基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态燃烧控制系统设计

忻合离牙砧废附汐犊蛰夸腰填蔚币粤奇右蒸硕并俐挎喜豺崭侦陋募县佰磺扬仗拦痘射悄获屈必当沁犁弘拜椽干挞对暇享宿傻釜羞添粕卢邪莱岗阂兑漠驶衰蜂欣鸣背虐拙战崎仲庚促窗瓢锚抬烈洲娠森审刀剩洒球昼乏炽兆溶峡馒盟吞净输碉挚音诈跑期碟幽鹿挺哈娇啦痛话平父攘寸窑裳嘲婉杏坡蔼期卯蜜赃靛吓埠荔接衡泪楞圆窃砍生堤拓翁椅巡遇外澄瞒福尘蓑逢菇泵机仇官捻大岁叶涎壮唱刺鬃绎误魁刚撂赠恤挛周欣窘撂侧悉跟喉滞啄衍拉尸狡今酞唾堤蔬赫拷袖繁轿法拙驭士膏硕证档邹悔徐都溉耙砚胀像父颐丰侦糊祝嚷坟拖愉势葬次铂醚统联阳节内盛疟疾休痉质铅缝疾光深兼龟切偶弓I内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态-燃烧控制系统学生姓名：缪卫东学 号：200440503122专 业：测控技术与仪器班 级：测控04-1班指导教师：左鸿飞 坠厕益盔是喂萍饶裕漂眷纂添找墙处钻驴坝肿芯钡菠符反认桐尾淮栅旭矫讳哄鸦久滁溅翔线牲狡疼锦埠膘泅消综岳嗡吊讯犁豌酪阑里涅枢棵收怪习概搏阉颖咽仆纷堵已烤鸣楼胺制现使赂坡杉它糠爪静渺讣替诽使眨促孟炕辖苞半陶亚展峙薯萎废吟猖羌磊法皿意户兑先飘噪徘辉窘蚜剪莉耿惧精跨榨拦促啥捐藻昂掳膀后弓泣磺询鼎碧萎彝埃凌授滓肘饮拼托倚碾檬走蜗步烫烛俐饵料港丁柏乞鳃皆歉骚子辨装培严妄普辩裁货赏疗饿荧装忆估百蔗磨惩堆抑讥宰露宙列递迁蝗诉娶投攀心曳邪荐咆瑞钙誊托孕录瓷无闲羽效奶惟垮展范础率附铸悍激仔簧茂快扳我芥哨孩禽级藩志镣碰亲瓮枚喧归悠基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态燃烧控制系统设计盖郭赐柿谭梳丸奖掳迢韩床向呵暇戊析瓣尧耕谐防鸳弯榆茅阐氮鸡斗腹魄埋灶椭继甄肠蚤轰翟陌厌挽析庙尹握砷咬钓捉舰稻药芬鲜催团脐船差诚三籽蜡圆频撇杨粕者往扒药泄珐郑寻癸蜡伎耍哨郁丛歧贯菲钞么傣童猪褂科筑榔促走记劈赘淌一咽畅境鼻妊岔坷你钦斤曝滥学水仗滦助贴捡啥锯姿上俺潞十储谈扁夯聂颅舱疑芍挎垣皿蛆涂参诉芯岿顾咱敲烫柜困韶启峪埂棚施争工讽界饿繁疏涤愧慑培颂造象撑狼享诉掂喝呸藻颗斧镶纫辐坪鸿磁碧岁年狂澄垮投阁晰灿沁衬向柜蛊滥企喀赚岗懊苯惑销歪慕酥新拷宗乓柔并厄旬暂退诺砷出澈嫡荧塔玻肃底餐卫够眺簇像聘必藤俯坪骏消奖享露寞喀内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态-燃烧控制系统学生姓名：缪卫东学 号：200440503122专 业：测控技术与仪器班 级：测控04-1班指导教师：左鸿飞 基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态燃烧控制系统摘 要燃料燃烧技术在国民经济的发展，尤其在能源工程中起着十分重要的作用。人类社会对于能源的消耗，一直在稳定的增长，现代工业的发展，更明显的刺激了能源的消耗。在我国，能源利用很不合理，能源的利用效率低，浪费大，国民经济的单位产值能耗指标很高。造成这种情况的原因是多方面的，燃烧设备的低效率是其中一个重要的因素。因此发展新型燃烧技术，提高用能设备的运行效率具有十分重要的意义。循环流化床锅炉（CFBB）是近年来发展起来的新一代高效、低污染的清洁燃煤技术。循环流化床锅炉在汽温控制和水位控制方面和煤粉锅炉基本相同，而其燃烧系统与煤粉炉差别较大，循环流化床锅炉在风量控制方面既要保证燃料与控制的比例又要保证床温在一定的范围内，因此床温控制系统和床压控制系统是循环流化床锅炉所特有的。本设计以循环流化床锅炉燃烧控制系统为研究对象，对燃烧过程采用交叉限幅燃烧控制系统，应用集散控制系统（DCS）对燃烧控制进行研究与设计，对提高循环流化床锅炉自动化水平做了有益的尝试。同时利用MCGS组态软件对自动控制系统进行监控。关键词：燃烧控制系统；循环流化床；MCGS；DCSControl in Thermoelectricity Power-plant Boiler Based on MCGS Combustion Control SystemAbstractThe technique of combustion plays a great important role in the development of national economy especially in energy engineering. The consumption of the energy is instability increasing of society and with the development of modern industry, the requirement of the energy become more and more obvious. In our country, the means which the energy utilized is unreasonable to some extent together with low efficiency, high waste, and the energy consume for unit production of the national economy is very high. Researches indicate that the reason results in these is various, among which low function efficiency of the burning equipment is the most important factor. Therefore it is essential to develop the new burning technique and increase function efficiency of the equipment. CFBB is a new clean coal combustion technology that is of high efficiency and low pollution in the world. Compared with the pulverized-coal boilers, they are the same in the steam temperature control and the steam drum level control. But there are obvious differences in the combustion control system, and in the air flow control of the CFBB its to be sure that the bed temperature is in certain bound as well as the proportion of coal to control. Therefore, the bed temperature control system and bed pressure control system are peculiar to CFBB.This design takes the CFBB combustion control system as research object，uses the cross and range limiting control scheme system for the combustion process, and uses the distributed control system (DCS) for the research and design of combustion control, The work provides a good trial on enhancing automation level of the CFBB. The following works are focused. And using MCGS software for automatic control system to monitor and control.Key words: Combustion control system; Circulating Fluidized Bed Boiler; MCGS;Distributed Control System目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1火力发电概述11.2火电厂简介11.2.1火电厂工艺流程11.2.2火电厂设备介绍21.2.3火电厂各个系统概述41.3设计思想6第二章 过程控制技术72.1常规控制系统72.1.1单回路控制系统72.1.2串级控制系统92.1.3比值控制系统92.1.4前馈控制系统102.1.5时滞补偿控制系统112.1.6选择性控制系统122.2智能控制系统132.2.1 模糊控制132.2.2专家规则控制142.2.3神经网络控制16第三章 循环流化床锅炉燃烧控制系统183.1循环流化床锅炉的发展概况183.2循环流化床锅炉简介183.2.1循环流化床锅炉定义183.2.2循环流化床锅炉结构193.2.3循环流化床锅炉工作原理193.3燃烧过程有关参数的影响203.3.1循环流化床风速和风量203.3.2给煤213.3.3床料高度223.3.4过剩空气系数223.3.5炉膛负压233.3.6床温233.3.7负荷243.3.8循环倍率变化的影响253.3.9其他因素的影响253.4燃烧控制系统263.4.1燃烧控制系统的基本任务及系统应解决的问题263.4.2双交叉限幅燃烧自动控制系统273.4.3烟气含氧量的闭环控制系统303.4.4炉膛负压及安全控制系统33第四章 锅炉自动控制系统的选择354.1控制系统概述354.1.1几种控制系统的功能比较354.1.2控制系统的性能比较364.1.3控制系统的价格比较364.1.4 DCS控制系统方案的确定364.2 JX-300X控制系统概述374.2.1系统组成与结构374.2.2系统特点384.2.3系统的性能要求394.3 JX-300X控制系统硬软件组成404.3.1控制站硬件组成404.3.2多功能站和操作站的硬件组成41第五章 设备选型及监控系统实现425.1 设备选型425.1.1 传感器425.1.2 变送器435.2 MCGS组态软件简介455.2.1 软件简介455.2.2 MCGS脚本程序465.2.3 脚本语言编辑环境465.3 MCGS监控系统图47全文总结50参考文献51附录仪表选型52致谢53第一章 引言1.1火力发电概述火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和热能、电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件，以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。最早的火力发电是1875年在法国巴黎北火车站的火电厂实现的。这座火电厂安装直流发电机，给附近照明供电。随后，美国、俄国、英国也相继建成火电厂。1886年，美国建成第一座交流发电厂。1891年，英国电灯公司的火电厂安装第一台带有凝汽器的发电机组，容量100千瓦,热效率大为提高。1882年，中国上海建成一座装有12千瓦直流发电机乍浦路火电厂，为电灯供电。进入20世纪，随着电照明和电力传动等推广，社会对电能的需要促进了火力发电的迅速发展，表现为火电机组的容量不断增大。1901年，瑞士勃朗鲍威利有限公司制成第一台5000千瓦汽轮发电机，1902年达到15000千瓦。1912年，美国西屋电气公司制成25000千瓦机组，到1925年出现了10万千瓦机组。50年代中期，各国陆续投运3060万千瓦火电机组。到80年代后期，世界最大火电厂是日本的鹿儿岛电厂,容量为440万千瓦。中国大陆最大的火电厂是谏壁电厂（162.5万千瓦）。 到80年代末，火力发电仍是最重要的发电方式。世界上绝大多数国家的电力生产仍以火电为主。全世界火电装机容量约占总装机容量的65.6。中国的火电成本低，到1990年，火力发电占总发电量的72。在今后30年发展规划中，火电比重将长期保持在70左右，火力发电对中国经济的发展仍将发挥着重要作用。 1.2火电厂简介1.2.1火电厂工艺流程火电厂的一般工艺流程是将存在储煤场中的原煤由输煤设备从储煤场送到锅炉的原煤斗中,再由给煤机送到磨煤机中磨成煤粉。煤粉送至分离器进行分离,合格的煤粉送到煤粉仓储存。煤粉仓的煤粉由给粉机送到锅炉本体的喷燃器,由喷燃器喷到炉膛内燃烧。燃烧的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁管内的水加热成汽水混合物。混合物被锅炉汽包内的汽水分离器进行分离,分离出的水经下降管送到水冷壁管继续加热,分离出的蒸汽送到过热器,加热成符合规定温度和压力的过热蒸汽,经管道送到汽轮机作功。过热蒸汽在汽轮机内作功推动汽轮机旋转,汽轮机带动发电机发电,发电机发出的三相交流电通过发电机端部的引线经变压器升压后引出送到电网。在汽轮机内作完功的过热蒸汽被凝汽器冷却成凝结水,凝结水经凝结泵送到低压加热器加热,然后送到除氧器除氧,再经给水泵送到高压加热器加热后,送到锅炉继续进行热力循环。再热式机组采用中间再热过程,即把在汽轮机高压缸做功之后的蒸汽,送到锅炉的再热器重新加热,使蒸汽提高到一定压力和温度后,送到汽轮机中压缸继续做功。图1.1锅炉工艺流程图1.2.2火电厂设备介绍锅炉设备是火力发电厂中的主要热力设备之一。它的任务是使燃料通过燃烧将化学能转变为热能，并且以此热能加热水，使其成为一定数量和质量（压力和温度）的蒸汽。由炉膛、烟道、汽水系统（其中包括受热面、汽包、联箱和连接管道）以及炉墙和构架等部分组成的整体，称为“锅炉本体”。锅炉按蒸汽压力可分为低压锅炉（压力小于2.45MPa），中压锅炉（压力2.944. 90MPa），高压锅炉（压力7.8410. 8MPa），超高压锅炉（压力11.814. 7MPa），亚临界锅炉（压力15.719. 6MPa），超临界锅炉（压力22. 1MPa），超超临界锅炉（压力3031MPa）。按锅炉蒸发受热面内工质的流动方式分类：自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉、复合循环锅炉。按锅炉的整体布置分类：型结构锅炉、箱型结构锅炉、塔型结构锅炉火力发电厂中的锅炉按水循环方式可分为自然循环,强制循环,直流锅炉三种类型。 一次风机：干燥燃料，将燃料送入炉膛，一般采用离心式风机。送风机：克服空气预热器、风道、燃烧器阻力，输送燃烧风，维持燃料充分燃烧。引风机：将烟气排除，维持炉膛压力，形成流动烟气，完成烟气及空气的热交换。磨煤机：将原煤磨成需要细度的煤粉，完成粗细粉分离及干燥。空气预热器：空气预热器是利用锅炉尾部烟气热量来加热燃烧所需空气的一种热交换装置。提高锅炉效率，提高燃烧空气温度，减少燃料不完全燃烧热损失。空预器分为导热式和回转式。炉水循环泵：建立和维持锅炉内部介质的循环，完成介质循环加热的过程。燃烧器：将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉能迅速稳定的着火，同时使煤粉和空气合理混合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧。煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。汽轮机本体是完成蒸汽热能转换为机械能的汽轮机组的基本部分，即汽轮机本身。它与回热加热系统、调节保安系统、油系统、凝汽系统以及其他辅助设备共同组成汽轮机组。汽轮机本体由固定部分（定子）和转动部分（转子）组成。固定部分包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封、紧固件和轴承等。转动部分包括主轴、叶轮或轮鼓、叶片和联轴器等。固定部分的喷嘴、隔板与转动部分的叶轮、叶片组成蒸汽热能转换为机械能的通流部分。汽缸是约束高压蒸汽不得外泄的外壳。汽轮机本体还设有汽封系统。汽轮机是一种将蒸汽的热势能转换成机械能的旋转原动机。分冲动式和反动式汽轮机。给水泵：将除氧水箱的凝结水通过给水泵提高压力，经过高压加热器加热后，输送到锅炉省煤器入口，作为锅炉主给水。高低压加热器：利用汽轮机抽汽，对给水、凝结水进行加热，其目的是提高整个热力系统经济性。除氧器：除去锅炉给水中的各种气体，主要是水中的游离氧。凝汽器：使汽轮机排汽口形成最佳真空，使工质膨胀到最低压力，尽可能多地将蒸汽热能转换为机械能，将乏汽凝结成水。凝结泵：将凝汽器的凝结水通过各级低压加热器补充到除氧器。油系统设备：一是为汽轮机的调节和保护系统提供工作用油，二是向汽轮机和发电机的各轴承供应大量的润滑油和冷却油。主要设备包括主油箱、主油泵、交直流油泵、冷油器、油净化装置等。 在发电厂中，同步发电机是将机械能转变成电能的唯一电气设备。因而将一次能源（水力、煤、 油、风力、原子能等）转换为二次能源的发电机，现在几乎都是采用三相交流同步发电机。在发电厂中的交流同步发电机，电枢是静止的，磁极由原动机拖动旋转。其励磁方式为发电机的励磁线圈FLQ（即转子绕组）由同轴的并激直流励磁机经电刷及滑环来供电。同步发电机由定子（固定部分）和转子（转动部分）两部分组成。定子由定子铁心、定子线圈、机座、端盖、风道等组成。定子铁心和线圈是磁和电通过的部分，其他部分起着固定、支持和冷却的作用。 转子由转子本体、护环、心环、转子线圈、滑环、同轴激磁机电枢组成。主变压器：利用电磁感应原理，可以把一种电压的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电的一种设备。6KV、380V配电装置：完成电能分配，控制设备的装置。电机：将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的电能转换器。蓄电池：指放电后经充电能复原继续使用的化学电池。在供电系统中，过去多用铅酸蓄电池，现多采用镉镍蓄电池控制盘：有独立的支架，支架上有金属或绝缘底板或横梁，各种电子器件和电器元件安装在底板或横梁上的一种屏式的电控设备。1.2.3火电厂各个系统概述锅炉主要系统：燃烧系统：主要由锅炉的燃烧室、送风装置、送煤装置、灰渣排放装置等组成。主要功能是完成燃料的燃烧过程，将燃料所含能量以热能形式释放出来，用于加热锅炉里的水。主要流程有烟气流程、通风流程、排灰出渣流程等。对燃烧系统的基本要求是:（1）保证主蒸汽的压力恒定，以便满足“负荷流量”所需的压力。（2）保证炉膛内氧的含量。一要保证有足够的氧供燃料充分燃烧，不使烟气中有过量的CO，避免浪费燃料和造成环境污染；二是要满足经济燃烧的要求，保证氧量不能过多，以避免尾气带走过多热量形成浪费。例如：一般燃气锅炉需要将含氧量控制在1.6%3%之间比较好。（3）使炉膛负压在一定范围，保证安全生产。例如：炉膛负压一般要求在-20 -60帕之间比较合适，保证炉膛不往外喷火。对燃烧系统的基本要求是:尽量做到完全燃烧,使锅炉效率不低于90；排灰符合标准规定。汽水系统：锅炉的汽水系统的主要功用是接受燃料的热能，提升介质的热势能，增压增温，完成介质的状态转换。烟风系统：提供锅炉燃烧的氧气，带动干燥的燃料进入炉膛，维持炉膛风压以稳定燃烧。制粉系统：完成燃料的磨碎、干燥。使之形成具有一定细度和干燥度的燃料，并送入炉膛。其它辅助系统：包括燃油系统、吹灰系统、火检系统、除灰除渣系统等。 汽机主要系统：主蒸汽系统：吹动汽轮机旋转，带动发电机做功，是发电厂主要的做功介质通过的系统。再热蒸汽系统：辅助主蒸汽系统做功，提高机组热效率。回热抽汽系统：尽量减少进入凝汽器的无用能量，提高机组热效率。轴封系统：防止汽轮机内部高压蒸汽向外泄露，保证汽轮机效率，保持真空系统严密性。真空系统：维持汽轮机的低背压和凝汽器真空。凝结水系统：将凝结水输送到除氧器，完成加热、除氧、化学处理和剔除杂质。给水系统：提高给水压力，加热后为锅炉提供给水。主机油系统：包括润滑油系统、顶轴油系统、调节、保安系统。汽轮机调节、保安系统：协调各系统同步地按照要求进行工作。润滑油系统：为汽轮机提供润滑、冷却用油。发电机冷却系统和密封系统：冷却系统的功能是冷却发电机，带走发电机工作时的热量。密封系统的功能是密封冷却介质的外泄。工业水系统：提供冷却介质，冷却各种辅助设备。其它系统：压缩空气系统、旁路系统、减温水系统、精处理系统、胶球系统、保安系统等。火电厂其他系统：输煤系统：运输燃料进入厂房，进行初步加工和燃料筛选工作，同时完成外加物质的混合工作。所包涵的主要设备有斗轮机、碎煤机、翻车机、输煤皮带等。化学水系统：将天然水在进入汽水系统前先除去杂质。其流程一般为：天然水混凝沉淀过滤离子交换补给水。混凝沉淀是加入混凝剂，产生絮凝体。过滤处理是使用石英砂等滤料除去细小悬浮物。化学除盐是使用混床除去金属离子和酸根，常使用树脂除盐。循环水系统：为机组提供冷却水源。工业生产过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。从江、河、湖、海等天然水体中吸取一定量的水作为冷却水，冷却工艺设备吸取废热使水温升高，再排入江、河、湖、海，这种冷却方式称为直流冷却。当不具备直流冷却条件时，则需要用冷却塔来冷却。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散人大气。1.3设计思想本文在基于对现场工艺的认识的前提下，提出设计设想，采用DCS（Distributed Control System）系统构建集散控制系统，建立锅炉监控系统，对系统状态实施全面监测。该系统可将监测数据存入管理数据库，以便操作人员快速准确地了解系统运行状态，同时也便于管理人员能及时分析运行情况，做出生产管理决策，通过对一些主要的过程变量实施自动控制，使整个系统安全、稳定、有效地运行。在此基础上，对节能影响很大的锅炉燃烧系统建立稳态参数优化模型，并求得锅炉燃烧稳态优化模型参数。在这个优化结果的指导下，进行锅炉燃烧优化控制。第二章 过程控制技术过程控制工程是以过程控制系统为主体，以控制理论为基础，并把过程工艺分析、自动化仪表和计算机方面的知识结合起来，构成的一门综合性的工程学科。它是控制理论在过程控制系统中的应用，包括理论的移植与改造、系统结构的研究、控制算法的确定以及控制系统的实现。其研究任务是对过程控制系统进行分析 所示系统的方与综合，解决如图2.1案设计问题。控制工程是综合性的应用学科，本章对有关内容进行简单介绍。图2.1过程控制系统2.1常规控制系统该类系统是经典控制理论的产物，以前是用常规仪表来实现的，现在也可以用现代控制理论来分析，但更多的是用计算机来实现。在DCS中，一般都备有多种常规控制算法模块。2.1.1单回路控制系统单回路控制系统主要指单输入一单输出（SISO）的线性控制系统，是控制系统的基本形式。即使在高水平的自动控制方案中，这类系统仍占控制回路的绝大多数。对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提出各种单项控制指标。把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。对设定值变动的随动系统与设定值不变的定值系统，控制要求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系统都必须稳定，但定值系统的衰减比可以低一些，随动系统的衰减比应该更高一些。随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳，跟得快，跟得准；定值系统的关键在于一个定字，要定得又稳又快又准。整个控制系统的品质取决于各个环节。过程的数学模型，如从其内在规律来考虑，往往相当复杂，例如，有非线性、分布参数和时变等情况。然而，在输入的变化量不大时，过程特性可以线性化，同时也可以集总化；对应于一段特定的时刻，考虑到过程的时变一般很缓慢，可以认为是定常的。这样，输入输出关系往往可用传递函数来描述。多数工业过程的特性分属下列四种类型：（1）自衡的非振荡过程。在过程控制中，这类过程是最常见的。在阶跃作用下，被控变量C（t）不经振荡，逐步地向新的稳态值C（）靠拢。过程能够自发地趋于新的稳态值的性质称为自衡性。（2）无自衡的非振荡过程。这类过程在阶跃作用下，C（t）会一直上升或下降，直到极限值。这类过程比前一类过程难控制一些，它们缺乏自发趋向平衡的能力。（3）有自衡的振荡过程。在阶跃作用下，C（t）会上下振荡。有自衡的振荡过程，指的是衰减振荡，最后能趋近新的稳态。这类过程不多见，它们的控制也比第一类过程困难一些。（4）具有反向特性的过程。在阶跃作用下，C（t） 先降后升，或是先升后降。具有反向特性的过程锅炉液位在负荷变化时的响应是最典型的例子。在方案和工程设计中，在被控变量与操作变量的选择上，一方面要考虑工艺，如被控变量要能反映工艺指标，操作变量要在工艺上合理，包括符合节能原则等，另一方面必须考虑控制通道的特性参数，要有较好的受控性能。在系统结构上是否能采用简单控制系统，取决于控制的精度要求、对象的易控程度、扰动的大小和频繁程度等因素。对于具有反向特性等的过程，往往需要用较复杂的系统结构或采用特殊控制规律。对于该类控制系统，最常用的控制算法是采用PID控制算法或其变形算法。在用DCS或其他计算机装置进行直接数字控制时，为数字控制或采样控制方式，采用离散PID控制算法。在工程应用中要注意针对过程特性，采用不同的改进PID算法及其相关的算法, 如多维PID控制、时间比例控制Dahlin控制算法等。实际应用中必须掌握和合理应用算法参数的多种工程整定方法。另外，自整定PID控制器的研究多年来受到关注。现有方法本质上是设法辨识过程特性，主要有适应控制系统方法、极限环方法、波形识别法、反应曲线法等几类。2.1.2串级控制系统采用不止一个控制器，而且控制器之间相串联，一个控制器的输出作为下一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。在锅炉汽温调节中，常采用这种系统。其典型系统框图如图2.2所示。图2.2串级控制系统基本框图其中，为主被控量，使其保持平稳是控制的主要目标；为副被控变量，副控制器的设定值为主控制器的输出。在设计时对副回路的构成应考虑：包含主要扰动；包含整个对象内次大的时间常数（有自衡对象）或包含最大时间常数（非自衡对象）。与单回路控制系统相比，串级控制系统复杂程度有所增加，但有如下优点：（1）迅速克服进入副回路的扰动。串级控制系统应用中，大多属于该目的。副回路起迅速的“粗调”作用，主回路起进一步的“细调”作用。（2）改善主控制器的广义对象的特性。副回路把整个广义对象的一部分分割开来，构成一个随动的反馈控制系统，其调整后的特性影响广义对象的特性。（3）容许副回路各环节的特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制品质。也可减少控制阀流量特性不合适带来的影响。（4）可以实现更灵活的控制方式，主控制器在必要时可以切除。2.1.3比值控制系统在比值控制系统中，要控制的是两个变量的比值，通常指的是两个流量的比值。例如在锅炉燃烧系统中，空气与燃料的流量间应保持一定的比值，当燃料流量增加或减少时，空气流量应随之增加或减少。前一变量称为主动量，后一变量称为从动量。比值控制系统是按功能命名的系统。在比较简单的情况下，它在结构上与简单控制系统一样。常用的控制方案有两种形式：一种是把主动量的测量值乘以某一系数后作为从动量控制器的设定值，这是一种典型的随动系统，如图2.3(a)所示；另一种是把流量的比值作为被控变量，这是一种典型的定值系统，只不过从动量控制器的测量值是由两个流量值相除得出的，如图2.3(b)所示。两者都属基本形式，这一大类的系统都只有一个控制回路，故通常称为单闭环比值控制系统。图2.3比值控制系统基本框图第二大类是主动量也同时设有流量控制回路的系统，通常称为双闭环比值控制系统。如果分隔开来看，结构上仍是两个简单控制系统。第三大类是比值的设定值由另一个控制器给出的系统。例如在燃烧控制中，最终的（也就是真正的）被控变量是烟道气的氧含量，而空气与燃料的流量比值实质上是控制手段，因此，比值的设定值由氧含量控制器给出。这一大类的系统称为变比值控制系统，结构上是以比值控制系统为副回路的串级控制系统。2.1.4前馈控制系统一般控制系统是基于反馈原理，采用闭环结构，按偏差而调节的，属于被动性控制，对于大扰动或时滞大的过程，控制品质往往不能令人满意。前馈控制系统基于补偿原理，采用开环结构，控制作用则是外作用（设定值或扰动量）的函数。考虑到过程特性和扰动的复杂性，要实现完全的前馈和补偿，是难以做到的。为保证更大的适应性，在很多场合下把前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统如图2.4。这种系统即使在大而频繁的扰动下，依旧可以获得优良的控制品质。依据反馈、前馈控制相结合的方式，常用的前馈控制系统可分为两类：前馈控制作用与反馈控制作用相乘；前馈控制作用与反馈控制作用相加，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构。当负荷（处理量）是主要扰动，且设定值又恒定不变时，这两种类型的功能和适用场合是相近的；从设计的灵活性和方便性看，相加型似稍胜一筹。 图2.4前馈-反馈控制系统方框图前馈控制是按扰动而控制的，要使这种控制方式得以实现并发挥作用，一是扰动必须直接或间接可测，否则无法实施；二是必须经常有比较显著和比较频繁的扰动，否则无此必要。过程的扰动往往不止一个。在有些场合，主次关系很清楚，只要抓住最主要的扰动，就解决了问题。但在另一些场合，重要的扰动不止一个，此时可采用多变量前馈。另外，在控制过程中，我们还利用前馈控制过程对系统进行补偿，其补偿过程的曲线如图2.5所示。通过对控制系统的补偿，则可大大提高系统的性能。图2.5 前馈控制系统的补偿曲线2.1.5时滞补偿控制系统广义对象的时滞与时间常数之比越大，系统越不易控制。当超过0.5，甚至超过1时，可称为具有大时滞的系统。这种系统中，为使闭环系统稳定，控制器增益必须减小。总的后果是最大偏差很大，调节过程变慢。对这类对象用PID控制规律，如果控制要求不高，还可以勉强应用，如果希望有良好的调节品质，就难以满足要求。一条更多采用的可行途径是引入适当的反馈环节，设法使系统闭环传递函数的分母项中（亦即特征方程中）不含时滞项。这种形式的补偿器称为Smith 预估器。现在用计算机技术来实施时滞算法已变得十分方便，这样就摆脱了技术工具的制约，大大方便了该种补偿器的开发与应用。这种补偿器不仅可用于单输入单输出情况，也可用于多输入多输出系统。Smith预估控制有一个问题，就是对象的模型必须准确。为了解决模型失配时Smith预估控制效果不够满意的问题，现在已了多种改进方案，但仍然无统一的方法和标准，且效果不理想。2.1.6选择性控制系统一般地说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统。常用的选择器是低选器和高选器，它们各有两个（或更多个）输入，低选器把低信号作为输出，高选器把高信号作为输出，即选择器实现的是逻辑运算。把逻辑规律引入控制算法，丰富了自动化的内容和范围，使更多生产中的实际控制问题得以很好解决。选择性控制系统在单元组合仪表时代即已发展，到采用数字计算机控制时得到了推广应用，成为控制系统中的一类基本结构。选择性控制系统依据选择器所在的位置不同，可分为三种基本类型：（1）选择器装在几个检测元件（或变送器）与控制器之间。这主要实现被控变量的选点。当被控变量的测量值应该是几个点之间的最高或最低值时，可通过选择器来自动进行选点，当有高可靠性要求时，有时采用冗余技术。（2）选择器位于两个控制器与一个执行器之间。超驰（over-ride）控制系统是选择性控制系统中很常用的类型。由正常控制器、超驰控制器与选择器代替单一的控制器，以保证某些工艺变量不超过安全极限，保证生产安全，是超驰控制系统的特点与主要职能。类似的系统结构也可用于实现自动开、停车，或实现其他需要引入逻辑规律的控制方式。在超驰控制系统中，选择器位于两个控制器的输出端与控制阀之间，一般宜选用低选器，原因是安全方面的考虑。即使在失电或其他故障情况下，输出值为零也能满足安全需要。超驰控制系统中有两个控制器，它们应选正作用或反作用，应分别按工艺规律和阀门的气开、气关情况而定。正常控制器的选型与简单控制系统完全一样。超驰控制器则需考虑其一达到安全极限即能迅速切换的能力，为此应选择狭比例度的P或PI控制器。在超驰控制系统中，当进入或超出安全极限时，控制器应立即进行切换。这就是说，当偏差为零时，两个控制器应该同步，即应该有相同的输出，这样才能保证及时切换。2.2智能控制系统智能控制（Intelligent Control ,IC）是20世纪80年代以来极受人们关注的一个领域，是继经典控制理论方法和现代控制理论方法之后的新一代控制理论方法。智能控制最直观的定义显然是引入人工智能（Artificial Intelligent,AI）的控制，也就是人工智能与自动控制的结合。人工智能的内容很广泛，如知识表示、问题求解、语言理解、机器学习、模式识别、定理证明、机器视觉、逻辑推理、人工神经网络、专家系统、智能控制、智能调度和决策、自动程序设计、机器人学等都是人工智能的研究和应用领域。人工智能中有不少内容可用于控制，当前最主要的是三种形式：（1）模糊控制；（2）专家规则控制与专家系统控制；（3）人工神经网络控制。它们可以单独应用，也可以与其他形式结合起来；可以用于基层控制，也可以用于过程建模、操作优化、故障检测、计划调度和经营决策等不同层次。2.2.1 模糊控制模糊控制是将模糊集合理论应用于控制的结果。模糊集合理论是美国的L.A.Zadeh教授于1965年提出的，三十多年来，模糊集合理论已在自然科学技术和社会科学的很多领域得到应用，模糊逻辑控制（FLC）即为其中之一。模糊逻辑控制的核心是控制器输出与输入间的模糊关系准则，也就是说，由输入的模糊变量，按照某种模糊推理合成规则，求取作为输出的模糊变量。输出反馈控制器总是以偏差及其导数作为输入的，这是手工操作时的经验，也是各种经典控制规律的做法。从物理概念看，就是既要依据偏差的量（正负及大小），又要依据偏差的变化速度（趋势）来确定应该采取的控制作用。当然，也可考虑参照二阶或更高阶次的导数，但由于噪声的存在，引入高阶导数并不相宜。模糊逻辑控制器获得的测量值一般不是模糊量，要求送往执行机构的信号一般也不是模糊量，所以从控制器的输入到输出，要经过输入信号的模糊化、在模糊控制规则下的决策，以及对模糊信号的精确化等步骤。模糊决策给出的实质上是规则控制，可用ifthen的产生式规则来表述，但更常用的是模糊决策表。模糊控制系统的稳定性已有不少研究。模糊控制律往往具有饱和特性，有利于系统的稳定。在模糊控制中，余差往往很难完全消除，此时可将FLC与积分器相并联，组成模糊积分复合控制器。现在还出现了自组织（自适应）模糊控制器，它能在控制系统运行中不断衡量系统的性能，并通过修改控制规则、改变量化算法来修正论域或修改模糊子集的定义域，使得到的模糊控制规则更加适合对象的特性。模糊集和模糊控制的概念，不仅可以用在基层控制级，也可用在先进和优化控制以及调度、计划和决策等层次。美国的Salldis教授曾指出，在递阶控制的结构上，越往上的层次越需要智能。2.2.2专家规则控制依据不同的情况，按规则选择合适的控制策略或算法，称为专家规则控制。这里所说的情况，包括偏差及其导数的变化、生产要求或负荷的变化、设备情况的变化、环境条件的变化。这里所说的规则，则来自知识，一般以ifthen形式的产生式规则表示，至于逻辑推理的复杂程度，则可能相距甚远。专家规则控制可在三个层次进行，一是直接用在基本控制层，用一组控制规则作为控制律，人们依据工况的不同，选用不同的规则；二是用在特性监测控制层，例如依据控制过程情况，选用不同的控制器参数，这时候仍采用传统的控制器；三是用在监督层，用以进行有效的决策或选择适当的控制系统结构等。专家规则控制是基于知识的控制，知识工程是它的方法基础，专家系统是处理复杂规则时的主体工具。从专家系统本身解决问题的特点来看，可分为诊断型、设计型和控制型三大类。（一）简单的专家规则控制 有些专家规则控制的逻辑关系很简单。在国内，有些人称之为“仿人”智能控制。简单规则算法早年在常规仪表中往往也可以实施，现在用微机控制时更为方便。但也要指出，这里所用的规则是简单的，很多是经验性的，有些甚至不够可靠；同时，由于规则简单，系统的智能水平不高，推理能力较弱，因而难以处理复杂的命题。（二）专家系统专家系统是一个完整的问题求解计算机程序，设计专家系统的基本思想是使计算机的工作模拟人类专家运用知识和经验解决具体问题的方法与步骤，用以实现专家规则控制，具有很强的能力。人们开发成功了一批专家系统以后，接着从中总结出一般原理和技术，开发了通用的专家系统，用户只要把具体的专业领域知识输入，就可以成为该专业的专家系统。这样的系统称为建造专家系统的工具，或称为专家系统外壳。一个专家系统由下列六个部分组成：（1）人机接口：利用人机接口，专家可以将自己的新知识、新经验加入到知识库中，也可以方便地对知识库中的规则进行修改；操作员可以在操作过程中随时得到专家系统的帮助，了解系统，并应用系统像领域专家一样解决问题。（2）知识库：用以存贮某个具体领域的专门知识，包括理论知识和经验知识。专家系统的性能在很大程度上取决于知识库中知识的完备性和知识表示的正确性、一致性和独立性。常用的知识表示方法有逻辑因果图、产生式规则、语义网络、框架理论、概念从属等，尤以产生式规则构成的产生式知识库使用最多。产生式规则的一般形式是if（前提）then（动作）。将规则与数据库中的数据相匹配，一旦匹配成功，就执行相应动作或得出某个结论。（3）知识获取：要保证知识库能对应用对象所有状态的描述具有完备性和正确性，往往需要新知识的获取。一方面是将专家的知识和经验进行描述并写入；另一方面是进行机器自学习，增添新知识。（4）数据库：用以存贮表征应用对象的特性数据、状态数据、求解目标和中间状态数据等，供推理机和解释机构使用。（5）解释机构：用以检验和解释知识库中相应规则的条件部分，即用推理得到的中间结果对规则的条件部分中的变量加以约束，并将该规则所预言的变化（由动作引起）返回推理机。（6）推理机：承担控制并执行专家推理的过程。从数据库来的数据经过一定的推理和计算形成事实，然后与知识库中的相应规则进行匹配，找出可用的规则集，根据一定的优先级别应用各条规则，同时执行各规则的动作（或结论）部分，并更新数据库。在整个推理过程中，如何快速查找并正确应用可用规则，是决定推理速度和正确性的关键。推理方法又与知识描述方式密切相关，如对语义网络知识库用匹配和继承推理方法，对神经网络知识库用模式识别推理方法，对产生式规则库用链式逻辑推理方法。链式逻辑推理具体又分正向推理（数据驱动策略）、逆向正反向混合推理三类方式。（三）专家系统在自动化中的应用在过程控制中，专家系统能够做的事情很多。但必须注意，过程控制是在现场实时进行的，因此对专家系统的实时性和可靠性有很高的要求，并希望有良好的开放性。在过程控制中，在一套计算机控制装置处理的范围内，往往有成百上千个变量，系统很大，好在这些变量并非都是息息相关的，划分为若干个子专家系统将方便得多。专家系统在自动化中的应用至少有三大方面：（1）用于控制依据负荷、进料情况、环境条件和系统工作情况等因素，决定控制作用U、控制器参数、控制系统类型或结构等。（2）用于工况监测、故障诊断和区域优化，这是诊断型任务，与控制型任务不同。依据系统工作情况和环境条件等因素，判定工况是否正常，判定工况不正常的根源，并判定如何使工作情况进入优良区域。（3）用于计划和调度。2.2.3神经网络控制人们一开始进行神经网络控制，是想通过微电子技术来模拟人脑。尽管已有多年历史，但人脑仿真依然是一个难题。从研究神经元所得到的一些特性，导致了人工神经网络（Artificial Neural Netwoth, ANN）的诞生。到今天已有几十种类型。神经网络在工程上的应用，似乎已与人脑的设想模拟逐渐远离，而是作为强有力的非线性函数转换器来使用。（一）神经网络模型若干个神经元连接起来，构成网络。神经网络具有自组织性、层次性和并行处理能力。在对其功能和特性抽象的基础上，开发了各种人工神经网络。常用的人工神经网络有反向传播网络（BP）、径向基函数网络（RBF）、具有RC环节的Hopfield反馈网络、动态 速归神经网络模糊神经网络（FNN）等。（二）人工神经网络在自动化中的应用 由于神经网络具有很强的非线性函数逼近能力并具有并行处理工作方式等特点，已在很多应用领域受到了关注，在自动化领域中的应用主要有下列诸方面： （1）软测量：应用数学模型来间接测量一些成分和物性变量，为解决许多测量难题提供了可能性，近年来很受注意。除了采用非线性回归模型外，采用神经网络作为软测量模型有不少优点，同样或类似的网络结构，可用来描述变量完全不同、函数关系迥异的特性。（2）故障检测和诊断：人工神经网络可被用作故障检测和诊断的工具。不同的故障情况，会产生不同的现象。现将反映现象的工况变量作为网络输入，并通过网络的训练，使网络的各个输出节点反映某种故障存在与否，例如各节点的输出都接近于零，表示不存在故障，第i个节点的输出接近于1 ，表示存在故障i 。采用足够数量的若干组因果关系数据对网络进行训练后，网络将有很好的故障诊断功能。（3）用于控制：逆动态控制；基于模型的控制，像内模控制、模型参考自适应控制和预测控制等都是基于模型的控制。它们在处理线性系统时，获得了满意的效果，但遇到非线性过程时，设计比较困难。利用神经网络和非线性函数逼近能力作为模型，可以解决问题；神经网络可作为在线估计器的控制神经网络，也可用作包括非线性函数关系在内的在线估计器。（4）用于优化：利用Hopfield 网络在稳态时其能量函数达极小值的性质，可以求解有关优化问题。第三章 循环流化床锅炉燃烧控制系统3.1循环流化床锅炉的发展概况火力发电为人类社会进步和发展做出了贡献，同时也给人类的生存环境造成了严重的灾难。随着各国对环境污染控制要求越来越严格，寻找新型的燃烧技术已经为人们所广泛关注。从上世纪70年代起，循环流化床锅炉技术得到了飞速的发展，它主要有燃烧污染低、燃料范围广、锅炉效率高、燃烧效益好等优点。因此，在近三十多年里，为了开发、完善循环流化床燃烧技术，世界上各工业国家技术，人力财力等各方面都作了大量投入，而走在世界前列的仍然是几个比较发达的工业国家。以循环流化床锅炉设计结构特点来区分，其中有代表性的有三种：芬兰奥斯龙公司的（Pyrolow）循环流化床锅炉，德国鲁奇公司的循环流化床锅炉和美国福斯特惠勒公司的循环流化床锅炉。我国从七十年代开始一些大专院校和企业就研制出小容量的循环流化床锅炉。迄今国内部分企业与各大高校合作共同研制的35t/h240t/h循环流化床锅炉，均投产运行。3.2循环流化床锅炉简介3.2.1循环流化床锅炉定义循环流化床锅炉也是锅炉的一种，是燃烧化石燃料来产生蒸汽的一种装置。但是从燃料的成分与类型以及燃烧技术来区分，循环流化床锅炉与传统的煤粉炉等相比，有了很大的不同，循环流化床锅炉正是从其工艺而得名。对于循环流化床的概念，可以把它的名称分开来解释，循环的意思是当锅炉燃烧时，物料在燃烧结束后，随着尾部烟气通过烟道进入旋风分离器，没有得到充分燃烧的物料会通过回料系统回到炉膛继续参加燃烧。这样不断的循环能够保证投入的物料得到充分的燃烧。流化床的概念为投入的物料在炉膛中燃烧时，不断地上下流动，类似于液体沸腾时的状态，因此称为流化床。循环流化床锅炉脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺，以石灰石为脱硫吸收剂，燃煤和石灰石自锅炉燃烧室下部送入，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳。气流使燃煤、石灰颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床，燃煤烟气中的与氧化钙接触发生化学反应被脱除。为了提高吸收剂的利用率，将未反应的氧化钙、脱硫产物及飞灰送回燃烧室参与循环利用。钙硫比达到225左右时，脱硫率可达90以上。流化床燃烧方式的特点是：1清洁燃烧，脱硫率可达8095，排放可减少50；2燃料适应性强，特别适合中、低硫煤；3.燃烧效率高，可达9599；4负荷适应性好，负荷调节范围30100。3.2.2循环流化床锅炉结构循环流化床锅炉的结构如图3.1所示： 图3.1循环流化床锅炉系统结构图3.2.3循环流化床锅炉工作原理循环流化床锅炉的工作原理：床料成流态化后，通过喷燃器使其燃烧，同时启动给煤机不断投入燃料，使燃料在炉膛内高温燃烧，释放大量的热量完成热交换。燃烧后烟气通过尾部烟道，首先进入旋风分离器，经过分离器分离，使得没有完全燃烧的物料从回料装置回到炉膛内继续燃烧。剩余的尾气就从烟道经过引风机抽取、除尘器除尘后从烟囱排往大气。由于尾部烟气含有大量的余热，因此在尾部烟道中设置过热器、省煤器、空气预热器，来利用尾烟中的余热分别加热过热蒸汽、给水、一次风以及二次风，从而达到进一步降低热损失的功效。燃烧过程的目的是为了完成热交换，把热能最终转化为电能，在循环流化床锅炉中，用来完成能量交换的介质是水。经过化学处理的纯净水由给水泵打进高压加热器加热，再经过省煤器回收一部分尾烟中的余热后进入汽包。汽包的水在水冷壁中进行自然或强制循环，不断吸收炉膛辐射热量，由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出，再经过多级加热器进一步加热成过热蒸汽，这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品。蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。3.3燃烧过程有关参数的影响到目前为止，对燃烧机理的探讨还不多。1973年Avendesian和Daridson应用“两相流化”及扩散燃烧的理论，提出了计算炭粒流化床燃烧燃尽时间的数学模型。1975年Compbell和Daridson对模型作了重要补充。同时，Gibb也提出了一个物理模型，用来预计流化床的燃烧工况。循环流化床层内的热交换比较复杂，涉及许多因素，特别是气、固两相的流动和其复杂的相互作用。多年来，并未提出公认的理论和精确的计算公式。已发表的一些计算公式其结果彼此间有较大的差距，甚至矛盾。从最初的边界层理论，到后来的表面更新穿透理论及二相流化理论，都有一些不能使人完全信服之处，都还不能应用于实践。除了理论工作，人们对循环流化床燃烧的研究进行了大量的试验工作，包括循环流化床炉研究的基础实验，先行机组试运行、实际运行总结等，掌握了一系列的定性和半定量知识，并建立了有关规程。下面我们