基于模糊自整定PID燃气锅炉仿真研究

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1、化工自动化及仪表第40卷基于模糊自整定PID燃气锅炉仿真研究赵钢蚰孟国影小(天津理工大学a．自动化学院；b．天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津’300384)摘要针对燃气热水锅炉具有非线性、大惯性及多变量等特点，借助经验公式分析并用MATLAB系统辨识工具箱完成了系统数学模型的辨识，确定了燃气锅炉温度控制系统的模型结构可等效为一阶惯性加滞后环节，在此基础上确立了基于MATLAB的系统SIMULINK仿真框图，设计了模糊自整定PID控制器。通过模糊自整定PID与常规PID算法的仿真对比分析，得出模糊自整定PID不仅在调节时间、超调量等动态性能上的控制效果明显优于常规PID控制

2、效果，而且增强了系统的鲁棒性和适应性，具有良好的动、静态性能。关t词燃气锅炉系统辩识模糊自整定PIDMATLAB仿真中圈分类号TH868文献标识码A文章编号1000-3932(2013)09-1106-05目前，我国工业锅炉中占主流地位的仍然是燃煤锅炉，但是燃煤锅炉运行中存在着严重的废渣、废气和废水“三废”污染⋯。同时，其一次投资设备多，系统具有大时滞、大惯性、非线性以及多变量等特点，难以实现智能控制。随着国家“十二五”规划提出“绿色发展、建设资源节约型、环境友好型社会”的奋斗目标，燃煤锅炉改造工程正在稳步推进。近几年，燃煤改燃气锅炉尤为突出。与燃煤锅炉相比，燃气锅炉具有占地面积

3、小、排放污染少、调节迅速、易于实现自动化以及智能化控制等特点。燃气锅炉替代燃煤锅炉可以明显地减少对环境的污染，不仅因为天然气是清洁能源，还与燃气锅炉配套设施(如燃烧器、火嘴)的机械结构设计是否合理有关，更为重要的是燃气锅炉更适合运行优化的智能控制算法(如模糊控制、专家控制等)，提高锅炉运行效率。目前运行的燃气锅炉燃烧控制系统大部分采用经典PID线性控制算法。在工业控制设备中，由于PID算法原理清晰、结构简单及应用经验丰富等优点，仍占据着重要地位。但是，PID控制算法只适用于数学模型精确的系统，其整定参数设定后不易改变，显然对于燃气锅炉这种具有大惯性、多变量、数学模型不易确定的系统

4、不能实现实时精确控制。模糊控制是智能控制的一种，经过多年的发展已广泛应用于工业生产中。笔者着重论述模糊控制结合常规PID算法在燃气热水锅炉中的仿真分析。1燃气锅炉温控系统数学模型的建立1．1燃烧控制系统分析燃烧控制系统是燃气锅炉自动控制的核心部分，关系到锅炉出水温度控制、安全运行及锅炉运行效率等重点问题，因此了解锅炉燃烧特性是控制系统设计的前提。根据能量守恒定律可知燃气燃烧释放的热量等于炉水吸收的热量和损失的热量之和(图1)。燃气燃烧厂一叫粲茬循环水吸收的热量炉水吸收的热量散热、排烟、不完全燃烧等损失的热量图1锅炉能量守恒原理根据图1可知系统能量关系为：Q=Q。+Q：+Q3+Q4

5、+Q5(1)式中Q——天然气燃烧释放的热量；Q，——炉水吸收的热量；Q：——循环水吸收的热量；Q，——不完全燃烧热损失；Q。——锅炉构件吸收与散热损失；Q，——排烟损失。其中，Q，、Q，受过量空气系数影响较大，Q。主要与大气温度、散热面积和保温设施有关，一般由经验计算得出。系统控制的核心任务是保证出收稿日期：2013-01-31第9期赵钢等．基于模糊自整定PID燃气锅炉仿真研究水温度满足负荷的要求，由以上能量关系可得：t。：盟警!喾盟％t(2)2oⅢ2—————■—=———一+i。【)式中c——水的比热；m：——一次网循环水的质量；￡；。——循环水进口温度；t。。——锅炉出水温度

6、。为保证锅炉出水温度恒定，一般通过调节燃气比例阀来调节燃气流量的大小，由于Q。、Q，、Q。、Q，在实际运行中随锅炉运行状态的改变而时刻发生变化，采用常规PID控制时，由于参数不易改变，不能保证控制精度，所以笔者采用模糊自整定PID在线调整参数来保证出水温度动静态性能。1．2系统数学模型分析锅炉定值温度控制工艺图如图2所示，环境温度为20℃，采样周期为lOs，由于静态加热时样品锅炉冷热不均，所以通过循环泵使锅炉受热均匀，同时调节燃气比例阀的开度至50％旧J。图2锅炉定值温度控制工艺引用文献中的20组数据，选其中最具代表的数值作温度采样曲线(图3)。图3锅炉出水温度采样曲线针对锅炉特

7、定应用对象，根据经验得知∞1：锅炉常用的燃料有煤、油和气，由于燃烧系统动态特性的不同，它们的动态特性可以用图4所示的飞升曲线来表示。通过比较分析图3、4，考虑对硬件实现的要求，燃气锅炉的数学模型结构用一节惯性加滞后奇SI锹窖刨穗堰篓霍蠡020406080100120140时间t，s图43种燃料系统的飞升曲线l——液体或气体燃料；2——有粉仓煤粉系统；3·直吹式煤粉系统模型来表示，不但满足理论分析和系统精度的要求，而且便于系统仿真算法的研究。系统数学模型结构表达式为：G㈣=籍=斋斋