循環流化床鍋爐床溫系統IMC-PID控制與仿真

趙瀟明 黃佳佳

（華北電力大學 自動化系，河北 保定071000）

0 引言

作為最重要的清潔煤燃燒技術之一的流化床燃煤技術，是一種介于層燃和煤粉氣力輸送之間的燃燒方式。 循環流化床鍋爐（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的床溫控制，床溫是表征鍋爐能否連續安全運行的主要參數，同時也直接影響鍋爐運行中的鍋爐效率、 脫硫效率及NOx 的生產量。 床溫的影響因素很多，燃料量、一二次風的比例、一次風量、石灰石量、排渣量和煙氣再循環量都影響床溫。因此，難以建立精確的數學模型，即使能夠建立起數學模型，也是不完善的，其結構往往十分復雜，難以設計并實現有效控制，常規的PID 控制已經不能完全滿足床溫控制品質的要求。

近年來內模控制(Internal Model Control,IMC)引起了控制界的很大關注。內模控制是一種基于過程數學模型進行控制器設計的新型控制策略。 由于其具有設計簡單、控制性能好和在系統分析方面的優越性，內模控制不僅是一種實用的先進控制算法，而且是研究預測控制等基于模型的控制策略的重要理論基礎，以及提高常規PID 控制系統設計水平的有力工具。因此研究內模控制在循環流化床鍋爐床溫系統中的應用具有非常重要的實際意義。 本文針對某ALSTOM 300MW CFB 鍋爐床溫對象，設計了床溫內模PID 控制系統，給出了設計思路和控制系統的結構。 并對上述系統進行了仿真實驗，仿真結果顯示了該策略的優越性能。

1 床溫控制系統特性

維持正常的運行床溫是循環流化床鍋爐穩定運行的關鍵，影響床溫的各種因素中，主要因素是給煤量與一二次風量的配比，大部分循環流化床鍋爐是通過調節給煤量與一次風量來調節床溫。床溫對一次風量的變化反應迅速，但是受到最小流化風速的限制，一次風量的調節范圍不大，另外一次風的調節會影響到燃燒效率，所以一次風不宜頻繁調整，只是危急情況之下才能采取的有效非常規操作。 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—床溫控制系統看做一個單回路系統，把床溫看成被控對象，給煤量當做調節量。其控制系統原理框圖如下圖1 所示：

圖1 床溫控制系統原理圖

不同的床溫帶負荷的能力不同，結合不同負荷的需要，床溫的設定值由負荷的函數形式給出，根據文獻[1]，ALSTOM 300MW CFB 鍋爐，左側褲衩腿密相區，在60%負荷時，燃料量與床溫的辨識結果是：

2 床溫的IMC-PID 控制

2.1 內模控制理論

1982 年，Garcia 和Morari 提出了具有模型、控制、反饋環節的內模控制結構。 其控制結構如下圖2 所示。 其中，GM為內部模型，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內部模型；②濾波器；③控制器；④參考軌跡。在這種結構中，控制器的輸出既輸出到控制對象，也送到內部模型，系統的實際輸出與內部模型的輸出之差經過反饋回路與設定值綜合后作為控制器的輸入。內模控制具有跟蹤調節性能好、抗干擾強等特點。

圖2 內模控制結構

2.2 IMC-PID 控制器的設計方法

（1）很據公式nT+τ=n1T1，對控制對象模型進行一階近似，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：

將分子項展開，

選PID 控制器的傳遞函數形式為：

根據以上兩式得到：

圖3 IMC-PID 控制simulink 仿真

根據仿真出的曲線，發現系統存在震蕩，穩定性并不好。通過調整控制器參數，改變Kp，進行調試，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，可以發現，當Kp逐漸減小時，系統變得越穩定，即當比例帶適當增大時，系統的穩定性增加。

下面將IMC-PID 控制器的控制效果與常規PID 控制器的控制效果進行比較。 前面已經將對象近似成一階系統，根據Z-N 整定方法，得到PID 控制器的參數。 選取控制器結構為：

根據調節器整定參數的公式：

δ=0.85ετ

Ti=2.0τ

Td=0.5τ

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

圖5 IMC-PID 與常規PID 方法比較曲線

從以上仿真曲線可以很容易的看出：基于內模原理整定的PID 控制器響應迅速，基本無超調，穩態無差，具有較好的調節品質，送給執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量，并且調節時間過長。

3 結論

本文基于內模控制理論，以循環流化床鍋爐燃料量—床溫控制系統的模型為基礎， 以simulink 為仿真平臺， 對控制系統進行了IMCPID 控制的仿真，將結果與常規PID 控制進行對比，并對系統的魯棒性進行了驗證。 通過一系列的仿真曲線，得出基于內模原理的PID 控制器具有更好的調節品質，在控制系統結構發生變化的情況下，系統具有很強的抗干擾能力和魯棒性。

［1］孫劍.大型循環流化床鍋爐燃燒系統特性與建模研究[D].保定:華北電力大學,2010.

［2］王東風,王劍東.基于內模原理的PID 控制器參數整定[J].華北電力大學學報，2003,(4):42-46.

［3］金以慧.過程控制[M].清華大學出版社,1993.

［4］王勤輝.循環流化床鍋爐總體數學模型及性能試驗[D].杭州:浙江大學,1997.

［5］李國勇.智能預測控制及其MATLAB 實現[M].電子工業出版社,2010.

［6］JohnsonM A,MoradiM H.PID Controller Design[M].London:Springer Verlag,2003.