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河北工业大学 硕士学位论文 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 姓名陈冀川 申请学位级别硕士 专业电力系统及其自动化 指导教师张福民 20071201 i 燃煤锅炉计算机监控系统的开发燃煤锅炉计算机监控系统的开发 摘摘 要要 在火电厂、城市供暖和其他一些需要热动力的场合中，锅炉都扮演着重要的角色。为 了保证锅炉安全、环保、经济地运行，需要对其进行精确的实时控制。本文针对电厂燃煤 链条锅炉计算机监控项目，设计了基于 IPC-PLC 分布式 I/O 的三级锅炉智能监控系统，包 括现场控制系统、上位计算机监控系统及其控制算法，并分别介绍了各个系统的硬件配置 及各个功能的软件架构。 该系统的现场控制采用 SIEMENS 公司的 S7-300 系列 PLC 和分布式 I/O ET200M。PLC 和 ET200M 构成 PROFIBUS-DP 二级总线控制系统。使用 STEP7 编程软件进行编程和组态。 运用 STL 和 LAD 两种编程语言编制了现场控制系统的软件部分，实现了锅炉程控启炉、程 控停炉、连锁保护、水温、水压及燃烧等自动控制。 上位机选用的是性能稳定、抗干扰性能好的工控机。同样采用了 SIEMENS 公司的工控 组态软件 WinCC 对上位机的人机界面进行设计和组态，来实现各种现场采集数据的实时监 控、显示和记录。 针对电厂燃煤链条锅炉研发的智能控制算法主要包括锅炉出水温度模糊控制算法、 锅炉燃烧热效率实时监控算法、风煤比自寻优控制算法等三部分。控制算法利用 WinCC 的 全局脚本编程实现，产生的控制参数由 PLC 执行。利用炉膛负压控制、锅炉出水压力控制 和恒压补水控制等传统的常规控制确保锅炉安全运行，结合计算机智能控制，从而实现了 锅炉的安全，经济、环保地运行。 在整个系统中，常规的控制及计算机智能控制均由 PLC 和分布式 I/O 来实现；人机界 面、工艺流程及设备状态的监视、智能控制算法和管理功能等则由上位工控机来实现。整 个系统 IPC 和 PLC 紧密结合，发挥各个设备自身的优势，满足了工艺控制要求，还提高了 锅炉自动化程度。 关键词关键词PLC，IPC，工业以太网，现场总线，锅炉控制，智能控制 THE DEVLOPMENT WITH THE COMPUTER MONITORING AND CONTROL SYSTEM OF COAL BOILER ABSTRACT The boiler is a kind of important equipments in coal-burning power plants and heating of city .For the sake of safety, environmental protection, economy, the boiler must be real-time controlled exactly. A intelligent boiler control system, based on IPC-PLC-distributed I/O, has been designed for coal boiler. The system includes field control system, computer supervision system, control algorithm. This paper introduces the hardware configuration of systems and the software achievement of functions. The field control system is composed by the PROFIBUS-DP fieldbus control system with the SIEMENS S7-300 PLC and the ET200M distributed I/O. The system is programmed by STEP 7.Programmed with STL and LAD, the software part of field control system makes the auto-control available, including program start and stop, catenation protect, PID control, burning control etc. The industrial personal computer IPC, with high stabilization and anti-jamming perance, has been selected as upper computer. The Human Machine Interface HMI has been designed by SIEMENS WinCC to supervise, log and control the real time data. The intelligent control algorithm, designed for the chain-grate coal boiler, is made of the Fuzzy control algorithm for the temperature of water effused from the boiler, the boiler thermal efficiency online control algorithm and the air-coal ratio self-adaptive and online automatic control algorithm. The intelligent control algorithm is programmed by the Global Script of WinCC and cuted by the PLC. With the intelligent control algorithm and other control algorithms, pressure control algorithm of the hearth, pressure control algorithm of the water out of the boiler and isobaric water-supplied control algorithm, the goal that the operation of the boiler is safe, economical and environment protection, is available. In the boiler control system, the regular controls and computer intelligent control are all iii cuted by PLC and distributed I/O, the human-computer interface, technological flow, equipment conditions surveillance, advanced intelligent algorithm, management and so on are all achieved by IPC. The entire system not only make full use of the advantages of the each equipment, satisfy all requirements of the technical control, but also improve the Automation standards of the boiler. Key words PLC, IPC, industrial Ethernet, fieldbus, Boiler control, intelligence control 原创性声明原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容按照学校 要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服 务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版； 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 日期 年 月 日 导 师 签 名 日期 年 月 日 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 前言前言 1-1 国内外燃煤锅炉自动控制技术研究现状及存在的问题国内外燃煤锅炉自动控制技术研究现状及存在的问题 在火电厂、 城市供暖和其他一些需要热动力的场合中所使用的各型锅炉在启停和运行的过程中都需 要精确的实时控制[1]。目前大多数锅炉的控制用手动来完成，一定要有专人职守，自动化程度不高。众 多的燃煤锅炉煤炭的不完全燃烧，不但造成能源浪费，而且还是城市的主要空气污染源。随着集中供热 和锅炉改造的广泛推行， 对锅炉的控制要求也不断提高， 常规仪表已经不能适应节能降耗和提高管理水 平的要求，因此计算机控制技术在锅炉上的应用得以迅速普及。目前新建的 10t/h 以上的锅炉一般均提 出了计算机监控的要求， 对原有用常规仪表监控的老锅炉也有越来越多的用户提出用计算机替代常规仪 表的改造任务[2]。随着对锅炉智能控制研究的不断深入，现在计算机监控系统不仅能替代传统的常规仪 表监控系统， 而且能够使锅炉更加安全地生产， 更加节能更加环保地运行， 并能大幅提高整体管理水平。 带有供热负荷的燃煤锅炉的动态特性具有惯性大、 滞后时间长和受不确定因素影响等特点， 因此它 是一个大时滞、多变量、慢时变的非线性被控对象，其系统的数学模型很难得到[3]。国内外很多锅炉控 制专家学者对锅炉控制系统的建模进行了大量研究， 但仍没有合适的模型能够用于实际控制， 使传统的 自动控制理论或现代控制理论很难适应实际的控制需要。在锅炉运行中，燃烧不充分、跑烟等现象时常 发生[4]。 另外燃煤锅炉计算机控制的核心问题是提高锅炉的燃烧效率。 目前国内广泛应用的燃煤锅炉大量存 在热效率低的问题，而锅炉燃烧的低效率不但影响设备的充分利用，还造成了极大的浪费[30]。在实际 生产中要使燃料充分燃烧达到最高的热效率，就要把空气与燃料做最适当的混合，即最佳风煤比。在传 统的控制风煤比的过程中一般采用三种方法 烟气含氧量校正法、 固定风煤比法以及两者相结合的控制 方法。但三者都存在不同程度的问题 ⑴ 采用烟气含氧量校正的控制方法 [5] [6][7] ① 锅炉的漏风现象直接影响烟气含氧量测量的准确度，尤其是顶部漏风影响更大。 ② 氧量信号延迟较大，它在燃烧进行后要经过很长时间才能反映出来，这时再去调整送风为时已 晚。 ③ 氧量最佳不一定燃烧最好。 ④ 氧化锆氧量计的使用成本太高，如果损坏用户一般不愿更换。 ⑤ 不能够适应煤质的变化和负荷的大幅变化。 ⑵ 采用固定风煤比的控制方法[8] 虽然保持给煤量与鼓风量成固定比例关系的控制方法简单易行， 但需要准确地测量燃料量、 燃料中 的可燃物和风量， 可是燃料量及发热量信号又是很难测量的， 所以此种方法也不能保证锅炉有很高的热 效率。另外，这种方法不具备判断实际风煤比是否合理的能力，更不能对其进行动态的修正，加之煤种 的多样性和成分的不稳定性， 都直接影响锅炉达到燃烧的最佳状态， 所以保持给煤量与鼓风量成固定比 例的控制方式不能始终确保锅炉燃烧过程的最佳性和经济性。 ⑶ 将上述两种方法相结合的控制方法 如果将两种方法结合起来，即把烟气含氧量作为比值控制方式下对送风调节回路的反馈校正环节， 虽然能在一定程度上解决固定风煤比控制的不足，但是却不能克服烟气含氧量测量过程中的各种缺点。 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 2 而且氧气测量的波动性大，滞后时间长等特点根本不利于反馈控制[9]。所以，这种方法也不能从根本上 解决锅炉燃烧控制过程中存在的问题。 综上所述，传统的控制系统及控制方法已不能适应锅炉安全、经济、环保运行的要求，需要寻找一 种新的控制系统、 理论以及方法来取代传统的控制系统和方法以保证锅炉运行的高效率， 实现锅炉的安 全、经济、环保地运行。 1-2 本课题研究的意义本课题研究的意义 目前， 随着计算机控制技术在锅炉上应用的迅速普及和对锅炉智能控制的深入研究， 不仅计算机控 制能代替常规仪表进行监控，而且能够使锅炉更安全、更节能、更环保地运行。计算机的智能监控系统 的运用，还能大幅度提高整体的管理水平和企业的经济效益。 另一方面，燃煤锅炉计算机控制的核心问题是提高燃烧自控系统的控制质量，包括给煤、鼓风、引 风的适应能力问题和寻找最佳风煤比问题等。对于计算机监控系统中的数据采样、显示、贮存、报表打 印记录、参数报警等问题目前都已解决，并在实际应用中基本满足了用户的要求[2]。而燃烧自动控制系 统的控制质量在实际应用中仍存在很大的差异。 燃烧自动控制系统是一个多变量多输入的复杂系统， 风 煤比只有随负荷、煤质等因素的变化而变化，燃烧效果才能始终保持在最佳状态，因此传统的控制方法 已经不能适应这种复杂控制系统的要求，必须寻求更先进的控制算法[2]。应用“模糊控制” 、 “自适应” 、 “效率自寻优”等先进控制算法可以大大改善锅炉的燃烧工况，达到经济燃烧、环保运行的目的。 1-3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 1-3-1 基本控制要求 1-3-1 基本控制要求 ① 出水温度、炉膛负压、循环定压及补水压力控制满足工艺要求的精度。 ② 所有给煤机、鼓风机、引风机、循环泵、补水泵均采用变频控制； ③ 监控系统的开关量和模拟量控制均要有完善的后备安全措施； ④ 具备完善的安全报警机制和联锁停炉控制功能； ⑤ 下位机 PLC 要实现常规 PID 控制、顺序控制、开关动作联锁，及完善的水、煤、电等累积功能； 上位机监控软件实现工艺流程图及运行参数的设置、显示；数据查询、报表、报警等功能。 1-3-2 需要解决的主要技术问题 1-3-2 需要解决的主要技术问题 ① 组建计算机控制网，实现对燃煤锅炉的远程监控和管理。 ② 改进的智能控制算法，提高对燃煤锅炉这一大时滞、多变量、慢时变的非线性被控对象的控制 效果。 ③ 改进风煤比控制算法，实现实时“自适应” 、 “自寻优”调整，提高锅炉燃煤效率，使其能够经 济、环保地运行。 河北工业大学硕士学位论文 3 第二章第二章 燃煤锅炉控制系统总体设计燃煤锅炉控制系统总体设计 2-1 自动控制系统的发展历程自动控制系统的发展历程 控制科学与技术在 20 世纪的人类科技进步中起到了举足轻重的作用，为了解决当今社会的许多挑 战性问题产生了积极的影响，提供了科学的思想方法论；为许多产业领域实现自动化奠定了理论基础， 提供了先进的生产技术和先进的控制仪器及装备。 特别是数字计算机的广泛使用， 为控制科学与技术开 辟了更广泛的应用领域。自动控制理论和应用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段。 从 40 年代到 50 年代是经典控制理论阶段。 经典控制理论以拉氏变换为数学工具， 以单输入－单输 出的线性定常系统为主要的研究对象。 将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中， 得到系统的 传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。通常是采用 反馈控制，构成所谓闭环控制系统。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时变 系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控 制理论就显得无能为力了。 60 年代是第二阶段，现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成就。现代控制理论以状态空间 分析方法为基础， 包括最小二乘法为基础的系统辨识、 以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制 和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计三部分内容。 现代控制理论对控制系统进行综合和分析时， 深入 揭示系统内在规律性，从局部简单控制进入一定意义下的全局最优控制。 到 70 年代，自动控制理论及其应用技术的发展进入第三个阶段。这一阶段由于计算机的功能和可 靠性大大提高，而价格却不断下降，尤其是工业用控制机IPC，在采用冗余技术，软硬件自诊断功能 等措施后， 其可靠性已提高到基本满足工业控制的需要。 另外大系统理论和智能控制理论也在这一阶段 形成。针对工业生产规模大，被控对象参数和控制回路多的特点，工业上所用计算机控制系统应该具有 高度可靠性和灵活性，为了满足这些要求，工业控制出现了集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形 显示技术于一体的集散型控制系统DCS。集散型控制系统的特点是集中监视、操作、管理和分散控制 检测相结合， 即在中心控制室内可对整个工况进行监视并发布调度命令， 各工序则采用独立自控的原理 进行系统配置和运行。 应用集散型控制系统代替常规仪表实现生产过程中运行参数的在线检测， 实施诊 断与报警，显示设备运行状况，分析参数的变化趋势，及时发现和预报异常运行情况，并记录运行的状 态和过程，使操作人员直观、方便地管理生产的全过程。DCS 集散型控制系统在生产过程自动化上的 应用日益广泛。 DCS 一般由控制管理计算机简称上位机系统、过程控制计算机简称下位机系统和上下位机之间 的数据通讯系统组成。 ⑴ 上位机系统高级操作站和基本操作站完成与操作人员进行信息交互，以屏幕窗口或文件表格 的形式提供人与过程的界面以及人与系统的界面。 根据用户的需要， 可以按生产过程分段设置若干个基 本操作站。 ⑵ 下位机系统现场控制站是控制系统的核心，系统中的控制和全部数据采集、处理等均由控制 器承担。现在多采用各种智能数字调节器和可编程序控制器PLC。 ⑶ DCS 控制系统中，一般采用局部网络来通讯，大多属于按各制造厂自身的通讯协议工作。 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 4 目前，世界上有名的 DCS 厂家就有上百家。各厂家自己的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能 力，但不同厂家软、硬件产品不能互换，通讯方面大多仍属于按各制造厂自身的通讯协议工作，影响了 综合自动化系统的完整性与可靠性，开放性和可扩充性都较差[10]。在这样的情况下，产生了现场总线， 为现场设备接口的智能化、网络化、标准化、低成本提供了机遇。 在现场智能仪表和控制室之间通过一种全数字化、 双向、 多站的通信网络连接成现场总线控制系统 FCS。FCS 具有开放性、分散性、数字通讯，比以前的控制系统具有更多优点，自出现以来发展十分 迅速，大有取代 DCS 之势。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支 结构的通信网络，主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信及这些 现场控制设备与高级控制系统间的信息传递问题。当前的各种现场控制站，尤其是 PLC 都增加了较强 的联网通信能力。现场总线网可以采用廉价的双绞线为传输介质，将作为主节点的现场控制站，与作为 从节点的数十个数字调节器、PLC 或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台 PLC 通过网关直接 接入高速数据公路， 组成过程控制级的顺序控制站。 但是现场总线控制系统对现场自动化设备的要求较 高，而在现阶段由系列智能结点控制器、传感器、执行机构等构成的统一的现场总线系统价格昂贵且 难以实现，所以建立基于现场总线的、由 PLC、IPC 组成与 DCS 相兼容的系统就是比较现实和经济的 选择了[14]。这种系统在现场总线级实现数字量传输，提高信号传送精度，增强现场控制的灵活性，降 低设计施工费用，减少电缆铺设，易于维护，并能适应今后控制系统的扩展[10]。 2-2 燃煤锅炉控制系统组成燃煤锅炉控制系统组成[1][12][13] 对燃煤锅炉的自动控制，人们已经进行了多年的研究，积累了丰富的知识和经验。在自动控制技术 的不同发展阶段，有很多成功的方案可供借鉴。结合本项目的实际情况及要求，综合比较多种方案，确 定本系统控制方案为由 IPC 和 PLCCPU 及其扩展模块组成基于 IPC-PLC 的三级 DCS 监控系统（系 统组成如图 2.1 所示） 。 PLC 选用西门子 S7-300 系列通用型 PLC[15][16][17]，其中 CPU 模块选用 CPU315-2 DP。每台锅炉分 别由一台 PLC 控制。PLC 用 SIMATIC Step7 软件进行编程和组态，实现锅炉的各种常规控制，如开 图 2.1 燃煤锅炉控制系统组成 Fig. 2.1 The diagram of boiler control system PROFIBUS-DP S7-300 1锅炉 S7-300 2锅炉 S7-300 3锅炉 ET200M 1操作员站2操作员站3操作员站工程师站 Switch X208 河北工业大学硕士学位论文 5 关量控制、常规 PID 控制、联锁保护等。PLC 通过工业以太网与上位工控机相连，向上位机传送各种 数据，并接受上位机的各种控制命令，从而形成控制系统的中间层。 IPC 选用工控行业应用广泛的研华工控机作为上位机。 由三台并行运行的操作员站和一台工程师站 组成。上位机使用西门子的 SIMATIC WinCC 软件进行人机界面的设计、组态，实现锅炉的运行状态的 显示，报警信息的显示、确认和处理，报表的打印等功能。四台工控机用以太网连接，并通过工业以太 网与 PLC 相连[18]，实现上位机之间，上位机和 PLC 之间的通信。最终形成控制系统的最高层。 另选用一个分布式 I/O 模块 ET200M 作为 DP 从站，通过 PROFIBUS－DP 现场总线与第三台 PLC （控制 3锅炉）相连[19] [20]，来控制三台锅炉共用的一些附属设备，如水处理设备、恒压补水设备、 除尘设备等，形成控制系统的最底层。 此外，所有的给煤机、连排机、风机、水泵等的电机均采用变频控制。变频器均选用日本富士 400V 系列变频器[21]。 2-3 燃煤锅炉控制系统方案燃煤锅炉控制系统方案 ⑴ 出水温度控制系统[22][23] 主要根据室内外温度测量值和室外风速，调节给煤量、鼓风量和引风量，从而实现安全、经济、环 保、高效地运行的目的。出水温度设定值随室外环境温度及风速的变化而自动调整。给煤量根据出水温 度测量值与给定值之间的偏差，采用模糊控制算法进行调整，以达到快速调整出水温度的目的。同时， 根据锅炉效率实时在线计算的结果，对给煤量进行微调，从而保证锅炉的按需烧煤。鼓风量根据给煤量 和风煤比的变化，采用常规 PID 算法进行调整，实现比值控制，达到完全燃烧、经济燃烧的目的。其 中根据能量平衡理论， 采用自寻优算法对风煤比进行在线实时调整， 使燃料与空气始终保持最佳的配比， 实现燃料的完全燃烧。引风量根据炉膛负压测量值，采用常规 PID 算法进行调整，并将鼓风量作为前 馈量，实现前馈反馈控制，以保持炉膛的微负压状态，确保锅炉安全运行。出水温度控制系统的结构框 图如图 2.2 所示 锅炉出水温度 锅炉出水 温度设定 室温设定 环境温度 燃 煤 锅 炉 出水水温模 糊控制器 给 煤 机 变频器 锅炉热效率 实时计算 出水流量 出/回水温 风 煤 比 自寻优 鼓 风 机 变频器 引 风 机 变频器 PID 控制器 炉膛负压 炉膛负压设定值 图 2.2 锅炉出水温度控制结构框图 Fig. 2.2 The block diagram of boiler water temperature control 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 6 ⑵ 水循环定压控制系统 根据锅炉出水压力，采用常规 PID 算法控制循环泵，以保证锅炉出水压力恒定。 ⑶ 恒压补水控制系统 根据回水管线上定压点压力进行自动补水，维持管线上压力的恒定。 ⑷ 其他控制系统 包括程控启炉、停炉，紧急停车，联锁保护方案，报警等。所有这些控制均在 PLC 上实现。 2-4 主要控制算法的设计主要控制算法的设计 2-4-1 模糊控制算法 2-4-1 模糊控制算法 燃煤锅炉的动态特性是惯性时间常数大和有延迟， 并受煤质等不确定因素影响， 此外还要受所带负 荷特性的影响。 供热管网是一个热容量很大的网络， 具有大滞后以及受天气情况等不确定因素影响的特 点[24]。因此，一个带有供暖热网负荷的燃煤锅炉的动态特性就同时具有惯性大、滞后时间长和受不确 定因素影响等特点[25]。由于模糊控制器具有快速跟踪的特性，因此非常适合对这种大惯性、大滞后的 非线性被控对象进行控制。本模糊控制算法采用数字增量式控制算法[22]，即 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ∆− −− − 1 1 nununu t nene ne nTnTne wdw 开始寻优 开始 初始化数据 t1＝t2＝t3，β1＝β2＝β3 采样炉膛温度 t t1＝t2 t2＝t3 t3＝t 图 5.9 风煤比自寻优算法流程图 Fig. 5.9 The flow chart of air-coal-ratio optimizing arithmetic 河北工业大学硕士学位论文 45 5-3 燃烧控制算法的燃烧控制算法的 MATLAB 仿真仿真[80] 由于无法较精确地建立带供暖网的锅炉的数学模型， 因此， 不能对本锅炉燃烧控制算法进行全面地 MATLAB 仿真，只能对其中一部分算法进行仿真，即只能对在给煤量一定的情况下，寻找最佳风煤比 的自寻优算法进行仿真。 5-3-1 MATLAB 仿真程序设计5-3-1 MATLAB 仿真程序设计 [76] [81] 最佳风煤比的自寻优算法是在给煤量一定的情况下， 为寻找使燃料充分燃烧的最佳的空气与煤的配 比关系而设计的。当给煤量确定后，燃料所放出的热量与风煤比的关系曲线β-Q 曲线也就确定下来。 此时，寻找最佳风煤比就是寻找一确定的单峰曲线的极值。因此，在仿真时假定一单峰曲线来模拟β-Q 曲线，利用 MATLAB 的 m 函数实现整个寻优算法。程序如下所示 xlinspace1,200,400; yfunx; plotx,y; grid on; hold on; bta050; 给定初始位置 step15; 步进量 n1; t0funbta0; bta1bta0step; t1funbta1; if t1t3 t1t2;t2t3;t3t; btabta1s*step; bta1 bta2; bta2 bta3; bta3 bta; plot[bta1,bta2],[t1,t2],r*; end n0; m0; if bta1bta2 then 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 46 tmp bta1; bta1 bta2; bta2tmp; end while absbta1- bta21e-6 end mm1; tfunbta; t1t2;t2t3;t3t; end btabta10.618*bta2-bta1 tfunbta; plot[btaz],[tz],r∆; function yfunx; y-x-100.25000; y1000*sin3.1415926*x/200; 通过改变初始位置值“bta0” 、步进量“step” 和单峰曲线 funx可对算法进行测试。 5-3-2 MATLAB 仿真测试结果 5-3-2 MATLAB 仿真测试结果 为了测试算法的控制效果，选择如下两条曲线 5000100 2 −−xy和 200 sin1000 x y π 5.21 对算法进行测试。初始位置分两种情况在极值左侧（bta050）和在极值右侧（bta0150） 。并进一步 改变步进量，观察其对寻优结果的影响。而且为了方便比较，还计算了相对误差，即 （其中 y0 为极值 的纵坐标，y 为由算法计算得到的极值的纵坐标） 。仿真结果如图 5.10 所示 河北工业大学硕士学位论文 47 a 5000100 2 −−xy；bta050；step15；Δ0.00126 b 5000100 2 −−xy；bta0150；step15；Δ0.00126 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 48 c 5000100 2 −−xy；bta050；step10；Δ 0.00764 d 5000100 2 −−xy；bta0150；step10；Δ 0.00764 e 200 sin1000 x y π ；bta050；step15；Δ 0.0007444 河北工业大学硕士学位论文 49 f 200 sin1000 x y π ；bta0150；step15；Δ 0.0007444 g 200 sin1000 x y π ；bta050；step10；Δ 0.0047081 h 200 sin1000 x y π ；bta0150；step10；Δ 0.0047081 图 5.10 仿真结果 Fig 5.9 The result of simulation 燃煤锅炉计算机监控系统的开发 50 5-3-3 MATLAB 仿真测试结果分析 5-3-3 MATLAB 仿真测试结果分析 根据图 5.10 及计算得到的误差Δ，对算法进行分析后，可以得到如下结论 ⑴ 精度高 在适当调整步进量后，能保证误差在 0.2以下。 ⑵ 适应性好 本算法对不同曲线有很强的适应性，而且精度都很高。 ⑶ 可靠性高 不论初始位置在何处， 对于同一条曲线本算法计算得到的结果是相同的。 在曲线变化很大时也能保 证很高的精度。 ⑷ 效率高 本算法能在很短的时间内完成整个寻优过程。 特别是在步进量选取适当时， 不仅寻优速度快而且精 度高。 ⑸ 步进量的选取 步进量选取应适当。当步进量适当时，可以快速获得极值区间，从而提高寻优速度。但是如果步进 量过大，会大大增加计算最终结果时的时间。由于限制了计算终值时的计算次数，因此必然会降低最终 结果的精度。而且对于锅炉的给煤量而言，其变化值有上限的限制，尤其是在增加给煤量时。若一次性 过多地增加燃料量，不仅会使炉膛温度迅速下降，而且不能保证燃料充分燃烧，甚至有灭炉的危险。所 以步进量应根据实际情况适当选取。 ⑹ 误差的意义 由于算法本身存在误差，因此，此算法不可能得到理论值，只能得到近似值，即计算值稍小于理论 值。但是，由于适当提供了多余的热量，因此，能在几乎不降低锅炉燃烧热效率的情况下，防止其它干 扰因素使锅炉的出水温度降低，使锅炉的热效率降低，从而大大提高整个锅炉监控系统的鲁棒性。 总之，此算法具有精确度高、适应性好、可靠性高、速度快、效率高等优点，不仅能保证燃料的充 分燃烧， 提高锅炉的燃烧热效率， 还能使整个监控系统具有很好的鲁棒性， 因此此算法的设计是成功的。 5-4 燃烧控制算法的实现燃烧控制算法的实现 全局脚本编辑器是 WinCC 向用户提供的一个扩展系统功能接口。用户可以在这里用 C 语言编写函 数，这些函数可在整个工程中被调用。将燃烧控制算法嵌入 WinCC 的工作主要就是在这里完成。 WinCC 的全局脚本编辑器可生成两种不同的函数项目函数Project Functions和动作函数 Actions。这两种函数用于完成不同的功能。项目函数与高级语言中的函数功能相似，都是用来完成一 定的计算、显示、数据处理等功能。项目函数本身并不能被执行，必须被一个主函数调用以后才能够完 成预定功能。动作则不一样，在 WinCC 中可以给动作增加触发器，一旦满足了触发条件，动作就能够 自动执行。在 WinCC 中通常用项目函数完成数据计算、处理等功能，然后在动作中调用该项目函数。 这样在满足触发条件的情况下，项目函数便能够不断地执行[115][5]。 5-4-1 模糊控制算法项目函数的生成 5-4-1 模糊控制算法项目函数的生成 在全局脚本中生成一个项目函数，用它来实现模糊控制算法，源程序如下 河北工业大学硕士学位论文 51 void FUZZY {// 截取部分主要程序 // 获取参数 keGetTagFloat“KE”; // 获取量化因子 ke kcGetTagFloat“KC”; // 获取量化因子 kc kuGetTagFloat“KU”; // 获取比例因子 ku spGetTagFloat“SP”; // 获取被控参数设定值 pvGetTagFloat“PV”; // 获取被控参数测量值 uGetTagFloat“MV”; // 获取前一时刻控制输出值 e1sp-pv; // 计算偏差 e2GetTagFloat“E2”; //获取前一时刻的偏差 ece1-e2; // 计算偏差变化 // 将 e、ec 模糊化 feintke*e1; if fe6 fe6; fecintkec*ec; if fec6 fec6; //当偏差和偏差的变化均进入零区时为 0 或1 时 //调用自寻优算法来调整锅炉的效率和风煤比 if fe-1return;} //如果偏差和偏差的变化还没有全进入零区 //则采用模糊控制算法快速减小偏差及偏差的变化 fefe6; fecfec6; // 通过查询表得到输出 du 的量化值 fu,根据比例因子计算控制输出 furule[fe][fec]; duku*fu; uudu; ifu1500 u1500; // 将控制输出传给 WinCC SetTagFloat“MV”,u; Set