循环流化床锅炉床温系统IMC-PID控制与仿真

赵潇明 黄佳佳

（华北电力大学 自动化系，河北 保定071000）

0 引言

作为最重要的清洁煤燃烧技术之一的流化床燃煤技术，是一种介于层燃和煤粉气力输送之间的燃烧方式。 循环流化床锅炉（又称CFB锅炉） 与煤粉炉在控制上的主要不同之处在于燃烧室内的床温控制，床温是表征锅炉能否连续安全运行的主要参数，同时也直接影响锅炉运行中的锅炉效率、 脱硫效率及NOx 的生产量。 床温的影响因素很多，燃料量、一二次风的比例、一次风量、石灰石量、排渣量和烟气再循环量都影响床温。因此，难以建立精确的数学模型，即使能够建立起数学模型，也是不完善的，其结构往往十分复杂，难以设计并实现有效控制，常规的PID 控制已经不能完全满足床温控制品质的要求。

近年来内模控制(Internal Model Control,IMC)引起了控制界的很大关注。内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。 由于其具有设计简单、控制性能好和在系统分析方面的优越性，内模控制不仅是一种实用的先进控制算法，而且是研究预测控制等基于模型的控制策略的重要理论基础，以及提高常规PID 控制系统设计水平的有力工具。因此研究内模控制在循环流化床锅炉床温系统中的应用具有非常重要的实际意义。 本文针对某ALSTOM 300MW CFB 锅炉床温对象，设计了床温内模PID 控制系统，给出了设计思路和控制系统的结构。 并对上述系统进行了仿真实验，仿真结果显示了该策略的优越性能。

1 床温控制系统特性

维持正常的运行床温是循环流化床锅炉稳定运行的关键，影响床温的各种因素中，主要因素是给煤量与一二次风量的配比，大部分循环流化床锅炉是通过调节给煤量与一次风量来调节床温。床温对一次风量的变化反应迅速，但是受到最小流化风速的限制，一次风量的调节范围不大，另外一次风的调节会影响到燃烧效率，所以一次风不宜频繁调整，只是危急情况之下才能采取的有效非常规操作。 给煤量才是床温的最终决定因素。

忽略其它因素，可以把给煤量—床温控制系统看做一个单回路系统，把床温看成被控对象，给煤量当做调节量。其控制系统原理框图如下图1 所示：

图1 床温控制系统原理图

不同的床温带负荷的能力不同，结合不同负荷的需要，床温的设定值由负荷的函数形式给出，根据文献[1]，ALSTOM 300MW CFB 锅炉，左侧裤衩腿密相区，在60%负荷时，燃料量与床温的辨识结果是：

2 床温的IMC-PID 控制

2.1 内模控制理论

1982 年，Garcia 和Morari 提出了具有模型、控制、反馈环节的内模控制结构。 其控制结构如下图2 所示。 其中，GM为内部模型，GIMC为控制器，Gp为被控对象，r（s）为参考轨迹。 IMC 包括四部分：①内部模型；②滤波器；③控制器；④参考轨迹。在这种结构中，控制器的输出既输出到控制对象，也送到内部模型，系统的实际输出与内部模型的输出之差经过反馈回路与设定值综合后作为控制器的输入。内模控制具有跟踪调节性能好、抗干扰强等特点。

图2 内模控制结构

2.2 IMC-PID 控制器的设计方法

（1）很据公式nT+τ=n1T1，对控制对象模型进行一阶近似，本模型中n＝2，T＝224.18，τ＝86，n1＝1，求得T1＝534.36。

（2）对纯滞后时间使用一阶Pade 近似

（3）分解出可逆和不可逆部分

Gm+（s）=（－43s＋1）， 所以理想控制为：

将分子项展开，

选PID 控制器的传递函数形式为：

根据以上两式得到：

图3 IMC-PID 控制simulink 仿真

根据仿真出的曲线，发现系统存在震荡，稳定性并不好。通过调整控制器参数，改变Kp，进行调试，仿真曲线图如图4 所示。

图4 IMC-PID 控制效果对比图

通过上图4，可以发现，当Kp逐渐减小时，系统变得越稳定，即当比例带适当增大时，系统的稳定性增加。

下面将IMC-PID 控制器的控制效果与常规PID 控制器的控制效果进行比较。 前面已经将对象近似成一阶系统，根据Z-N 整定方法，得到PID 控制器的参数。 选取控制器结构为：

根据调节器整定参数的公式：

δ=0.85ετ

Ti=2.0τ

Td=0.5τ

求得δ=1.88，Ti=172，Td=43，将数值代入后，用simulink 进行仿真，并将常规PID 控制器与IMC-PID 方法的仿真结果进行比较， 仿真曲线如下图5 所示：

图5 IMC-PID 与常规PID 方法比较曲线

从以上仿真曲线可以很容易的看出：基于内模原理整定的PID 控制器响应迅速，基本无超调，稳态无差，具有较好的调节品质，送给执行器的信号无大幅度振荡， 而采用一般的PID 控制器有较大的超调量，并且调节时间过长。

3 结论

本文基于内模控制理论，以循环流化床锅炉燃料量—床温控制系统的模型为基础， 以simulink 为仿真平台， 对控制系统进行了IMCPID 控制的仿真，将结果与常规PID 控制进行对比，并对系统的鲁棒性进行了验证。 通过一系列的仿真曲线，得出基于内模原理的PID 控制器具有更好的调节品质，在控制系统结构发生变化的情况下，系统具有很强的抗干扰能力和鲁棒性。

［1］孙剑.大型循环流化床锅炉燃烧系统特性与建模研究[D].保定:华北电力大学,2010.

［2］王东风,王剑东.基于内模原理的PID 控制器参数整定[J].华北电力大学学报，2003,(4):42-46.

［3］金以慧.过程控制[M].清华大学出版社,1993.

［4］王勤辉.循环流化床锅炉总体数学模型及性能试验[D].杭州:浙江大学,1997.

［5］李国勇.智能预测控制及其MATLAB 实现[M].电子工业出版社,2010.

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