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畢業(yè)論文-火電廠鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)仿真研究-文庫吧資料

2025-01-22 22:05本頁面
  

【正文】 的,則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。將前饋與反饋有效的結(jié)合,運(yùn)用前饋控制在擾動發(fā)生后,及時抑制由主要擾動引起的被控量所產(chǎn)生的偏差,同時運(yùn)用反饋控制消除其余的擾動對負(fù)壓的影響。如果負(fù)壓波動不大,調(diào)節(jié)引風(fēng)量即可以實現(xiàn)負(fù)壓控制;當(dāng)蒸汽壓力波動較大時,燃料用量和送風(fēng)量波動也會很大,此時,經(jīng)常采用的控制方法為 動態(tài)前饋 反饋控制,如圖 所示。甚至使燃燒不穩(wěn)定,爐膛壓力變?yōu)檎龎?,火焰及飛灰從爐膛不嚴(yán)處冒出,惡化工作環(huán)境,危及人身及設(shè)備安全,故應(yīng)保持爐膛負(fù)壓在正常范圍內(nèi)。大多數(shù)鍋爐采用平衡通風(fēng)方式,使?fàn)t內(nèi)煙氣壓力低于外界大氣壓力,即爐內(nèi)煙氣負(fù)壓,爐膛內(nèi)煙氣壓力最高的部位是爐膛頂部。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時,最先在爐膛負(fù)壓上反映出來,而后才是火焰的變化,其次才是蒸汽參數(shù)的變化。爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù),是運(yùn)行中需要監(jiān)視和控制的重要參數(shù)之一。圖 為蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)框圖??刂屏渴疽鈭D如圖 所示。 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(diào)節(jié)燃料產(chǎn)生的熱量,而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)是通過控制所供應(yīng)的燃料量以及適當(dāng)比例的助燃空氣實現(xiàn)的。 11 燃 料 空 氣 比 值控 制 系 統(tǒng)蒸 汽 壓 力 控 制 系 統(tǒng)爐 膛 負(fù) 壓 控 制 系 統(tǒng)燃 燒 過 程 控 制 系 統(tǒng) 圖 燃燒過程控制系統(tǒng)示意圖 K燃 料 流 量調(diào) 節(jié) 器管 道過 熱 器檢 測 與 變 送 系 統(tǒng)檢 測 與 變 送 系 統(tǒng)空 氣 流 量調(diào) 節(jié) 器檢 測 與 變 送 系 統(tǒng)蒸 汽 壓 力調(diào) 節(jié) 器調(diào) 節(jié) 閥送 風(fēng) 量 對 負(fù)壓 影 響送 風(fēng) 管 道前 饋 補(bǔ) 償 調(diào) 節(jié) 器爐 膛 調(diào) 節(jié) 閥引 風(fēng) 量 調(diào) 節(jié) 器檢 測 與 變 送 系 統(tǒng)蒸 汽 壓 力蒸 汽 壓力 給 定+ ++++爐 膛 負(fù)壓 給 定空 氣 流 量爐 膛 負(fù) 壓燃 料 流 量調(diào) 節(jié) 閥圖 原理方框圖 12 蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng) 鍋爐燃燒的目的是為后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的壓力。 因此,蒸汽鍋爐的燃燒過程主要由三個子系統(tǒng)構(gòu)成:蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。汽壓變化表示鍋爐蒸汽量和負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng),必須相應(yīng)地改變?nèi)剂狭浚愿淖冨仩t的蒸汽量; 第二個任務(wù)是保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。以中儲式燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)為例,工藝流程圖如圖 所示。 10 第二章 火電廠鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)計 鍋爐燃燒過程是一個將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能,以蒸汽形式向負(fù)荷設(shè)備提供熱能的能量轉(zhuǎn)換過程。 (4)工具箱集成 由于 Simulink 可以直接利用 MATLAB 的數(shù)學(xué)圖形和編程功能,用戶可以直接在 Simulink 下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時通過示波器或圖形窗口查看。建模時只需要使用鼠標(biāo)拖放庫中的功能模塊并將它們接連起來。它不但實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真,也實現(xiàn)了與 MATLAB、 C 或者 FORTRAN甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞,大大擴(kuò)展了它的功能。它使用方框圖表示一個系統(tǒng),通過圖形界面,利用鼠標(biāo)點擊和拖拉方式建立系統(tǒng)模型 。但 Nichols 圖的繪制方式和 Bode 圖是不同的,它可由以下命 令繪制 plot(phase, 20*log10(mag)) MATLAB 環(huán)境下的 Simulink 簡介 MATLAB 環(huán)境下的 Simulink 是當(dāng)前眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一個系統(tǒng)建模、仿真和分析的動態(tài)仿真集成環(huán)境工具箱。 ( 5)系統(tǒng)的奈奎斯特 圖( Nyquist 圖) nyquist()函數(shù)的調(diào)用格式為: [Re, Im, ω]=nyquist(num, den) [Re, Im, ω]=nyquist(num, den, ω) [Re, Im, ω]=nyquist(A, B, C, D) [Re, Im, ω]=nyquist(A, B, C, D, iu) [Re, Im, ω]=nyquist(A, B, C, D, iu, ω) 其中返回值 Re, Im 和 ω 分別為頻率特性的實部向量、虛部向量和對應(yīng)的頻率向量,有了這些值就可利用命令 plot(Re, Im)來直接繪出系統(tǒng)的奈奎斯特圖。 除了根據(jù)系統(tǒng)模型直接求取幅值和相位裕量之外, MATLAB 的控制系統(tǒng)工具箱中還提供了由幅值和相位相應(yīng)數(shù)據(jù)來求取裕量的方法,這時 函數(shù)的調(diào)用格式為: [Gm, Pm, Wcg, Wcp]=margin(mag, phase, ω) 式中頻率響應(yīng)可以是由 bode()函數(shù)獲得的幅值和相位向量,也可以是系統(tǒng)的實測幅值與相位向量, ω 為相應(yīng)的頻率點向量。 如果只想繪制出系統(tǒng)的 Bode 圖,而對獲得幅值和相位的具體數(shù)值并不感興趣,則可以采用簡單的調(diào)用格式 : bode(num, den, ω); bode(A, B, C, D, iu, ω) 或 bode(num, den); bode(A, B, C, D, iu) ( 3)幅值裕量和相位裕量 在判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性時, 常常需要求出系統(tǒng)的幅值裕量和相位裕量。此函數(shù)的調(diào)用格式為 : ω=logspace(m, n, npts) ( 2)系統(tǒng)的 Bode 圖 連續(xù)系統(tǒng)的伯德圖可利用 bode()函數(shù)來繪制,其調(diào)用格式為: [mag, phase, ω]=bode(num, den) [mag, phase, ω]=bode(num, den, ω) [mag, phase, ω]=bode(A, B, C, D) [mag, phase, ω]=bode(A, B, C, D, iu) [mag, phase, ω]=bode(A, B, C, D, iu, ω) 式中 num, den 和 A, B, C, D 分別為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程的參數(shù),而 ω 為頻率點構(gòu)成的向量。 7 控制系統(tǒng)的頻域分析 MATLAB 的控制系統(tǒng)工具箱提供了多種求取線性系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的函數(shù)。 (2)根軌跡繪制的命令 閉環(huán)系統(tǒng)的特征根在 s 平面變化的軌跡,該函數(shù)的調(diào)用格式為: [r, K]=rlocus(num, den); [r, K]=rlocus(num, den, K) 其中返回值 r 為系統(tǒng)的閉環(huán)極點, K 為相應(yīng)的增益。 根軌跡繪制 (1)繪制系統(tǒng)的零極點圖 pzmap( )函數(shù)可繪制系統(tǒng)的零極點圖,其調(diào)用格式為: [p, z]=pzmap(A, B, C, D)或 [p, z]=pzmap(p, z); [p, z]=pzmap(num, den) 其中列向量 P 為系統(tǒng)極點位置,列向量 z 為系統(tǒng)的零點位置。 在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用 利用 MATLAB 可對控制系統(tǒng)進(jìn)行如下有效分析: 6 (1)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性; (2)求取系統(tǒng)在典型和任意輸入信號作用下的時域響應(yīng); (3)繪制系統(tǒng)的根軌跡,在根軌跡上可確定任意點的根軌跡增益 K 值,從而得到系統(tǒng)穩(wěn)定的根軌跡增益 K 值范圍; (4)利用 MATLAB 繪制系統(tǒng)的 Bode 圖、 Nichols 圖和 Nyquist 圖等,并求取系統(tǒng)的幅值裕量和相位裕量; (5)分析具有時間延遲系統(tǒng)的頻率 特性; (6)求取頻率響應(yīng)數(shù)據(jù),且根據(jù)頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)辯識系統(tǒng)的模型參數(shù); (7)分析系統(tǒng)的能控性和能觀測性,并能對不完全能控或不完全能觀測的系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解。 (5)豐富的工具箱。在 FORTRAN 和 C 語言里,繪圖都很不容易,但在 MATLAB 里,數(shù)據(jù)可視化非常簡單。 (3)程序的可移植性好,基本上不做修改就可以在各種型號的計算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 (2)語法限制不嚴(yán)格,程序設(shè)計自由度大。 MATLAB 軟件認(rèn)識 的特點 (1)超強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算功能。即當(dāng)系統(tǒng)某個可變參數(shù)有 0→∞ 時,系統(tǒng)閉環(huán)極點在 s 平面上所描繪出來的軌跡,根軌跡能直觀的反映系統(tǒng)參數(shù)變化對根分布位置的影響。與該參數(shù)的某一特定數(shù)值相應(yīng)的根,可在根軌跡圖上找到。應(yīng)用 MATLAB 軟件,運(yùn)行它提供的頻率分析函數(shù),就能夠方便、簡單、快捷的繪制三種曲線,并計算出頻域性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的頻域分析需要計算數(shù)據(jù),繪制 Bode 圖,并求出頻域性能指標(biāo)。通常是先畫出 Bode 圖,再根據(jù) Bode 圖繪制 Nichols 圖 。當(dāng)開環(huán)傳遞函數(shù)包含虛軸上的極點時,閉合曲線應(yīng)以 ε→0 的半圓從右側(cè)繞過該極點。根據(jù)開環(huán)Nyquist 曲線,可判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 ( 1) Bode 圖 : Bode 圖即對數(shù)頻率特性曲線。 相頻寬:相頻特性 φ(jω)等于 ?π/2 時對應(yīng)的頻率。 控制系統(tǒng)的頻域分析 頻域性能指標(biāo) 峰值:幅頻特性 A(ω)的最大值。 %5? 范圍之內(nèi)所需的時間。 恢復(fù)時間:從階躍擾動作用開始到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的過程中 ,輸出量與新的穩(wěn)態(tài)值 2?C 錯誤 !未找到引用源。即: %100)( )()(% ?? ??? h hth p? ( 11) 峰值時間 tp:是指從 0 到階躍響應(yīng)曲線 h(t)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近 )%(5 ?? 錯誤 !未 4 找到引用源。階躍響應(yīng)的一般性能指標(biāo)有:上升時間 tr、峰值時間 tp、超調(diào)量 sigma(σ%)、調(diào)節(jié)時間 ts 及穩(wěn)態(tài)誤差 ess。時域分析的目的是求解響應(yīng)的性能指標(biāo)。而且,同一個系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快各個指標(biāo)往往相互制約。 受控對象不同,對穩(wěn)、準(zhǔn)、快的技術(shù)要求也各有所側(cè)重。 快速性是指動態(tài)過程的快速性,即動態(tài)過程的時間長短,時間越短,快速性能越好。 穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的平穩(wěn)性,就是動態(tài)過程的振蕩傾向于系統(tǒng)受干擾偏離平衡狀態(tài)后恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。自動控制系統(tǒng)是在無人直接操作或干預(yù)的條件下,通過控制器使控制對象自動的按照給定的規(guī)律運(yùn)行,使被控制量能夠按照給定的規(guī)律變化。 本文通過搜集資料得到系統(tǒng)辨識函數(shù)并以此確立數(shù)學(xué)模型,搭建仿真框圖,調(diào)整 PID 參數(shù),最終使系統(tǒng)在較好的指標(biāo)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。經(jīng)典辨識法包括時域法、頻域法和相關(guān)分析法。復(fù)雜過程一 2 般都采用測試法建模。 2.測試法建模 測試法建模通常只用于建立輸入輸出模型。 Simulink 仿真的模型是具體的函數(shù)模型,因此,過程的建模就顯的十分的重要。 在實際工程中,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜,如果不借助專用 的系統(tǒng)建模軟件,很難準(zhǔn)確地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計算機(jī),對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真, Simulink 的出現(xiàn)給控制系統(tǒng)分析與設(shè)計帶來了福音。如何使主蒸汽壓力既具有良好的動態(tài)特性,又能使入爐燃料得以充分燃燒 (即高效燃燒問題 ),是燃燒優(yōu)化控制的真正內(nèi)涵,也是燃燒過程控制的關(guān)鍵。 由于負(fù)荷 變化從本質(zhì)上說是非線性和時變的,鍋爐側(cè)又存在很大的延遲,負(fù)荷適應(yīng)能力和主蒸汽壓力穩(wěn)定的矛盾一直是鍋爐燃燒自動控制中有待于進(jìn)一步解決的問題。 SIMULINK 1 引 言 過程控制系統(tǒng)是工業(yè)中控制系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式,一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為溫度、壓力、流量、液位、成分等變量的系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞: 燃燒過程控制; MATLAB 仿真; SIMULINK II Simulation Study on Combustion Control System of Boiler in Thermal Power Plant Abstract: in the modern production process, to ensure safety in production smoothly,achieve the high yield and quality, enhance economic efficiency and labor productivity, must carry out the automatic control of the various parameters of production process, this control is the process control. Process control is an important direction of automated production and ponent, has been widely used in petroleum, chemical industry, light industry, an important field, metallurgy, machinery,electricity and many other national economy. Boiler is an dynamic equipment in industrial production, so the effective control of boiler is is a
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