锅炉是加热水产生水蒸气的动力设备。它的工作原理是用燃烧煤、石油或气体等燃料产生热能，通过传热设备，使水在到达一定的温度后转化为蒸汽，再将蒸汽最后转换成机械能等，被广泛应用于工业和生活领域中。

锅炉的燃烧系统是一种输入和输出都很复杂的系统[1]，而燃烧是其中的核心环节，燃烧过程直接影响设备节能、环境污染、工人安全等问题[2] ，因此提升燃烧过程的可控性尤为重要，可减少安全隐患、降低成本等。此外，锅炉燃烧过程的控制易出现大时滞、变参数、非线性等问题，因而，技术上要求尽可能减少此类问题的发生，从而提高控制系统稳定性和良好的响应速度。

他们中间有大老李的妻子，这个女人已经不怎么哭，她的精神似乎有些问题。她的手上拿着那只大老李平时爱偷偷抽吸的烟斗，声音沙哑地说：给你，你拿去吧。然后，去她的小儿子头上敲几下。

本文提出利用临界比例度法得到新模型下的经典PID的参数，利用MATLAB/Simulink[3]对燃气锅炉燃烧控制系统进行仿真，通过仿真结果进行性能分析，为基于经典PID控制的燃气锅炉燃烧控制系统的分析、评估研究提供有效途径。

1 燃气锅炉燃烧控制系统

蒸汽压力是燃烧控制系统输出量，也是最终被控量，它还是燃料空气比值控制系统的设定值，所以蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系的重要指标。蒸汽压力调节器把偏差值作为控制输入，它对差值信号进行处理和变换，燃料和空气流量调节器调节燃料和空气的比例，使得燃料放热发生变化，使得偏差变小，从而达到实时跟踪给定的目的。图1为燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统结构简图，图2为蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统框图。

根据表1，可知PI控制器整定时，比例放大系统Kp=1.11,积分时间常数Ti=0.015 5,仿真结果如图5所示，超调量为29.7%，调节时间为196.3 s。

  

图1 蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统结构简图

  

图2 蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统框图

2 燃气锅炉燃烧控制系统的仿真

2.1 控制系统的数学模型

由于根据经验公式进行PID参数值整定得出各项指标都不能令人满意，超调量和调节时间都不是最佳值。

在将燃气量由0快速升为20%负荷，得到燃烧系统的近似模型为：

 

(1)

式中，K0为锅炉正常运行时控制对象的增益，T为系统输入的延迟时间，T1/T2为系统的时间常数。

在将燃气量由0快速升为100%满负荷，得到燃烧系统的近似模型为：

式中，α为侧压力系数，α=σθ/σr，α的取值大小与内摩擦角φ有关，即，当φ=φ0时，对应固体弹性状态；φ0为固体内摩擦角，是常数。当φ → 0时，对应流体动力学状态；ν为泊松数。若对上述3种变形状态补以塑性条件： 以及体积压缩关系p=Kε(1+ε)，ε≪1，则可以描述强压缩状态下，岩石介质的内摩擦作用机理。其中，为平均静水压力；τs为岩石介质的屈服强度；τ0为黏结强度；τp为压力趋向无穷大时的屈服强度极限；μs为摩擦系数；K为体积压缩模量；为体积压缩的非线性系数，当=0时，对应线弹性压缩关系，当=1时，对应弱非线性关系。

 

(2)

燃气锅炉入口燃气量与出口蒸汽压力关系的动态特性近似一个二阶延迟系统，燃烧系统的模型为：

Kp=2.45时出现等幅振荡，此时的Tk=77.11,等幅振荡曲线如图3所示。

 

(3)

2.2 控制系统控制器的参数整定

 

表1 临界比例度法整定控制器参数的经验算式表

  

控制器类型比例度δ/%积分时间Ti/s微分时间Td/sP2δK¥0PI2.2δK0.833TK0PID1.7δK0.50TK0.125TK

根据表1，可知P控制整定时，比例放大系统Kp=1.225,仿真结果如图4所示,超调量为1.5%，调节时间为0.726 4 s。

数据表搭建有：机井信息表、监控历史记录表、配水方案表、机井实时数据表、配水项目表、配水结构表，具体关系见图2。

利用临界比例度法整定燃气量20%负荷燃烧控制系统PID控制器的参数，仿真图见图3、图4、图5以及图6，在仿真图中调整完善后得最终参数正定结果见表2。

目前，国能已有38个项目并网发电，累计装机容量990MW，占全国总投产项目规模的18%左右，居全国第二位。在建项目5个，装机容量150MW，储备项目10个，装机容量300MW。国能秸秆电厂主要布置在中部和北部地区，分布在山东省、吉林省、河北省、河南省、黑龙江省、安徽省等地[24-25]。

TL：Chinese Proverb-an outwardly attractive but worthless person

根据表1，可知PID控制器整定时，比例放大系统Kp=1.441,积分时间常数Ti=38.555,微分时间Td=9.639, 仿真结果如图6所示，超调量为38.4%，调节时间为156.2 s。

  

图3 系统等幅振荡曲线

  

图4 系统P调节时的仿真曲线

  

图5 系统PI调节时的仿真曲线

  

图6 系统PID调节时的仿真曲线

 

表2 控制器参数整定结果

  

控制器类型比例度δ/%积分时间Ti/s微分时间Td/sP2.45¥0PI1.1164.2320PID1.44138.5559.639

根据文献[4-6]所确定的锅炉数学模型有：

现经过PID参数二次整定得：比例放大系统Kp=1.45,积分时间常数Ti=27.027,微分时间Td=13, 仿真结果如图6所示，超调量为49%，调节时间为133.4 s。

同理，利用临界比例度法整定燃气量100%负荷燃烧控制系统PID控制器的参数，经过PID参数二次整定得：比例放大系统Kp=1.29,积分时间常数Ti=29.412,微分时间Td=8, 仿真结果如图8所示，超调量为53.8%，调节时间为95.53 s。

丁振军强调“一个好汉三个帮”，面对复合肥市场困境，肥料企业必须紧密结合一些与市场共进退的合作伙伴。同时，农化是营销工作的一部分，细致的农化服务同样也是至关重要。“做任何肥料首先都要在科学逻辑上行得通，其次要拿出去试试，大家觉得有效果，再通过各种方式推广。”丁振军说，“我们也将持续进行田间试验示范。”

  

图7 PID参数二次整定系统的PID调节时的仿真曲线

  

图8 PID参数二次整定系统的PID调节时的仿真曲线

 

表3 控制器参数整定结果

  

控制器类型比例度δ/%积分时间Ti/s微分时间Td/sP2.15¥0PI0.97760.7250PID1.26536.459.115

2.3 控制系统的仿真模型

利用以上PID控制器参数，建立了燃烧系统的仿真模型如图9和图10所示。

2.4 控制系统的仿真结果

在MATLAB/Simulink中建立燃烧系统控制系统燃气量的100%负荷量与20%负荷量仿真结果如图10。仿真结果显示统燃气量是100%负荷量与20%负荷量的PID参数最佳，系统稳定程度和响应速度都比较好，但燃气流量不同，燃烧系统的模型不同，PID控制器的最佳参数值也不同。

  

图9 燃气量20%与100%负荷燃烧系统仿真框图

  

图10 燃烧控制系统仿真结果

3 结论

通过对燃烧控制系统的分析，建立了燃烧控制系统的数学模型。通过仿真软件MATLAB/Simulink利用了临界比例度法整定了PID控制器的参数，并建立了燃烧过程控制系统的仿真模型。对于锅炉这种大惯性和大时滞的非线性、时变系统，传统PID控制往往达不到非常满意的控制效果，对于这类系统建议可以引入智能PID控制器，实现PID参数实时在线调整。

参考文献

[1] 董文波.基于神经网络的锅炉蒸汽温度控制系统[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2014.

[2] 岑可法，周昊.池作和大型电站锅炉安全及优化运行技术[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3] 郭阳宽，王正林. 过程控制工程及仿真-基于MATLAB/Simulink[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 杨长亮.基于模糊PID控制的燃气热水锅炉燃烧控制系统的研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[5] 张克良.基于模糊神经网络的锅炉燃烧系统控制方法的研究[D].天津：天津大学，2004.

[6] 谷洋洋.基于智能PID控制的燃气锅炉燃烧控制系统研究[D].北京：中国船舰研究院，2014.

[7] 何国荣，纪娜.基于临界比例度法的PID控制器参数整定方法研究[J].杨凌职业技术学院学报，2008,7(2)：11-14.

[8] 邱丽，曾贵娥，朱学峰，等.几种PID控制器参数整定方法的比较研究[J].自动化技术与应用，2005，24(11)：28-31.