焓 寫(xiě) 成具體的能量平衡表示式為： BPUulBpgglBPUdCVVClCCCClPUCCAiPAAlCPUCBpgsgBPUbTCFTCFTCFFHRaUHMTCFTCFTCFTCFTCmdtd?????????22021)( (21) 等式左邊為床體內(nèi)能量的變化，導(dǎo)數(shù)項(xiàng)表示了流化床內(nèi)大量床料存在導(dǎo)致的熱慣性。它由諸多因素引起，由一次風(fēng)、燃料以及循環(huán)物料送入爐膛帶入一部分能量，同時(shí)，從床體進(jìn)入懸浮段的床料和煙氣帶走一部分能量，鍋爐排渣也將帶走一部分能量。另外床體內(nèi)的碳和 揮發(fā)份的燃燒產(chǎn)生大量能量；其中 Fg1(m3/s)為離開(kāi)流化床床體進(jìn)入懸浮段的煙氣流量， CPA(kJ/m3℃ )為空氣的比熱， TB(℃ ) 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) 為床體中的溫度， CPc(kJ/kg℃ )為煤的比熱， Cpg(kJ/m3℃ )為煙氣的比熱，Cpu(kJ/kg℃ )為床料的比熱， Hc(kJ/kg)為碳的熱值， Hu(kJ/kg)){J煤中揮發(fā)物的熱值， Tcci(℃ )為循環(huán)灰的溫度， Tcii(℃ )為進(jìn)入爐膛的煤的溫度， TAii(℃ )為進(jìn)入爐膛的空氣的溫度。 床體能量平衡分析如圖 床燃燒系統(tǒng)能量的平衡。 F g l C p g T bF u l C P U T BM c H C l 2 0 2a 2 R v H v F c)( F b g C p g T bM b C p u T bdtd?F d C p u T bF a l C p a T a i F c C p c T c i F c c C p u T c c iF g c c C p g T c c i 圖 床體的平衡示意圖 由于控制模型是針對(duì)循環(huán) 流化床燃燒的工作狀態(tài)建造的，而正常運(yùn)行要求床溫在一個(gè)最佳范圍，基本上保持不變。因此我們將床體動(dòng)態(tài)能量平衡方程式中的狀 態(tài)變量用實(shí)際床溫 TB和沒(méi)定工作點(diǎn) TB0的偏差代替 。即： △ T=TBTB0 （ 22） 由于 FsgCpg遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 mbCPU，所以推導(dǎo)時(shí)可以將前者省略。從而床體動(dòng)態(tài)能量平衡變?yōu)椋? )()()())(())(()(220222 COCVVOClOClCCBCCPUCCiCCOPUBAlPaAiBOAlOAlPABCPCCiBOCCOPCBPUbFFHRaUUHMTFCFFCTFCTTFFCTFCTTFFCTCmdtd????????????????△△△△ （ 23） 將鍋爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)、煤的特性及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)及系數(shù)代入線性化后的平衡方程式。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 50 頁(yè) （ 2） 給煤量擾動(dòng)下床溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型： 1)()(, ?? MS MCBM T KSF STSG ）（△△ （ 24） 式中，靜態(tài)增益 KM、慣性時(shí)間常數(shù) TM都是隨運(yùn)行工況的不同而變化的參數(shù)。當(dāng)鍋爐額定負(fù)荷時(shí)， KM基本 保持在 28左右， TM基本保持在 550s左右。即： 155028 ?? SSGM ）（ 、 （ 25） （ 3） 一次風(fēng)量擾動(dòng)下床溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型： ））（（）（ 、 11 1 21 3 ?? ?? SS SVV TT TKSG （ 26） 式中，鍋爐額定負(fù)荷時(shí)， KV基本保持在 3． 5左右， T T T3分別基本保持在450s、 15s、 90s 即 [14]： )115)(1450( ?? ?? ss sSG V ）（ 、 （ 27） 床溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析 給煤量擾動(dòng)對(duì)床溫有較大影響，其它條件不變時(shí)，給煤量增大或減少都會(huì)造成床溫相應(yīng)升高或降低，但由于 燃煤占床料的比例很小，床料熱容量很大，因此在理論上，給煤量擾動(dòng)下的床溫變化理論上應(yīng)該有個(gè)滯后的過(guò)程。在上述建模中，我們忽略了煤粒進(jìn)入流化床中后發(fā)生的加熱干燥、破碎磨損等若干相關(guān)的物理過(guò)程，我們考慮的僅僅是碳和揮發(fā)份的燃燒這個(gè)化學(xué)反應(yīng)。因此所得到的給煤量擾動(dòng)下床溫模型體現(xiàn)的只有大 慣性、而沒(méi)有體現(xiàn)遲延的部分。我們把忽略的部分用一個(gè)純遲延環(huán)節(jié)代替，參考文獻(xiàn) [6]我們?nèi)?16s左右，所以給煤量擾動(dòng)下床溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型修正如下： sM esSG 16155028)( ??? （ 28） 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 50 頁(yè) 3 鍋爐床溫模糊 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 模糊控制簡(jiǎn)介 自從 1965 年美國(guó)加州大學(xué) L. A. ZADEH 教授創(chuàng)建模糊集理論和 1974 年英國(guó)的 . Mamdani 教授成功的將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制以來(lái)，模糊控制已逐漸得到了廣泛的發(fā)展并在現(xiàn)實(shí)中得到成功的應(yīng)用。一般而言，模糊控制器的設(shè)計(jì)一般大致可分為三部分，首先將精確的輸入量模糊化， 通過(guò)隸屬函數(shù)的建立，完成精確的數(shù)學(xué) 量到模糊的語(yǔ)言變量的的轉(zhuǎn)換，隸屬函數(shù)通常采用三角函數(shù)，正態(tài)分布函數(shù)等，以符合人的思維方式。第二部是進(jìn)行模糊推理，由于推理