燃氣鍋爐控制系統分析與算法仿真

趙 鋼 段振戈

(天津理工大學 a.自動化學院；b.天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384)

燃氣鍋爐控制系統分析與算法仿真

趙 鋼a段振戈b

(天津理工大學 a.自動化學院；b.天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384)

針對燃氣鍋爐具有非線性、大慣性及多變量等特點，分析了燃氣鍋爐二輸入二輸出燃燒控制系統，設計了燃料控制系統和送風控制系統，并且在該系統中使用了檢測煙氣含氧量的方法來實現燃氣量和空氣量的最佳空燃比控制。在系統中采用了模糊自整定PID算法，在Matlab仿真中與常規PID對比得出：前者在調節時間、超調量等性能上具有更優良的控制效果。

燃氣鍋爐 煙氣含氧量 空燃比 仿真

燃煤鍋爐在我國鍋爐行業中占主流地位，但是燃煤鍋爐會帶來嚴重的環境問題[1,2]。隨著國家“十二五”規劃的深入進行，以“綠色發展、建設資源節約型、環境友好型社會”的口號被提出[3]。煤改氣鍋爐正在全國廣泛實施。天然氣是一種無污染、無粉塵且效率高的清潔能源。因此，以天然氣為主要燃料的燃氣鍋爐得到了長足的發展，它具有污染少、效率高、噪聲小、容易控制及自動化程度高等優勢。

在國外燃氣鍋爐已經得到廣泛的應用，并且燃氣鍋爐產業十分成熟。德國西門子、威索，美國霍尼韋爾及意大利利雅路等知名品牌不僅具有熱效率高、安全性能好及自動化程度高等優勢，而且操作簡單、維護方便。但是，國內燃氣鍋爐研制水平較低，燃燒器和控制系統研究程度低，安全性無法得到保障，燃燒效率低下，耗能很高。

目前國內現有燃氣鍋爐控制器多采用經典PID控制，由于其結構簡單、穩定性好、可靠性高、可實現無超調，因此仍廣泛使用。但是，經典PID依賴精確數學模型，參數整定不易，并不適用于燃氣鍋爐。為此，筆者設計了模糊控制與PID控制相結合的算法，結合煙道含氧量檢測，構成一套完整高效的控制系統。

1 燃氣鍋爐燃燒控制系統分析①

燃氣鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性相互關聯的被控對象[4]。輸入包括燃氣量、送風量，輸出包括供水溫度、煙氣含氧量及壓力等，其中燃氣品質和負荷變化也是系統中不可忽視的因素。因此，燃氣量、送風量、燃氣品質及負荷變化等因素的改變都會導致供水溫度和煙氣含氧量的改變。燃氣鍋爐輸入輸出相互關系如圖1所示。

圖1 燃氣鍋爐輸入輸出關系示意圖

燃氣鍋爐控制結構如圖2所示?？刂破骺刂乒娘L機、燃氣比例閥以保證空燃比。出水溫度控制主要通過調節輸入燃料量和送風量來實現；氧含量的控制主要通過調節空氣和燃料成適當配比來實現[5]。同時顯示操作單元和上位機分別用來就地顯示數據、輸入控制變量、上傳數據及監控等。

燃氣鍋爐是一個多變量控制系統，以往都是把它當做一個整體來控制，有些控制因素被忽略，控制效果并不好。現在把它作為多個單變量系統來控制，既能將每個因素考慮在內，又簡化了整個系統的復雜程度，并且控制更有條理，使控制效果得到提升。

圖2 燃氣鍋爐控制結構

1.1燃料控制系統

燃料控制系統的目的是根據設定的供水溫度，調節燃氣比例閥開度，進而改變燃氣量。當負荷增加，燃氣比例閥的開度應該增加，以增加給氣量，從而提高供水溫度。當負荷減少，燃氣比例閥的開度應該減小，以減少給氣量，從而降低供水溫度。燃料控制系統是一個串級控制系統[6]。主回路是對供水溫度控制，起到細調作用；副回路對燃氣比例閥控制，起到粗調作用。燃料控制系統如圖3所示。

圖3 燃料控制系統框圖

1.2送風控制系統

送風控制系統的目的在于根據燃氣量的變化，調節鼓風機變頻器的頻率，進而改變送風量，維持燃燒過程中適當的空燃比，使燃燒效率最高，減少熱量損失。送風控制系統通過氧化鋯氧量分析儀來檢測煙道的含氧量，與之前設定值做差并經過控制器來修正送風量，維持最佳空燃比。煙氣含氧量很容易受到燃氣量和送風量變化的影響。送風控制系統是一個串級控制系統，主回路對含氧量進行控制，起到細調的作用；副回路對鼓風機變頻器進行控制，起到粗調的作用。送風控制系統如圖4所示。

圖4 送風控制系統框圖

當通過氧量分析儀測得的煙氣含氧量超過設定值時，氧量校正調節器發出校正信號，修正送風控制系統的設定值，使鼓風機調節器減少送風量，從而降低燃燒后的剩余含氧量，最終使含氧量測量值與設定值一致。系統在副回路入口信號的平衡關系為：

B·K+σ-V=0

式中B——燃氣量；

K——空燃比比值；

V——鼓風機轉速；

σ——氧量校正器輸出。

校正后的送風信號為：

V=B·K+σ

實際燃燒過程中，送風量和燃氣量的最佳比例K是根據負荷和燃料品質的不同而實時變化的，因此將比例K通過函數f(x)來實現[7]，這樣就能更好地將不同干擾因素考慮在內，實現智能優化控制，得到良好的控制效果。因此送風信號V=B·f(x)+σ。

1.3控制系統優化運行分析

燃料控制系統和送風控制系統兩者之間協調、優化運行構成了燃氣鍋爐完整的燃燒控制系統。當供水溫度較低時，首先減小燃氣比例閥開度，再減小鼓風機頻率。當供水溫度較高時，應該首先提高鼓風機的頻率，再增加燃氣比例閥開度。燃氣鍋爐總體控制系統如圖5所示。

圖5 燃氣鍋爐總體控制系統框圖

2 控制算法分析與仿真

2.1基于PID的控制算法仿真分析

筆者在此基礎上構建了基于PID算法的仿真模型，仿真模型中，所有主回路均使用PID控制，所有副回路均使用PI控制，經過Ziegler-Nichols參數整定后，得到合適的參數，模型如圖6所示。

設定燃氣鍋爐的供水溫度為60℃，煙氣的含氧量為10，仿真時間為150s，仿真結果如圖7、8所示。

從圖7可以看出，供水溫度上升時間為51s，調節時間是111s，超調量約為13.3%。圖8中，煙氣含氧量上升時間為8s，調節時間為91s，超調量約8.1%。通過PID控制所得數據可知，供水溫度輸出曲線的超調量較大，調節時間一般，控制效果一般，而煙氣含氧量輸出曲線基本滿足需求。

圖6 PID算法仿真模型

圖7 供水溫度仿真曲線

圖8 煙氣含氧量輸出曲線

2.2基于模糊自整定控制算法仿真分析

雖然PID控制在工業生產中具有非常廣泛的應用，也起到了重要作用，但還是無法掩蓋PID控制的缺陷。實際工業生產過程具有多變量、非線性、時變性、滯后性、大慣性，而常規PID控制效果并不好，常常也因此而導致了安全和環境問題。模糊控制對被控對象數學模型要求不高，只要有現場操作人員的經驗知識和操作數據，就能實現常規PID無法實現的控制，但是模糊控制無法消除穩態誤差。因此把常規PID控制和模糊控制進行組合，實現兩者的優勢，彌補兩者的劣勢，得到一種更加智能化的新算法——模糊自整定PID算法。模糊自整定PID能夠檢測外部環境變化的因素，通過模糊推理的方法對PID的3個參數Kp、Ki和Kd在線整定[9]，得到最佳的PID參數，使系統的控制達到最好。

控制器采用兩輸入三輸出的二維模糊控制器，將鍋爐的實際供水溫度與設定供水溫度的偏差和偏差的變化率作為控制器的輸入，經過模糊化、模糊推理和清晰化處理，得出被調量ΔKp、ΔKi和ΔKd，并與之前參數進行結合，以實現對常規PID參數的在線實時調整[10]。模糊自整定PID控制框圖如圖9所示。

圖9 模糊自整定PID控制框圖

根據燃氣鍋爐系統各個因素的影響和參數自整定原則，分別建立Kp、Ki和Kd自整定的模糊控制規則，表1列舉出3個參數的控制規則。

由于燃料控制系統是對供水溫度進行控制，它具有大慣性、滯后性等特點，對控制效果的要求較高，因此燃料控制系統中采用控制效果更佳的模糊自整定PID控制器；而送風控制系統采用常規PID便能得到良好的控制效果，所以設計了如圖10所示的仿真模型。

表1 Kp、Ki和Kd模糊控制規則

圖10 模糊自整定PID仿真模型

同樣，仿真系統中設定鍋爐供水溫度為60℃，煙氣含氧量為10，仿真時間為150s，仿真結果如圖11、圖12所示。

圖11 鍋爐供水溫度仿真曲線

由圖11可以看出，鍋爐供水溫度上升時間為50s，超調量為1.2%，調節時間60s；由圖12可以看出，煙氣含氧量上升時間為7s，超調量為3.2%，調節時間約為70s。通過以上分析可知，模糊自整定PID控制在燃氣鍋爐控制系統中具有優良的動靜態特性，明顯地改善了系統的控制效果。

圖12 煙氣含氧量輸出曲線

3 結論

3.1根據燃氣鍋爐的輸入輸出，將系統分為以供水溫度為主控量的燃料控制系統和以煙氣含氧量為主控量的送風控制系統，它們之間通過鼓風機調節器聯系在一起，從而達到空燃比的最佳控制。兩個控制系統都采用串級控制，即主回路進行細調節，副回路進行粗調節。燃料控制系統將燃氣比例閥的開度作為送風控制系統的前饋輸入，與送風控制的煙氣含氧量和鼓風機轉速構成空燃比修正信號，以此達到經濟運行的目的。

3.2設計了燃料控制系統，主回路采用模糊自整定PID控制和副回路采用PI控制的仿真模型。以送風控制主回路采用常規PID控制和副回路采用PI控制的仿真模型，通過對比常規PID與模糊自整定PID的仿真結果發現，后者在燃氣鍋爐控制系統中的控制效果更佳，使得燃氣鍋爐的燃燒效率得到大幅提高，更減少了環境污染，這對燃氣鍋爐工業的應用具有重要的意義。

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虹潤精密儀器有限公司智能儀表的應用領域

虹潤精密儀器有限公司擁有六大系列的產品：隔離器與安全柵、數顯儀表、無紙記錄儀、過程校驗儀、電工表、轉速表。產品種類齊全，涵蓋面廣。為OEM生產裝備配套提供個性化產品：提供中性產品以及中性的簡介、樣本、說明書。提供中性產品以及中性的簡介、樣本、說明書。

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GasBoilerControlSystemAnalysisandAlgorithmSimulation

ZHAO Ganga, DUAN Zhen-geb

(a.CollegeofAutomation; b.TianjinKeyLaboratoryforControlTheory&ApplicationinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)

Regarding the gas-fired boiler with nonlinearity, high inertia and the multivariable, the control system for the gas boiler’s two-input/output combustion was analyzed and its fuel control system and air-supply control system were designed where the method of detecting flue gas oxygen content was adopted to achieve a optimum air-fuel ratio control over the gas volume and the air amount. In the control system, a fuzzy self-tuning PID algorithm was adopted and compared with conventional PID control in Matlab simulation to show that this fuzzy self-tuning PID algorithm outperforms the traditional PID control in control effect.

gas boiler, flue gas oxygen content, air-fuel ratio, simulation

2016-03-07(修改稿)

TH865

A

1000-3932(2016)04-0347-06