【正文】 生產和集中供熱的重要能源轉換設備，能耗巨大，長期處在高能耗、高污染的生產狀態(tài)。然而，目前我國大多數(shù)鍋爐控制系統(tǒng)自動化不高、安全性低，效率普遍低于國家標準。本文針對鍋爐系統(tǒng)參數(shù)時變、嚴重非線性、干擾因素復雜等特點，提出對汽包水位采用三沖量控制方式，對爐膛負壓采用前饋PID控制，對最優(yōu)風煤比采用雙交叉限幅比值控制的控制策略。仿真結果顯示，三沖量控制、前饋PID和雙交叉限幅比值控制具有良好的控制效果，減小了超調量，提高了上升時間，縮短了調節(jié)時間，與傳統(tǒng)的PID控制器相比，更適合工業(yè)鍋爐這種復雜的控制對象。由于我國總的能源特征是“富煤、少油、有氣，擁有豐富的煤炭資源，因此，在未來相當長的一段時期內，燃煤工業(yè)鍋爐將是我國工業(yè)鍋爐的主導產品。因此，提高鍋爐的生產運行效率不僅具有可觀的經濟效益，還能減少環(huán)境污染，提高能源利用率。把計算機技術運用于鍋爐生產過程相關環(huán)節(jié)，進行自動化控制，能夠有效地提高鍋爐運行可靠性和生產效率。研究與開發(fā)功能完備、性能可靠的鍋爐自動控制系統(tǒng)，是適應鍋爐生產發(fā)展需要，具有廣闊的發(fā)展前景與研究價值。尤其是近十幾年來，隨著先進控制理論幫計算機技術的飛速發(fā)展，加之計算機各種性能的不斷增強，鍋爐應用計算機控制很快得到了普及和應用。我國由于經濟技術條件的限制，鍋爐設備水平一直比較落后。 制約我國鍋爐發(fā)展的因數(shù) 大多數(shù)鍋爐制造廠技術力量仍然薄弱目前，我國工業(yè)鍋爐制造企業(yè)的技術力量參差不齊，具有自行設計和開發(fā)能力的僅有少部分，大多數(shù)企業(yè)的技術開發(fā)能力仍很薄弱。缺少能在工業(yè)鍋爐行業(yè)中起領頭的龍頭企業(yè)或骨干企業(yè)[5]。 工業(yè)鍋爐的標準體系標準是工業(yè)鍋爐發(fā)展的重要的技術支撐，在工業(yè)鍋爐的發(fā)展過程中起到了決定性的作用。 市場機制的影響及科研開發(fā)投入的不足由于受到市場的影響，部分的鍋爐用戶過分注重鍋爐的價格。而另一些鍋爐制造廠（主要是一些小企業(yè)）為了獲得定單，甚至將原來的機械燃燒改為手工燃燒，并盡量減少鍋爐的運行監(jiān)控能力，降低鍋爐的自控要求，使得鍋爐的運行性能大打折扣。論文的研究內容主要包括：(1) 本課題的研究背景、意義、燃煤鍋爐運行現(xiàn)狀以及制約我國鍋爐發(fā)展的因數(shù)。(3) 依據控制對象特性將三沖量控制運用于汽包水位，前饋PID控制運用于爐膛負壓采用，雙交叉限幅比值控制運用于最優(yōu)風煤比，并運用MATLAB/Simulink仿真。鍋爐設備的工作過程概括起來包括三個同時進行著的過程：燃料的燃燒過程，煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程[7]。燃料煤一邊燃燒一邊向后移動，燃燒所需要的空氣由鼓風機送入爐排中間的風箱后，向上通過爐排到達燃料燃燒層。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端通過除渣板后排入灰斗。(2)煙氣向水的傳熱過程由于燃料的燃燒放熱，爐膛內溫度很高。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。煙氣經出煙窗(爐膛出口)并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器。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，較低溫度的煙氣經過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。(3)水的汽化過程水的汽化過程就是蒸汽的產生過程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。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。蒸汽產生的過程是借助上爐筒內裝設的汽水分離設備，以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。 鍋爐自動控制系統(tǒng)的任務鍋爐是一個復雜的調節(jié)對象，有許多個調節(jié)參數(shù)和被調節(jié)參數(shù)，還存在著錯綜復雜的擾動參數(shù)。為了滿足負荷設備的要求，保證鍋爐本身運行的安全性和經濟性，工業(yè)鍋爐主要有下列自動調節(jié)任務：(1)保持汽包水位在規(guī)定范圍；(2)維持蒸汽壓力在預定值；(3)維持鍋爐燃燒的經濟性；(4)維持爐膛負壓在一定范圍內[8]。其算法簡單、魯棒性好和可靠性高。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。寫成傳遞函數(shù)的形式為：PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下[10]：1)比例環(huán)節(jié)：比例系數(shù)Kp增大可以加快響應速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。2）積分環(huán)節(jié)：積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大積分作用越弱，反之則越強。加大積分系數(shù)，有利于減小系統(tǒng)余差，但過強的積分作用會使系統(tǒng)的超調量加劇，甚至引起振蕩；減小積分系數(shù)雖然有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免系統(tǒng)產生振蕩，減小系統(tǒng)的超調量，但對消除系統(tǒng)的余差是不利的。但Td過大，則會使響應過程提早制動，從而延長調節(jié)時間。第3章 汽包水位三沖量控制 汽包水位系統(tǒng)介紹 汽包水位系統(tǒng)由給水泵、省煤器、汽包、水冷壁、過熱器等組成[11]。鍋爐汽包產生的飽和蒸汽，通過過熱器升溫，再由減溫器降溫到所需溫度后送出。水位過高，影響汽包汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過多；汽包水位過低，則可能使鍋爐水循環(huán)工況破壞，造成水冷壁管供水不足而燒壞。 汽包水位的動態(tài)特性分析鍋爐汽包水位包含了汽包中的蓄水體積和水面下汽泡的體積。因此鍋爐汽包水位不僅受到鍋爐輸入量和輸出量之間平衡關系的影響，同時由于壓力的關系它還受到汽水混合物內汽泡體積變化的影響。汽包水位調節(jié)對象的動態(tài)特性方程式，通過理論推導和化簡后可寫成[10]： （31）式中，TW：給水流量項的時間常數(shù)；TD：蒸汽流量項的時間常數(shù)；KD，KW：分別為蒸汽流量和給水流量的放大系數(shù)；uD，uW：分別為蒸汽流量和給水流量的標值；T1，T2：水位的時間常數(shù)。如果把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應曲線應為圖中的H1線。當給水溫度與汽包內水的溫度相同時，汽泡體積將不再變化，水位就隨著儲水量的增加而直線上升。 給水流量擾動下水位的階躍響壓曲線給水量不變改變蒸汽負荷的情況下，汽包水位的動態(tài)微分方程可以表示為： (36)對上式進行拉普拉斯變換，可得： （37）得到汽包水位在蒸汽流量作用下的傳遞函數(shù)： （38）上式可以用兩個動念環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即： (39)式中，K0=KD/T1為上升速度，即給水流量變化一個單位流量時水位的變化速度；K1=(KDT2TD)/T1為響應曲線H2的放大系數(shù)；T2為響應曲線H2的時間常數(shù)。當蒸汽流量D突然增加時，蒸汽量D大于給水量W，水位應該下降，如圖中曲線H1。從而實際顯示的水位響應曲線H為H1與H2的疊加。 蒸汽流量擾動下水位的階躍響應曲線從以上分析可以看出給水控制具有以下特點：1) 給水量突然改變時，由于給水通道存在較大的滯后時間，從調節(jié)機構動作到汽包水位變化存在一定的滯后，水位存在有較大的波動。 鍋爐汽包水位的控制方案引起水位變化的主要干擾是蒸汽流量和給水流量的變化。使得控制作用向相反方向進行，有可能導致汽包水位過低，使得汽包內的水量較少，蒸汽壓力較低，水的汽化速度加快，使汽包內的水全部汽化，導致鍋爐燒壞或爆炸。