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1、目录摘要1Abstract21、概论32、自然循环炉对象描述42.1自然循环炉工艺过程描述42.2自然循环锅炉控制系统分析53、基于MATLAB控制系统设计与仿真73.2锅炉汽包水位控制系统73.2.1汽包水位控制分析73.2.2汽包水位控制系统设计83.2.3汽包水位控制系统的仿真113.3锅炉燃烧控制系统163.3.1燃烧控制系统分析163.3.2燃烧控制系统的设计173.3.3燃烧控制系统的仿真193.4蒸汽温度控制系统223.4.1蒸汽温度控制系统分析223.4.2蒸汽温度控制系统能的设计233.4.3 蒸汽温度控制系统的仿真与结果234、监控系统组态与控制系统混合仿真254.1组态王
2、软件介绍254.2组态王定义外部设备和数据变量254.2.1外部设备的定义254.2.2定义数据变量264.3监控界面设计与负压控制系统的混合仿真274.3.1总监控界面的设计274.3.2负压控制系统的混合仿真27结语29致谢30参考文献3133自然循环锅炉过程控制系统混合仿真平台的设计摘要随着世界经济发展，煤炭资源利用日益紧张，改善与提高当前应用广泛的自然循环炉控制系统的控制能力对于提高锅炉热效率、节省能源以及提高电厂经济效益等方面具有重要的实际意义。本文首先分析了自然循环锅炉燃烧系统的组成结构及工作过程，把自然循环炉控制系统分为了汽包控制、燃料控制与蒸汽控制三个部分，重点对锅炉系统的会被
3、哪些因素扰动进行了详细分析。在控制方案设计时，运用 MATLAB 中的SIMULINK 仿真工具对单闭环控制系统与加入了串级控制与前馈控制的系统进行了仿真实验分析，仿真结果表明改进后的系统比单闭环系统能够更好地克服内扰，加快系统反应速度。然后，利用软件组态王设计出了一个上位机监控界面，并与现场PLC连接以实时监控PLC的运行状况。同时在组态王中模拟出一个负压被控系统，构建出一个负压控制系统的混合仿真平台，能够实现在没有实际控制对象的情况下，达到模拟现场调试PLC的功能，以便检查PLC顺序逻辑控制的正确性，同时验证控制算法是否有效。关键词：自然循环锅炉；过程控制；组态；混合仿真AbstractA
4、s the world economy developing, the coal resources are becoming lacking. It has important practical significant to enhance the controlling ability of natural cycle boiler which used widely in the world. That can improve the boiler thermal efficiency, saving energy and improving economic efficiency.F
5、irstly, this paper analyzes the structure and working process of the natural circulation boiler system. The natural cycle boiler control system is divided into water level control, fuel control and steam control. The boiler system will be disturbed in what factors is analyzed in detail. In the desig
6、n of control strategy, we use MATLAB SIMULINK to simulate and analyze the single closed-loop control system and the system which is joined the cascade control and feed forward control. The simulation results show that the improved system can overcome the disturbance and improve the speed of the syst
7、em response. It is better than the single closed-loop system. Secondly, a monitoring system of a host computer is designed by KingView, which is used to connect PLC and display the dynamic process of boiler system. At the same time, a negative pressure control system is simulated by KingVeiw, and a
8、mixture simulation platform is founded without practical objects to verify whether the control algorithms are effective and the logic sequence is reasonable in PLC program. Finally, results of simulation indicated that this platform is useful for design of PLC program.Key words：natural cycle boiler,
9、 process control; configuration; mixture simulation1概论工业锅炉已经广泛的应用于国民经济各个部门。通常蒸发量小的锅炉用来供热或提供循环热水。蒸发量大的锅炉用于汽轮机和蒸汽机，使热能转化为机械能。在化工、炼油、石化工业中，工业锅炉不仅能为蒸馏过程、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且可作为风机、压缩机、泵等动力源。随着石油化学工业生产规模不断扩大与强化，作为全厂动力和热源的锅炉亦向大容量、高效率方向发展。为确保安全、稳定生产，对锅炉控制系统就十分重要。锅炉效率是影响机组效率的主要因素，燃烧的好坏决定了锅炉效率的高低。火电厂锅炉燃烧控制系统是
10、火电厂工业控制的重要组成部分，由三个相对独立的子系统即燃料控制系统、送风控制系统、引风控制系统组成。热电厂锅炉蒸汽压力的变化具有很大的滞后性，而且当负荷发生变化时燃料产生的热量很难与锅炉的蒸发量相一致，故有必要对主蒸汽压力控制子系统的传统方案做出改进。我国目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制，但是由于火电站锅炉燃烧系统是一个受多种因素制约的不断波动的多变量复杂系统，它往往表现出强耦合、非线性、大惯性、参数时变性和不确定性，对其建立精确的数学模型十分困难，使得基于精确数学模型的常规 PID 控制器难以取得理想的控制效果，燃烧效率难以达到期望要求。锅炉燃烧控制也因此成为火电厂过程控制
11、中的一大难题。 为了更好的对工业自然循环锅炉系统进行控制，本文详细的分析了自然循环锅炉系统，然后利用MATLAB的仿真功能对自然循环锅炉控制系统进行分析与验证，把简单的单闭环控制系统与加入了串级控制与前馈控制系统的多冲量控制系统性能进行比较。同时为了能够在现场实时监控PLC的运行状况，对于控制组态的设计是必不可少的。目前各类监控系统中普遍采用通用的监控组态软件来设计人机界面(HMI)较为流行的监控平台软件有Heristics公司的ONSPEC，Intellution公司的Fix以及亚控公司的组态王(KINGVIEW ) 等。这些软件易于实现复杂的图形界面，组态灵活而且支持多种硬件接口板，但是它
12、们实现复杂控制算法的能力较弱。所以对于本文问来说，主要任务有两个。一是通过对锅炉控制系统的分析与仿真，来分析自然循环炉的控制系统性能；二是利用组态软件，设计一个工业锅炉控制系统的监控界面，并与PLC进行通讯然后对PLC进行现场监控，构建出一个混合仿真平台，以便检查PLC顺序逻辑控制的正确性，同时验证控制算法是否达到了规定的标准。2自然循环炉对象描述2.1自然循环炉工艺过程描述被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉如图(2.1)所示。 图2.1自然循环锅炉系统经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，
13、对锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。 除氧后的软化水经由上水泵P1101泵出，分两路，其中一路进入减温器E1101与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器E1102。进入减温器E1101的锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。 被烟气加热成饱和水的锅炉上
14、水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是上汽包的重要作用之一。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度的微调并为锅炉上水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下一生产单元。 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气
15、带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉上水进行预热。2.2自然循环锅炉控制系统分析锅炉是重要的动力设备，其要达到的目的是供给合格的蒸汽，是锅炉发热量适应负荷的需要。为此，在生产过程中各个参数都必须严格的控制，才能达到前面所提到的要求。主要要求有1）供给蒸汽量要适应负荷变化需求或保持给定负荷。2）锅炉供给用气设备的蒸汽压力应保持在一定范围内。3）过热蒸汽温度应保持在一定范围内。4）汽包水位保持在一定范围内。5）保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。6）炉膛负压要保持在一定范围内。从以上要求易发现锅炉控制系统是一个相当复杂的控制对象，如图(2.2)所示，主要的输入量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风
16、量和引风量等；主要输出量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气。图2.1锅炉系统控制量与操作量系统输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度也有影响。减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化。所以锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象。目前在工程处理上做了一些假设后，可将该锅炉控制系统划分为若干个控制系统，主要控制系统如下：1）锅炉汽包水位控制系统（
17、给水自动控制系统）。锅炉汽包液位高度是确保生产和提供高质量蒸汽的重要参数。特别是对现代工业来说，由于蒸汽量显著提高，汽包溶剂相对减少，水位速度变化很快，稍不注意即可造成包满水或烧干锅，无论是包满水还是缺水都会造成严重的后果。因此，主要从汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中的水位在工艺允许范围内。这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。此控制系统的被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺要求范围之内。2）锅炉燃烧的自动控制。蒸汽压力、烟气成分、炉膛负压为三被控变量，分别利用燃料流量、
18、送风量和引风量作为三个操纵变量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，组成合适的燃烧系统控制方案，以满足燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，是燃料与空气保持一定比值，以保证最经济的燃烧，提高锅炉的燃烧效率，满足燃烧的完全和经济性，保持炉膛负压在一定的范围内，是锅炉安全运行。3）过热蒸汽温度的自动控制。它是以过热蒸汽温度作为被控量，减温水喷水量为操纵量的温度控制系统，维持过热蒸汽温度在一定的范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。4）锅炉水处理系统的控制。这部分主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求，一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。表1 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控
19、制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内产生的蒸汽量和供水量的物料平衡锅炉燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风量引风量蒸汽负荷平衡燃烧的完全和经济性锅炉的运行安全过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水量过热蒸汽温度和安全性锅炉水处理控制系统锅炉进水离子交换树脂锅炉给水指标要求3基于MATLAB控制系统设计与仿真3.2锅炉汽包水位控制系统3.2.1汽包水位控制分析初看起来，汽包水位控制系统的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况要复杂得多。其中最为突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽气泡的水，而蒸汽泡的总体积是随着汽包压力及炉膛热负荷的变化而改变的。如果用某种原因使蒸汽
20、气泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生变化。经过分析，发现影响汽包水位的主要因素有四个方面，1）给水方面的干扰，例如，给水压力、减温器控制阀开度变化等；2）蒸汽用量的干扰。包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度变化等。3）燃料量的干扰。包括燃料热值、燃料压力、含水量等。4）汽包压力变化。通过汽包压力内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。所以为了使控制系统达到标准，做到反应迅速，抗干扰能力强，同时稳定。我们认为一个简单的单冲量水位控制系统是不能够很好的达到目标的，当负荷突然增大时，使汽包内充满气泡，而控制器反而减少了给水量，造成了
21、误操作。所以我们需要综合的考虑各种影响因素，周全的考虑各种方面给被控对象带来的扰动。1）给水方面的扰动当给水量出现一个阶跃扰动时，从两方面来考虑，一方面把汽包看成水槽，所以汽包水位与给水量是一个线性上升的关系；另一方面，当给水量增大时，考虑到给水温度低于汽包内的饱和温度，当它们进入汽包后吸收了原有的饱和水的一部分热量，是锅炉的蒸汽量下降，水面下的气泡总体积也会减少，导致水位下降。所以综合分析后真正的汽包水位是受两方面影响的。如图(3.1)所示：图3.1给水扰动水位响应给水量对汽包水位控制通道的传递函数可以表示为：G1S=k1se-s （3.1）2)蒸汽流量对汽包水位的扰动当供气量突然出现一个阶
22、跃扰动时，水位的变化也要从两方面来考虑。一方面，由于用气量增大了，改变了原先的水-气物料平衡使水位下降；另一方面，由于耗气量的增大，使汽包内压力减小水的沸点降低，迫使汽包内突然产生了大量的气泡，造成假水位的现象。所以综合考虑两方面可以得出蒸汽用量扰动对汽包水位影响趋势图，如图(3.2)。图3.2蒸汽负载扰动水位响应根据前面分析，蒸汽流量对汽包水位的扰动通道的传递函数为：G2S=-(k2s-KTs+1) (3.2)3)燃料量的扰动燃料量的扰动必然引起蒸汽量的变化，因此同样有假水位现象。但是由于汽包和水循环系统有大量水，汽包和水冷壁金属管也会储存大量热量，因此有一定热惯性。所以燃料量的增大只能使蒸
23、汽量缓慢增大，而且压力也会缓慢上升，它将使气泡体积减小。因而，燃料量扰动下的假水位比负载扰动下要缓和得多。由上综合分析，给水量扰动下水位响应有纯延迟；负载扰动下水为响应过程具有假水位现象；燃料扰动下也会出现假水位现象。3.2.2汽包水位控制系统设计单冲量控制：从物料平衡出发，以水位型号作为被控量，给水量作为调节量，构成一个单回路反馈系统（水位单冲量控制系统）。易发现这种控制系统比较适合那些假水位现象不太明显的锅炉使用，但是对于我们面对的大中型锅炉来说，它就不能满足要求了。因为耗气量改变产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位剧烈的上下波动，严重的影响设备的寿命和安全。基于物质的比值
24、平衡控制：从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证包水位大致不变。如图(3.4)所示的控制系统，图中的供水调节器是PI调节器。用耗气量作为控制器的设定值，让给水量跟踪蒸汽量。图3.3单冲量控制采用比值控制方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决于耗气量，假水位现象不会引起调节机构的误动作。但是这个比值控制系统对于汽包水位来说只是个开环控制。如果耗气量和给水量的测量不准或由于锅炉排污及管道泄漏，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比值，此系统就不能达到汽水平衡，保持水位。因为，汽包水位对于供水量与供气量的差值来说说是一个积分关系，它们之间微小的差值在长时间的
25、积累下，会形成很大的水位偏差，所以也不能单独来用这个比例控制系统。三冲量控制方案：1）串级控制系统分析串级控制系统可以减小被控对象的等效时间常数，根据下图图3.4 串级控制系统传递函数方框图为了分析方便，把上图中的副回路看作是一等效副对象并以Go2表示其传递函数，则框图可以化简为下图。图3.5串级控制系统化简图Go2s=Y2(s)R2(s)=Gc2sGvsGo2(s)1+Gc2sGvsGo2sGm2(s) (3.3)根据实际情况，现在假设副回路中各个环节的传递函数为Gc2(s)=Kc2，Gv(s)=Kv，Gm2(s)=Km2，Go2s=Ko2To2s+1，代入式（3.3）中，得Go2s=Kc2
26、KvKo21+Kc2KvKo2Km2To21+Kc2KvKo2Km2s+1 (3.4)现在令Ko2=Kc2KvKo21+Kc2KvKo2Km2To2=To21+Kc2KvKo2Km2 (3.5)则Go2s=Ko2To2+1 (3.6)由于无论在什么情况下，1+Kc2KvKo2Km21总是成立的。所以由式(3.5)可以看出，串级系统中副回路的存在，使等效副对象的惯性时间常数To2减少到原来的11+Kc2KvKo2Km2倍，并随着副控制器的放大系数Kc2的增大，时间常数减小得更加显著。而时间常数的减小，意味着对象的容量滞后减小，使系统的反应速度加快，控制更加及时。同时因为副回路的存在，减小了副对象
27、的时间常数，对于主回路来讲，其控制通道也缩短了，克服一次干扰时，比同等条件下的单回路控制系统也更及时。对于引入主回路的二次干扰，抗干扰能力也有一定程度 的提高。与单回路系统相比，串级控制系统多了一个副回路，只要扰动由副回路引入，则不等它影响主参数，副回路调节立刻进行调节，这样，该扰动对主变量的影响就会大大减少，从而提高了主变量的控制质量。2）前馈控制系统简介所谓前馈控制，它是与反馈相对而言的。反馈控制是在系统受到扰动，被控量发生偏差后再进行控制，而前馈控制的基本思路就是根据进入过程的扰动量（包括外界扰动和设定值变化），产生适合的控制作用，是被控量不发生偏差。控制依据是基于扰动来消除扰动对被控量
28、的影响，它是在扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控量由于扰动引起的动态、静态偏差比较有效。前馈控制属于开环控制，所以只用系统中各个环节是稳定的，则控制系统必然稳定。可是前馈控制系统只对被前馈校正的扰动有校正作用，而对系统中其他扰动都没有校正作用。因此前馈控制具有指定行补偿的局限性。同时由于前馈控制系统控制规律取决于被控过程扰动的通道与控制通道特性之比。因此，有时控制规律比较复杂，甚至难以实现。3）实现三冲量控制把上述两种方案综合起来，在系统中引入供水量这个副控对象，构成串级控制，再引入一个蒸汽前馈信号构成串级前馈-反馈控制系统。它对上述两个方案取长补短，极大的提高了水位控制的质量。例如，
29、当耗气量突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会升高，它使调节器错误地指挥调节机构减小给水量；另一方面，耗气量的增大又通过比值控制作用指挥调节器增加给水量。实际的给水量取决于参数的整定。当假水位消失后，水位和蒸汽信号都可以正确的指挥调节机构动作。所以，只要参数整定合适，当系统恢复平衡后，给水量必然等于蒸汽流量，水位也会维持在设定值。这就是一个串级前馈-反馈控制系统。图3.6三冲量控制方案图3.7 给水系统控制框图3.2.3汽包水位控制系统的仿真1)没加串级控制和前馈控制的给水系统仿真。图3.8单冲量系统仿真框图图3.9单冲量控制控制系统阶跃响应2）系统稳定后加入一定量的给水扰动，系统的响应曲
30、线如图(3.10)所示图3.10经延迟加入给水干扰后的系统响应图3)系统稳定后加入一定量的蒸汽干扰，系统响应图如图(3.11)所示。图3.11延迟加入蒸汽干扰后的系统响应图4）分析：从以三个系统阶跃响应图可以看出，单冲量系统在理想状况下可以稳定的进行控制工作，如图(3.9)所示。但是由于在工业生产中，干扰是不可避免的。从图(3.10)与图(3.11)可发现，在有干扰的情况下，单冲量控制系统就力不从心了。在图(3.10)中，当系统稳定后加入了一个随机给水扰动，这个扰动使得系统波动得相当厉害，明显反映出了系统的抗干扰能力不足以及调节速度不够。在图(3.11)中，是在系统稳定后加入了一个阶跃蒸汽干扰
31、，图中也显示出了系统调节速度慢，抗干扰能力弱的缺点。下面将在系统中加入前馈控制系统以及串级控制系统，以改善汽包控制的性能。5）加入了前馈控制与串级控制系统仿真与结果。图3.12加入了串级控制与前馈控制的仿真框图图3.13三冲量控制系统阶跃响应图6)在三冲量控制系统稳定后，加入一定量的给水扰动，系统响应如图(3.14)。图3.14给水扰动下的三冲量控制系统响应图7) 在三冲量系统稳定后，加入一个蒸汽干扰，系统响应如图(3.15)。图3.15蒸汽干扰下的三冲量控制系统响应8)三冲量控制系统稳定后，同时加入给水扰动及蒸汽干扰响应。图3.16加了双重干扰的给水系统仿真总框图图3.17双重干扰下的三冲量
32、控制系统阶跃响应9）比较分析：从下图的对比中发现，对给水量扰动以及蒸汽干扰的调节，三冲量控制器比单冲量控制器都有较为明显的优越性。 图3.18给水干扰比较图在相同的给水扰动下，由于三冲量系统中加入了串级反馈环，缩短了控制通道，克服了一次干扰，比同等条件下的单回路控制系统做出了更加及时的反应，所以提高了系统的抗干扰能力。就上图所示，单冲量控制系统在干扰下更容易产生振荡，而三冲量则调节及时到位，响应曲线很稳定。 图3.19 蒸汽负荷干扰比较在相同的蒸汽干扰下，右图中的三冲量控制器在调节蒸汽扰动的时，明显在系统稳定及速度方面要优于左图中显示的单冲量控制器。这是由于三冲量控制器引入了蒸汽信号作为前馈信
33、号以及配以合适的前馈调节器，在出现干扰时就及时对系统进行调节，使系统响应速度更快，抗干扰能力更强，运行更稳定。3.3锅炉燃烧控制系统3.3.1燃烧控制系统分析锅炉燃烧过程自动控制系统的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷需要，又要保证燃料的经济燃烧和锅炉运行的安全性。具体任务有：保证锅炉出口蒸汽压力稳定，能根据负荷变化自动增减燃料量；保证燃料燃烧良好，燃烧过程经济。既要防止空气不足而使烟囱冒黑烟，也不能因空气过量而增加热量散失。在增加燃料时首先要加大空气量；减少燃料时，也应先减少空气量。总之燃料量与空气量应保持一定的比值，或者说烟道中的氧含量应保持一定的数值；保证锅炉安全运行。保证炉膛有一定负压
34、，以防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，影响设备和工作人员安全。负压过大，会使大量冷空气进入炉内，热量损失增加，降低燃烧效率。为了达到以上目的，经过分析，燃烧过程的控制系统应该包括三个控制任务：即维持锅炉汽压、保持最佳的空燃比和保证炉膛负压不变。可是以上三项控制任务相互影响，在控制中要消除或削弱它们的关联。此外，从安全考虑，应该设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。所以，燃烧控制系统可以一层一层循序渐进的设计。1）主要控蒸汽压力，加入一个燃料量作为副控量；2）然后以空气量作为燃料量的从动量，以保证空燃比；3）通过烟气含氧量来判断燃烧是否充分，用它与燃料量协同控制送风量；4）由于送风量对
35、负压也有直接的影响，在控制负压时，主要控制对象是引风机，同时引入送风量系统控制负压。综上所述，我们可以得到一个燃烧系统的设计方案。图3.20燃烧系统设计方案3.3.2燃烧控制系统的设计1）燃料量控制系统燃料量控制的任务是使进入锅炉的燃料量随时与蒸汽负荷要求相适应。蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。对于燃料量流量和蒸汽负荷变动过较小时，可利用蒸汽压力来调节燃料量，但是对于工业生产的锅炉来说，运行中燃料扰动是经常出现的。所以为了缩短控制通道，达到及时控制，我们采用前面得到的成果，引入一个串级控制环，其中用燃料量作为副变量、蒸汽压力作为主变量。如果出现燃料扰动，在副控制环就可以得
36、到及时的校正，提高了系统的反应速度和抗干扰的能力。图3.21压力串级控制系统2）根据前面分析得到，为保证燃烧的经济性，我们必须保持燃烧过程中一定的空气与燃料比。所以这里以跟随蒸汽负荷变化的燃料量作为主动量，空气量作为从动量，组成压力为控变量、燃料量为副被控变量的串级控制系统及燃料量为主动量、空气量为从动量的比值控制系统。图3.22比值控制系统框图3）从第二部设计我们可以实现固定空燃比的锅炉燃烧过程，但是这还不能保证燃料的完全燃烧，同时空气量也对炉膛负压有很大影响，所以我们需要设计一个完整的送风控制系统，一方面保证燃料的完全燃烧，另一方面保证它对负压的影响在工业生产允许范围内。因此，我们根据排放
37、烟气的含氧量作为控制对象，构成一个烟气含氧控制系统，由它来给出一个最优的燃料量与空气量的比值，以此实现系统的节能环保。图3.23环保压力控制框图4)最后还要考虑炉膛负压，这里我们把炉膛负压作为被控变量，操作变量是引风量。对于锅炉负荷变化不大的情况，可以采用单回路控制系统。当锅炉负荷变化较大时，根据前面得到的成果，我们可以引入前馈信号进行校正。由于炉膛负压与送风量有直接的关系，这我们引入送风量作为前馈信号以提高炉膛控制系统的反应。图3.24负压控制系统框图5)综合以上的控制系统设计，得到一个完整的燃烧控制系统。图3.25燃烧控制系统3.3.3燃烧控制系统的仿真1）燃料供给系统仿真及结果。图3.2
38、6燃料供给系统仿真图3.27燃料供给系统阶跃响应2)蒸汽压力-燃料流量串级控制系统仿真与结果。图3.28蒸汽压力控制系统仿真框图图3.29蒸汽压力控制系统阶跃响应3) 空气流量控制系统仿真与结果。图3.30空气流量控制系统仿真图3.31空气流量控制系统阶跃响应4)炉膛负压控制系统阶跃响应图图3.32负压控制系统仿真图3.33负压控制系统阶跃响应5)燃烧控制系统综合仿真与结果。图3.34 燃烧系统综合仿真图3.35 燃烧系统综合仿真结果分析：从上图仿真看出设计出来的控制性系统基本都是稳定的，在负压上加入了一定的随机干扰也能够得到很好的校正。燃烧控制系统也是充分发挥了串级控制与前馈控制的作用来提高
39、控制系统的性能。由于串级控制与前馈控制系统在性能上的提高，在前面的汽包控制中有了详细的对比和分析，这里就不再复述。3.4蒸汽温度控制系统3.4.1蒸汽温度控制系统分析锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质的最高温度，对于电厂的安全运行有重大影响。因此必须相当严格的将过热器温度控制在给定值附近。如果问过过高，则过热器容易随坏，也会使汽轮机内部引起过度热膨胀，严重影响生产运行安全；温度偏低，会使汽轮机工作效率下降，同时增加汽轮机的潮湿度，引起叶片的磨碎。影响过热器出口蒸汽的温度变化很多，其中最主要的三个影响是蒸汽流量的扰动，烟气侧传热的扰动以及减温水量的扰动。1）蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度对象
40、的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，根据前面分析，蒸汽量变化会导致锅炉系统内部一系列的改变，但是因为蒸汽量变化时，导气管内的长度方向的各点温度几乎是同时变化大的，所以对于蒸汽流量扰动时，过热蒸汽温度具有自衡性和快速性。2）烟气侧传热扰动燃料量的增减，燃料种类的变化，送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热状况，导致过热器温度出口的变化。可是由于我们的被控对象没有过热器，它是直接把温度用减温水调温，所以烟气对过热蒸汽温度的影响很小。3）喷水量的扰动喷水量的扰动是基本扰动，从喷水减温的工艺过程可知，以喷水量为输入，过热蒸汽温度为输出，由于我们的被控对象在减温水调节
41、温度后就立刻输出，所以它的温度对减温水扰动响应是很迅速的，可以直接采简单单闭环控制。3.4.2蒸汽温度控制系统能的设计基于前面的分析，把过热蒸汽温度作为被控量，把减温水阀门作为操作变量，构成一个简单的单闭环控制系统就可以满足要求。如图(3.25)所示。图3.343.4.3 蒸汽温度控制系统的仿真与结果图3.35过热蒸汽控制系统仿真图3.36蒸汽温度控制系统的阶跃响应图4监控系统组态与控制系统混合仿真4.1组态王软件介绍组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动化控制系统正义标准的工业计算机软、硬平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常
42、可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三个方面的问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为开发人员提供了可视化监控界面，有利于实验者实时现场监控。而且，它能充分利用windows的图形编辑功能，方便的构成监控界面，并以动画的方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4.2组态王定义外部设备和数
43、据变量4.2.1外部设备的定义组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都作为外部设备使用。这里我们用的外部设备就是四门子PLC S7-200。可以使用“设备配置向导”完成设备的连接。 图4.1组态王设备配置向导图 图4.2 组态王设备配置完成图4.2.2定义数据变量要实现组态王对S7-200的在线控制，就必须建立起两者之间的联系，那就需要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“I/O变量”两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟监控设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的，一者数据发生变化，另一方的数据也跟着变。所以
44、在这里我们创建了联机监控需要的变量。图4.3 数据变量图4.3监控界面设计与负压控制系统的混合仿真4.3.1总监控界面的设计通过前面的定义连接设备以及数据变量，我们的上位机监控系统的设计准备工作已经完成，接下来就是监控界面的设计。组态王为我们提供了丰富的图形素材，我们可以根据需要，用素材搭建出形象的现场监控系统。图4.4上位机总监控系统图从上图我们可以清楚的看到控制过程中的各个细节部分，包括阀门开度，风机运行状况，开关的开闭状态，所以用这个控制监控界面能够很直观的检查出PLC逻辑控制顺序是否正确，便于PLC现场调试。4.3.2负压控制系统的混合仿真1）原理概述所谓混合仿真是在一个缺少实际控制对
45、象的情况下进行的模拟仿真。我们先用MATLAB对PID控制系统的参数进行调节仿真，得到一组合适的PID参数。然后在PLC中设定好参数，用MATLAB或其他软件写出被控模拟对象系统。再把PLC与电脑相连，用PLC输出的控制参数来控制该模拟系统，把被控对象输出用组态王的适时曲线画出来，看控制是否符合要求。这里由于我们为了现场演示方便，所以用简易负压控制系统来进行演示，由于系统比较简单，负压系统的建模用组态王就可以完成。图4.5混合仿真过程图从上图可以看出，在混合仿真的过程当中，组态王需要连接PLC并画出适时负压值，同时它还需要接受PLC的控制量，来控制模拟系统并计算出当前的负压值供显示。2）离散化
46、由于PLC控制是数字式控制，即规定采样时间T=0.1秒，PLC每0.1秒接受一次组态王的数据，然后把计算得到的控制值传给组态王中的模拟系统。组态王也是每0.1秒接收一次PLC传过来的数据，然后计算出当前负压值显示并回传PLC。由此可以把PLC每次的数据输出看成是对负压系统一次阶跃输入，系统的输出是该系统的阶跃响应的倍数，下图为经PLC调节接近系统稳态值的不同采样情况。 图4.6 图4.7PLC每次调节都使负压的实际值向理想值靠近，当采样时间越短，实际调节值越接近理论值。3）混合仿真负压系统与其调节机构的传递函数是Gs=17s+1 4.1如果对其输入单位阶跃信号得到G1s=1s(7s+1) 4.2然后经过拉氏逆变换就能得到该系统阶跃响应f=1-e-t7 4.3根据前面分析，进行离散化得F=1-e-T*k7，k=(1,2,3,4) 4.4根据式4.4，PLC的调节值只需要直接乘以该系统的阶跃响应就能得到响应的调节，在组态王中的编程如下。图4.8组态王模拟系统控制程序图图4.9组态王负压适时监控系统图在组态王中，只要设定一个负压值，PID就能迅速调节负压到所需要