循環(huán)流化床鍋爐床溫系統(tǒng)IMC-PID控制與仿真

趙瀟明 黃佳佳

（華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定071000）

0 引言

作為最重要的清潔煤燃燒技術(shù)之一的流化床燃煤技術(shù)，是一種介于層燃和煤粉氣力輸送之間的燃燒方式。 循環(huán)流化床鍋爐（又稱CFB鍋爐） 與煤粉爐在控制上的主要不同之處在于燃燒室內(nèi)的床溫控制，床溫是表征鍋爐能否連續(xù)安全運(yùn)行的主要參數(shù)，同時(shí)也直接影響鍋爐運(yùn)行中的鍋爐效率、 脫硫效率及NOx 的生產(chǎn)量。 床溫的影響因素很多，燃料量、一二次風(fēng)的比例、一次風(fēng)量、石灰石量、排渣量和煙氣再循環(huán)量都影響床溫。因此，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，即使能夠建立起數(shù)學(xué)模型，也是不完善的，其結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，難以設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)有效控制，常規(guī)的PID 控制已經(jīng)不能完全滿足床溫控制品質(zhì)的要求。

近年來內(nèi)?？刂?Internal Model Control,IMC)引起了控制界的很大關(guān)注。內(nèi)?？刂剖且环N基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略。 由于其具有設(shè)計(jì)簡單、控制性能好和在系統(tǒng)分析方面的優(yōu)越性，內(nèi)?？刂撇粌H是一種實(shí)用的先進(jìn)控制算法，而且是研究預(yù)測控制等基于模型的控制策略的重要理論基礎(chǔ)，以及提高常規(guī)PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的有力工具。因此研究內(nèi)?？刂圃谘h(huán)流化床鍋爐床溫系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常重要的實(shí)際意義。 本文針對某ALSTOM 300MW CFB 鍋爐床溫對象，設(shè)計(jì)了床溫內(nèi)模PID 控制系統(tǒng)，給出了設(shè)計(jì)思路和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 并對上述系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果顯示了該策略的優(yōu)越性能。

1 床溫控制系統(tǒng)特性

維持正常的運(yùn)行床溫是循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，影響床溫的各種因素中，主要因素是給煤量與一二次風(fēng)量的配比，大部分循環(huán)流化床鍋爐是通過調(diào)節(jié)給煤量與一次風(fēng)量來調(diào)節(jié)床溫。床溫對一次風(fēng)量的變化反應(yīng)迅速，但是受到最小流化風(fēng)速的限制，一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍不大，另外一次風(fēng)的調(diào)節(jié)會(huì)影響到燃燒效率，所以一次風(fēng)不宜頻繁調(diào)整，只是危急情況之下才能采取的有效非常規(guī)操作。 給煤量才是床溫的最終決定因素。

忽略其它因素，可以把給煤量—床溫控制系統(tǒng)看做一個(gè)單回路系統(tǒng)，把床溫看成被控對象，給煤量當(dāng)做調(diào)節(jié)量。其控制系統(tǒng)原理框圖如下圖1 所示：

圖1 床溫控制系統(tǒng)原理圖

不同的床溫帶負(fù)荷的能力不同，結(jié)合不同負(fù)荷的需要，床溫的設(shè)定值由負(fù)荷的函數(shù)形式給出，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，ALSTOM 300MW CFB 鍋爐，左側(cè)褲衩腿密相區(qū)，在60%負(fù)荷時(shí)，燃料量與床溫的辨識結(jié)果是：

2 床溫的IMC-PID 控制

2.1 內(nèi)?？刂评碚?/h3>

1982 年，Garcia 和Morari 提出了具有模型、控制、反饋環(huán)節(jié)的內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)。 其控制結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。 其中，GM為內(nèi)部模型，GIMC為控制器，Gp為被控對象，r（s）為參考軌跡。 IMC 包括四部分：①內(nèi)部模型；②濾波器；③控制器；④參考軌跡。在這種結(jié)構(gòu)中，控制器的輸出既輸出到控制對象，也送到內(nèi)部模型，系統(tǒng)的實(shí)際輸出與內(nèi)部模型的輸出之差經(jīng)過反饋回路與設(shè)定值綜合后作為控制器的輸入。內(nèi)?？刂凭哂懈櫿{(diào)節(jié)性能好、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖2 內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)

2.2 IMC-PID 控制器的設(shè)計(jì)方法

（1）很據(jù)公式nT+τ=n1T1，對控制對象模型進(jìn)行一階近似，本模型中n＝2，T＝224.18，τ＝86，n1＝1，求得T1＝534.36。

（2）對純滯后時(shí)間使用一階Pade 近似

（3）分解出可逆和不可逆部分

Gm+（s）=（－43s＋1）， 所以理想控制為：

將分子項(xiàng)展開，

選PID 控制器的傳遞函數(shù)形式為：

根據(jù)以上兩式得到：

圖3 IMC-PID 控制simulink 仿真

根據(jù)仿真出的曲線，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在震蕩，穩(wěn)定性并不好。通過調(diào)整控制器參數(shù)，改變Kp，進(jìn)行調(diào)試，仿真曲線圖如圖4 所示。

圖4 IMC-PID 控制效果對比圖

通過上圖4，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Kp逐漸減小時(shí)，系統(tǒng)變得越穩(wěn)定，即當(dāng)比例帶適當(dāng)增大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加。

下面將IMC-PID 控制器的控制效果與常規(guī)PID 控制器的控制效果進(jìn)行比較。 前面已經(jīng)將對象近似成一階系統(tǒng)，根據(jù)Z-N 整定方法，得到PID 控制器的參數(shù)。 選取控制器結(jié)構(gòu)為：

根據(jù)調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的公式：

δ=0.85ετ

Ti=2.0τ

Td=0.5τ

求得δ=1.88，Ti=172，Td=43，將數(shù)值代入后，用simulink 進(jìn)行仿真，并將常規(guī)PID 控制器與IMC-PID 方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較， 仿真曲線如下圖5 所示：

圖5 IMC-PID 與常規(guī)PID 方法比較曲線

從以上仿真曲線可以很容易的看出：基于內(nèi)模原理整定的PID 控制器響應(yīng)迅速，基本無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)無差，具有較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，送給執(zhí)行器的信號無大幅度振蕩， 而采用一般的PID 控制器有較大的超調(diào)量，并且調(diào)節(jié)時(shí)間過長。

3 結(jié)論

本文基于內(nèi)?？刂评碚摚匝h(huán)流化床鍋爐燃料量—床溫控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)， 以simulink 為仿真平臺， 對控制系統(tǒng)進(jìn)行了IMCPID 控制的仿真，將結(jié)果與常規(guī)PID 控制進(jìn)行對比，并對系統(tǒng)的魯棒性進(jìn)行了驗(yàn)證。 通過一系列的仿真曲線，得出基于內(nèi)模原理的PID 控制器具有更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。

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