毕业论文设计_500thcfb锅炉床温模糊pid控制系统的设计(编辑修改稿)

毕业论文设计_500thcfb锅炉床温模糊pid控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

位控制回路； （ 2） 过热汽温控 制回路； （ 3） 主蒸汽压力控制回路； （ 4） 床温控制回路； （ 5） 床层高度控制回路； （ 6） 二级返料回料控制回路； （ 7） 炉膛负压控制回路； （ 8） 烟气含氧量控制回路； （ 9） 烟气含 S02量控制回路。 近年来，国内外有很多机构和学者尝试着进行循环流化床锅炉自动控制的研究，一些学者提出过一些很有应用价值的自动控制系统方案。 本课题设计的目的 循环流化床的床温控制系统是一个大惯性系统。 滞后性在给煤调节床温时普遍存在。 时滞越大 ,被控对象输入、输出之间的相关性越小 ，用常规控制已不能满足当前安全、节能、经济、低污染的需求。 因此人们当前通常采用控制算法简单 , 性能优良 , 有较强的鲁棒性的模糊控制算法进行控制。 本课题的设计目的是应用模糊控制算法来控制循环流化床锅炉床温。 从而提高床温控制的精度，保证系统运行的稳定性。 本课题设计的重点与难点 重点 （ 1）针对控制要求，设计循环流化床锅炉床温控制系统总体方案； 500t/h CFB 锅炉床温模糊 PID 控制系统的设计 第 4 页 共 50 页 （ 2）根据床温控制要求，设计模糊控制算法； （ 3） 利用 MATLAB 建立仿真模型，研究控制算法的性能，并与常规 PID 控制 进行比较。 （ 1）循环流化床锅炉床温控制系统具有大滞后、多变量、强耦合等非线性特性 ,其控制系统比较复杂； （ 2）采用现代控制理论方法的基础是要求有描述对象特性的较为精确的数学模型； （ 3）建立规则库是模糊控制系统设计的核心问题，也是难点所在。 本文内容 安排 本设计主要针对循环流化床床温模糊控制技术进行研究，利用模糊控制算法简单 ,性能优良 , 有较强的鲁棒性等特点，从稳定性，适应性，鲁棒性和抗干扰等方面研究设计出能够适应负荷变化的床温模糊控制系统。 本课题的主要工作可以大致分为以下三个方面：第一，掌握循环流化床锅炉的原理，结构，特点。 第二，熟悉并掌握模糊控制原理，通过查阅模糊控制的相关文献，可知模糊控制是一种适用于 多变量，强耦合，大时滞复杂的非线性系统，其特点是在偏离工作点较远的区域可明显改善控制的动态性能。 第三：用模糊控制算法对循环流化床锅炉床温进行控制。 综 合 CFB 锅炉的特征及模糊控制的优点，设计模糊控制算法和仿真模型 ,用 MATLAB 软件进行仿真。 此次研究的目的在于提高床温的测量控制精度，保证床温控制的稳定性和可靠性。 500t/h CFB 锅炉床温模糊 PID 控制系统的设计 第 5 页 共 50 页 2 循环流化床锅炉原理 循环流化床工作原理 循环流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃料的燃烧技术。 它的基本原理是燃料在流化状态下进行燃烧。 一般粗颗粒在燃烧室下部燃烧，细颗粒在燃烧室上部燃烧。 被吹出燃烧室的细颗粒采用各种分离器收集之后，送回床内循环燃烧。 当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体 对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所承受的其他外力平衡时，固体颗粒层会呈现出类似于液体状态的现象，这种现象称为流态化。 此时，对于单个颗粒来说，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触来维持它的空问位置，相反地，在失去了以前的机械支撑后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。 颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低流化速度，成为临界流化速度。 气固流化床很像沸腾的液体，它具有以下特点：在任何一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量：无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形 状也保持容器的形状；床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口排出；密度高于床层表而密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上；床内固体颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。 流态化是一个极为复杂的现象，尤其是气固流态化。 其影响因素很多，主要是受气体流动速度 (流化速度或空气截面速度 )、固体颗粒特性 (密度、粒度等 )、流体特性 (密度、黏度等 )以及固体器壁的影响。 随流化速度增加，一个垂直上行气固系统依次呈现以下几种状态：固定床，鼓泡流化床，湍动流态化，快速流态化，密相气力输送，稀相气力输 送。 快速流态化和密相气力输送状态的区域，既经典循环流态化的存在区域。 此时，床内无气泡，无明显密相界面；存在颗粒成团与返混现象；具有较大的气固滑移速度。 快速流态化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体物料被速度大于单物料的终端速度的气流所流化，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。 颗粒团向各个方向 500t/h CFB 锅炉床温模糊 PID 控制系统的设计 第 6 页 共 50 页 运动，而且不断形成和解体。 在这种流体状态下，气体还可以携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度远大于截面平均速度。 这种气固运动方式中存在较大的气固两相速度差，即相对速度。 在一个循环流化床的提升管 (燃烧室 )和下行管 (一般指外部低速流化床 )内安装必要的受热面，应用于煤燃烧的过程，就称为循环流化床锅炉 [2]。 循环流化床锅炉可分为两个部分。 第一部分由炉膛 (快速流化床 )、气固物料分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器 (有些循环流化床锅炉没有该设备 )等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。 第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。 床温控制模型床温被控对象动态特性 床温 是影响 Ca/S NOX以及 CO排放量的最主要的因素，床温过低不但使锅炉效率下降，而且使锅 炉运行不稳定，容易灭火；床温过高会使脱硫效率下降，使SO2和 NOX的排放量增加，同时使锅炉结焦，无法正常循环流化燃烧，因此床温控制 对循环流化床锅炉是至关重要的。 （ 1）床温被控对象的动态特性的求取 循环流化床内主要能量来源于给煤中挥发份燃烧及残碳燃烧放出的能量，则对于床体内动态能量平衡方程为： 床体内能量的时间变化率 =由给煤带入的物理焓 +由一次风带入的物理焓 +由循环物料量带入的物理焓 +给煤中的碳燃烧反应放出的热量 +给煤中的挥发份燃烧反应放出的热量 由排渣带走的物理焓 离开床体的烟气、床料分别带走的物理焓 写 成具体的能量平衡表示式为： BPUulBpgglBPUdCVVClCCCClPUCCAiPAAlCPUCBpgsgBPUbTCFTCFTCFFHRaUHMTCFTCFTCFTCFTCmdtd22021)( (21) 等式左边为床体内能量的变化，导数项表示了流化床内大量床料存在导致的热惯性。 它由诸多因素引起，由一次风、燃料以及循环物料送入炉膛带入一部分能量，同时，从床体进入悬浮段的床料和烟气带走一部分能量，锅炉排渣也将带走一部分能量。 另外床体内的碳和 挥发份的燃烧产生大量能量；其中 Fg1(m3/s)为离开流化床床体进入悬浮段的烟气流量， CPA(kJ/m3℃ )为空气的比热， TB(℃ ) 500t/h CFB 锅炉床温模糊 PID 控制系统的设计 第 7 页 共 50 页 为床体中的温度， CPc(kJ/kg℃ )为煤的比热， Cpg(kJ/m3℃ )为烟气的比热，Cpu(kJ/kg℃ )为床料的比热， Hc(kJ/kg)为碳的热值， Hu(kJ/kg)){J煤中挥发物的热值， Tcci(℃ )为循环灰的温度， Tcii(℃ )为进入炉膛的煤的温度， TAii(℃ )为进入炉膛的空气的温度。 床体能量平衡分析如图 床燃烧系统能量的平衡。 F g l C p g T bF u l C P U T BM c H C l 2 0 2a 2 R v H v F c)( F b g C p g T bM b C p u T bdtdF d C p u T bF a l C p a T a i F c C p c T c i F c c C p u T c c iF g c c C p g T c c i 图 床体的平衡示意图 由于控制模型是针对循环 流化床燃烧的工作状态建造的，而正常运行要求床温在一个最佳范围，基本上保持不变。 因此我们将床体动态能量平衡方程式中的状 态变量用实际床温 TB和没定工作点 TB0的偏差代替。 即： △ T=TBTB0 （ 22） 由于 FsgCpg远远小于 mbCPU，所以推导时可以将前者省略。 从而床体动态能量平衡变为： )()()())(())(()(220222 COCVVOClOClCCBCCPUCCiCCOPUBAlPaAiBOAlOAlPABCPCCiBOCCOPCBPUbFFHRaUUHMTFCFFCTFCTTFFCTFCTTFFCTCmdtd△△△△ （ 23） 将锅炉的结构参数、煤的特性及经验数据及参数及系数代入线性化后的平衡方程式。 500t/h CFB 锅炉床温模糊 PID 控制系统的设计 第 8 页 共 50 页 （ 2） 给煤量扰动下床温被控对象的动态过程模型： 1)()(,  MS MCBM T KSF STSG ）（△△ （ 24） 式中，静态增益 KM、惯性时间常数 TM都是随运行工况的不同而变化的参数。 当锅炉额定负荷时， KM基本 保持在 28左右， TM基本保持在 550s左右。 即： 155028  SSGM ）（ 、 （ 25） （ 3） 一次风量扰动下床温被控对象的动态过程模型： ））（（）（ 、 11 1 21 3   SS SVV TT TKSG （ 26） 式中，锅炉额定负荷时， KV基本保持在 3． 5左右， T T T3分别基本保持在450s、 15s、 90s 即 [14]： )115)(1450(   ss sSG V ）（ 、 （ 27） 床温被控对象的动态特性分析 给煤量扰动对床温有较大影响，其它条件不变时，给煤量增大或减少都会造成床温相应升高或降低，但由于 燃煤占床料的比例很小，床料热容量很大，因此在理论上，给煤量扰动下的床温变化理论上应该有个滞后的过程。 在上述建模中，我们忽略了煤粒进入流化床中后发生的加热干燥、破碎磨损等若干相关的物理过程，我们考虑的仅仅是碳和挥发份的燃烧这个化学反应。 因此所得到的给煤量扰动下床温模型体现的只有大 惯性、而没有体现迟延的部分。 我们把忽略的部分用一个纯迟延环节代替，参考文献 [6]我们取为 16s左右，所以给煤量扰动下床温被控对象的动态过程模型修正如下： sM esSG 16155028)(  （ 28） 500t/h CFB 锅炉床温模糊 PID 控制系统的设计 第 9 页 共 50 页 3 锅炉床温模糊 PID控制系统设计 模糊控制简介 自从 1965 年美国加州大学 L. A. ZADEH 教授创建模糊集理论和 1974 年英国的 . Mamdani 教授成功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用。 一般而言，模糊控制器的设计一般大致可分为三部分，首先将精确的输入量模糊化， 通过隶属函数的建立，完成精确的数学 量到模糊的语言变量的的转换，隶属函数通常采用三角函数，正态分布函数等，以符合人的思维方式。 第二部是进行模糊推理，由于推理规则库主要是按现场的操作经验与知识而建立的，因此模糊控制具有一定的模拟人的思维的特点。 第三部是解模糊过程，将推理得到的模糊语言控制量转化为精确的数学变量，去驱动控制机械装置。 与传统经典控制方法比起来，模糊控制的特点为： (1) 在设计控制系。