燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台开发.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立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 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名塞亟因日期丝垡兰笙 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名 鏖亟鱼 日期 至f [ 』笙 导师签名l 鸯銎蓟 日期兰 ∑旦主7 - 学位论文数据集 中图分类号 T P 2 7 3 学科分类号 5 1 0 ．8 0 1 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 7 8 7 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名宋振国学号 2 0 0 8 0 0 0 7 8 7 获学位专业名称控制科学与工程 获学位专业代码 0 8 1 1 课题来源自然科学基金研究方向随机分布控制 论文题目燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台开发 关键词 燃煤锅炉，随机分布控制，子空间辨识，迭代学习控制，仿真 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师周靖林讲师北京化工大学 随机分布控制 控制理论与控制 评阅人1耿志强副教授 北京化工大学 工程 评阅人2 王晶 副教授北京化工大学 控制科学与工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 智能系统与数据 椭员纵 朱群雄教授北京化工大学 挖掘 答辩委员1黄克谨 教授北京化工大学复杂系统建模 答辩委员2王友清 教授北京化工大学生物医学控制 控制理论与控制 答辩委员3耿志强副教授北京化工大学 工程 答辩委员4王晶副教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员5 注一．论文类型1 ．基础研究2 ．应用研究3 ．开发研究4 ．其它 二．中图分类号在中国图书资料分类法查询． 三．学科分类号在中华人民共和国国家标准 G B ／T1 3 7 4 5 9 学科分类与代码中 查询。 四．论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台开发 摘要 工业锅炉是我国主要的耗煤设备，也是我国主要的污染来源之一。在 我国的工业锅炉当中，有相当大比例是层燃型的燃煤链条锅炉。链条锅炉 数量多、面积广，但自动化水平较低，绝大多数的热效率不到7 0 ％，与发 达国家有较大差距。 本文的主要目的是在层燃式燃煤锅炉上实现输出概率密度函数 P D F 控制。为此，首先阐述了链条炉的结构、燃烧过程的特点和相关控制方法 的研究现状，接着介绍了输出随机分布控制系统的相关理论，然后讨论了 将这种方法引入链条锅炉的燃烧过程控制中的可行性。在此基础上，本文 的主要工作有 1 给出了基于R B F N N 的输出分布控制系统的子空间快速建模方 法，并以此模型为基础实现了输出分布控制系统的最优迭代学习控制。仿 真结果表明建模和控制算法的可行性。 2 将迭代学习的思想引入到输出分布控制系统的建模当中，结合 1 的研究成果，提出了双闭环迭代学习建模控制算法，并针对迭代学 习过程引入了自适应迭代学习率和迭代终止门限，仿真结果表明相关算法 的有效性。 3 开发了一套链条锅炉的仿真控制平台，实现了对层燃锅炉的燃 烧过程的动态模拟。并以燃烧过程的火焰形状为被控对象，以配风分布为 控制输入，在此平台上验证了 2 设计的建模控制算法。 T 北京化工大学硕士学位论文 综合仿真结果和仿真平台模拟，本文所得的输出随机分布控制系统的 模型和相关控制算法，可应用于燃煤链条锅炉的配风优化控制，并能得到 较好的控制效果。 关键词 随机分布控制子空间辨识迭代学习控制燃煤锅炉仿真 R E A L I Z A T I o No FS T o C H A S T I CD I S T R I B U T I o N C o N T R o LF o RC o A L ．F I R E DB o I L E RA N DI T S S I M U L A T I o NP L A T F o R M A B S T R A C T I n d u s t r i a lb o i l e ri sn o to n l yt h em a jo rc o a lc o n s u m p t i o ne q u i p m e n ti n C h i n a ，b u ta l s oo n eo ft h em 句o rp o l l u t i o ns o u r c e s ．A m o n gi n d u s t r i a lb o i l e ri n C h i n a ，al a r g ep r o p o n i o ni sl a y e r b u m i n gc o a l f i r e dg r a t eb o i l e r s ．G r a t eb o i l e r ’ h o w e v e r ，h a st h e1 0 wl e v e lo fa u t o m a t i o na n di t st h e m a le 衢c i e n c yi sl e s st h a n 7 0 ％，w h i c ho f aw i d eg a pw i t ht h ed e V e l o p e dc o u n t r i e s ． T h em a i np u 印o s eo ft h et h e s i si sa p p l y i n gs t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o n t r o l S D C t ot h el a y e r b u m i n gc o a l f i r e dg r a t eb o i l e r ．F o rt h i sr e a s o n ，t h es t r u c t u r e 北京化工大学硕十学位论文 a n dc o n t r o la l g o r i t h m s ． 2 A ni t e I l l t i V el e a m i n gb a s e dd o u b l ec l o s e d l o o pm o d e l i n ga n dc o n t l ．o l a l g o r i t h mo fS D Cs y s t e mi sp r o p o s e db yc o m b i n i n gt h er e s u l to f 1 w i t h t h em o d e l i n go fS D C s y s t e m s ，i nw h i c ht h ei d e ao fi t e r a t i v el e a m i n gi s i n t r o d u c e d ．A n dt h e n ，a na d a p t i V ei t e r a t i v el e a m i n gr a t ea n da ni t e r a t i o n t e n n i n a t i o nt h r e s h o l da r ep r e s e n t e dt oa v o i dt h eu n n e c e s s a 巧O re x c e s s i v e i t e r a t i o n si nt h ei t e r a t i V el e a m i n gp r o c e s s ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c t i V e n e s so ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m ． 3 As i m u l a t i o nc o n t r o lp l a t f o mo fc o a l f i r e dg a t eb o i l e ri sc o n s t n l c t e da n d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o np r o c e s si nl a y e r _ f i r e db o i l e ri s r e a l i z e d ．T h em o d e l i n ga n dc o n t r o la l g o r i t h mo f 2 a r ev e r i f i e dt h r o u g h t h i sp l a t f o m ，i nw h i c h ，t h ef l a m es h a p eo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n d t h ew i n dd i s t r i b u t i o nt a k e na st h ec o n t r ．o l o u t p u ta n dc o n t I ．o li n p u t ， r e s p e c t i V e l y ． C o m p r e h e n s i V er e s u l t so ft h eM A r L A Bs i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m ，t h em o d e l i n ga n dc o n t r o lm e t h o d so fS D Cs y s t e m si nt h et h e s i sc a n b e 印p l i e dt ot h ew i n dd i s t r i b u t i o no p t i m i z a t i o nc o n t r 0 1o fc o a l ．f i r e dg r a t e b o i l e r ，a n dab e t t e rc o n t r o le f r e c tc a nb ee x p e c t e d ． K E Y W o l U D S S t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o n c o n t r 0 1 ， S u b s p a c ei d e n t i f i c a t i o n ， I t e r a t i V el e a m i n gc o n t r o l ，G r a t eb o i l e r ，S i m u l a t i o n I V 目录 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．2 燃煤链条锅炉及其燃烧控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．1 层燃链条锅炉的基本结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 链条锅炉的燃烧控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 火焰的三维温度场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 输出随机分布控制理论及其研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 ．3 ．1 输出随机分布控制概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 输出随机分布控制的建模方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．3 输出随机分布系统的控制方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 1 ．4 本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 ．5 本文的结构安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 第二章基于R B F N N 的随机分布模型的建立与控制方法⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 基于R B F N N 的随机分布模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．1R B F N N 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．2R B F N N 逼近输出P D F ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l7 2 ．2 ．3R B F 随机分布控制模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 ．4 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 3 2 ．3 随机分布模型的迭代学习控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．3 ．1 迭代学习控制的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 2 ．3 ．2 基于R B F 模型的迭代学习控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 2 ．3 ．3 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯。3 6 第三章双闭环迭代学习建模控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 V 北京化工大学硕士学位论文 3 ．2R B F N N 的迭代更新方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．3 双闭环迭代学习建模控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 3 ．3 ．1 基本结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 3 ．3 ．2 系统可辨识性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．3 ．3 自适应迭代学习率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．3 ．4 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 第四章燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台的开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 4 ．2 供热仿真培训平台介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．2 。1 基本结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．2 ．2W i n C C 搭建仿真界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 4 ．3 仿真平台的改造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 ．1 火焰模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．3 ．2 火焰动画的改造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 4 ．3 ．3W i n C C 与M a t l a b 的o P C 通信⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 4 ．4 输出随机分布控制的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 第五章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 5 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 5 ．2 问题和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 研究成果及发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 作者和导师简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 V I C o N T E N T S C h a p t e rlI n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1R e s e 鲫c hb a c k g r o u n d 锄ds i 鲥f i c 觚c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2C o a l ．f i I e dg 删eb o i l e r 锄di t sc o m b o s i t i o nc 0 I l n ．0 l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1B a S i cs t m c t u r co fl a y c r 伊a t eb o i l e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2C o m b u s i t i o nC 0 n t I ．o lo f 笋a t eb o i I e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．33 Dt a n p e r a h l r ef i e l do fc o n l b u s t i o nn 锄e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3I l l t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o I l t l - 0 lm e r o y 锄1 di t sr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．1o V e r v i e wo f o u t p u ts t o c h 弱t i cd i s t r i b u t i o nc o m r o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．2M o d e l i n gm e 廿1 0 do f o u t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nC o n 劬l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．3C o n t r o lm e m o do f o u t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o n t r o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．4C o n 白m t so f t l l e s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．5S t n l c t u r a la r r a l l g e I I l e n to ft h es u b j e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。13 C h a p t e r2I m F N N - b a s e d s t o c h a s t i cc o n t r o l m o d e U n ga n dc o n t r o l ⋯⋯⋯1 5 2 ．1m o d u C t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2C o n s t m c t i o no f R B F N N - b a s e ds t o c h a S t i cd i s t r i b u t i o nm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．1Ar c v i e wo f R B F N N ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．2 ．2R B F N Na p p t ．o x i m a t i n go u t p u tP D F ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．2 ．3R B F N N - b a S c ds t o c h a S t i cc o n 们lm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．2 ．4S i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 2 ．3I L Co fs t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 2 ．3 ．1F u I l d 锄a l t a lo fI L C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 2 ．3 ．2R B 孙N ．b 船e dI L C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 2 ．3 ．3S i m u l a t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 2 ．4S u n l m a I V ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 C h a p t e r 3I L b a s e dd o u b l e c l o s e d l o o pm o d e l i n ga n dc o n t r 0 1 ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 3 ．1h l 缸D d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 V I I 北京化工大学硕十学位论文 3 ．2n e r a t i v eu p d a t em e t h o do fR B F N N ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．3I L - b 嬲e dd o u b l ec l o s e d - l o o pm o d e l i n g 觚dc o n 仃o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l 3 ．3 ．1S t l l J c t I l r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 l 3 ．3 ．2S y s t e I l li d c n t i f i a b i l i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．3 ．3A d 印t i V ei t c r a t i V el e 啪i n gr a t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．3 ．4S i n m l a t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 3 ．4S l 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％，远低于世界发达国家。绝大多数层燃锅炉 没有实现全自动化控制，其维护费用较高，对现场操作水平的要求也较高。因此如何 改造和优化老式的层燃链条锅炉，提高其经济运行能力，减少污染，成为新近的一个 研究热点。 层燃锅炉的优化可以从以下几点入手【2 ；3 】 1 控制煤质增强煤料的洗选、筛分、型煤等环节，并提高锅炉的燃烧效率基于 炉前筛分和成型的混煤高效燃烧技术； 2 优化锅炉结构设计合理的炉膛拱顶结构，安装分层给煤机，空预器，省煤器 等节能装置； 3 提高锅炉自动化水平包括优化配风，对炉膛燃烧状况进行实时控制等。 从提高锅炉的自动化水平来说，最重要的，也是比较复杂的，是如何对锅炉的燃 烧过程进行控制，实现燃烧过程的自动化、最优化。然而，众所周知，燃烧过程是一 个典型的非线性、强耦合的随机过程，多年来，虽有不少学者提出了一些相关的控制 方法，但这些方法大都没有真正对燃烧的实际对象火焰，进行控制。而在实际生 产中，锅炉炉膛火焰信息，包括火焰的颜色，火线长度和宽度等，是考察锅炉是否正 常工作的重要指标【4 1 。有些现代化程度比较高的企业，已经开始为其锅炉安装工业摄 像头，用以检测并采集炉膛内部的火焰信息，使司炉工人可以较清楚地看到炉膛内部 火焰，并根据火焰的形状对锅炉进行适当的调节，采集得来的图像信息也为锅炉的安 全高效生产提供了依据。然而，由于炉膛内部机理复杂，炉膛火焰又具有很强的随机 北京化工大学硕士学位论文 性和非线性，因此针对炉膛燃烧过程的建模和控制都十分不易。本文将随机系统控制 中的输出随机分布控制思想引入炉膛火焰的控制，期望用子空间辨识方法建立炉膛火 焰和锅炉相关设备的输出随机分布控制模型，为锅炉燃烧控制的建模提供新的参考。 输出随机分布控制产生于上世纪九十年代末期，是随机系统控制的一种新方法。 与传统的随机系统控制方法不同，随机分布控制直接以系统输出的概率密度函数 P r o b a b i l i t vD e I l s i t yF u n c t i o n ，P D F 或分布函数 D i s t 曲u t i o nF 吼c t i o n 为控制对象。 该理论的初期，主要是利用B 样条基函数等数学工具去逼近随机系统的输出P D F 函 数，将输入与输出P D F 的关系解耦为输入与逼近函数权值之间的动态关系。虽然从提 出至今只有短短十余年的发展历史，但由于随机分布控制具有传统的随机控制无法比 拟的优点，因此越来越多的学者投入到该理论的研究中，提出了许多有创造性的建模 和控制方法。随着随机分布理论体系的日渐成熟，一些研究人员开始着手该理论在一 些实际工业过程中的应用研究，如造纸机的纤维长短分布控制【5 】、聚合过程的分子量 分布控制【6 】、食品原料加工中的粮食颗粒大小分布控制【_ 7 1 ，多变量随机系统的跟踪滤 波器设计【8 】，故障诊断和容错控制【9 】以及喷射火焰的形状控制【I o 】等。考虑到层燃链条 锅炉的燃烧控制，其火焰信息如形状、颜色等，都可利用图像处理技术转化为于炉膛 温度、含氧量等相关的概率密度函数，并且存在相关的控制量，如鼓风机频率、风室 开度分布、给煤机频率和炉排频率等，能对火焰的状态实施控制，因此，将输出随机 分布控制引入锅炉火焰控制当中具有可能性。再者，文献【l O 】将随机控制方法应用于 喷射火焰的控制，虽然与本文的控制对象有所不同，但仍为本文的可行性提供了一定 的依据和参考。因此本文期望以火焰的性质，如形状、颜色等信息，作为系统的控制 目标，将火焰控制在一个较为理想的燃烧状态，以此来提高锅炉的燃烧效率。 由于本文的主要工作还属于理论研究范畴，直接将其应用到实际工业锅炉不现实 且风险巨大；幸运的是，仿真培训是目前众多工业锅炉施炉工上岗前进行模拟操作的 一个重要环节，因此，本文结合仿真培训和层燃锅炉燃烧的特点，开发一套具有良好 互动性的仿真平台，实现对输出随机分布控制的支持，并可以为实际操作提供操作指 导数据。 综上所述，本文的研究目的是应用随机分布控制的相关理论，建立火焰与锅炉主 要操作设备之间的输出随机分布控制模型，设计出一定的控制方法实现对火焰的形状 控制，并开发一套锅炉燃烧仿真平台对相关模型与控制算法进行验证，以提高燃煤层 燃锅炉的燃烧效率。为此，本文将研究新的输出随机分布控制系统建模以及控制方法， 解决了该领域中的一些关键问题，然后，将该理论引入到层燃锅炉的燃烧过程中，同 时为该理论的实际应用提出了新的方向。本章首先阐述层燃锅炉的工作原理和相关研 究领域的发展现状。然后论述输出随机分布控制系统的基本理论和发展现状。 2 第一章绪论 1 ．2 燃煤链条锅炉及其燃烧控制研究现状 燃料在炉排上燃烧的锅炉，叫层燃锅炉【l l 】。按照燃料层与炉排相互运动的关系， 层燃锅炉可以分为固定炉排和活动炉排链条炉，其中活动炉排多用于大型锅炉。本文 主要研究燃煤活动链条锅炉，为了下文论述方便，下面现将首先以D z L 5 8 ．1 ． 6 ／1 5 0 ／9 0 ．A I I 型燃煤链条锅炉为例，对燃煤链条锅炉的基本结构和工作原理做简单的 介绍。 1 ．2 ．1 层燃链条锅炉的基本结构 炉膛 炉捧 给煤机 风室 省煤器 烟道 空预器 图1 - l 链条锅炉结构不意图 F i g ．1 一lT h es 缸1 l c t I l r eo f g r a t eb o i l 盯 D Z L 5 8 ．1 ．6 ／1 5 0 ／9 0 ．A I I 型燃煤链条锅炉的炉体结构如图1 ．1 所示，主要由以下几 部分构成 锅筒锅筒是由优质厚钢板制成的圆筒形容器，主要用来接受经省煤器送来的给 水并联接循环回路，是锅炉中最重要的部件之一。锅筒上方一般有超压报警装置和安 全阀，防止温度过高使锅筒内部压力过大而引起事故。 炉膛炉膛是由炉墙包围起来供燃料燃烧的立体空间，是主要的燃料燃烧区域。 炉膛四壁采用耐火材料搭建，并嵌有毛细热水管，为了提高燃烧率，一般在炉膛的前 部和后部设计有拱顶，炉膛的底部是链条炉排。 炉排锅炉或工业炉中堆置固体燃料并使之有效燃烧的部件。链条炉排一般由铸 3 北京化工大学硕士学位论文 铁制成，呈履带状，上面开有保持通风的小孔。在锅炉工作时由炉排电机驱动，带动 由煤料炉膛前部向后部缓慢运行。炉排下边设有可以调节风量的风仓，以便空气通过 缝隙进入燃料层，烧尽后的灰渣用人工或机械方法排出。 给煤机将上煤系统送来的煤料均匀平铺到炉排上的装置，实现布煤操作，其频 率可调。经过改造的分层给煤机可使煤料从底部开始由厚变薄，提高了煤的利用率， 并减少了炉膛内的飞灰。 鼓风机主要的送氧设备，频率可调。将室外大气抽送到锅炉，经空预器预热后， 送至炉排下方各风室。 引风机主要的排烟设备，其频率可调，将炉膛内部烟气经烟道和省煤器排至室 外。其间经过除污冷却等环节。 风室由鼓风机送来的空气经风室送至炉膛。风室的开度可调节。在实际应用中 一般控制风室的开度来调节着火区，并使炉膛布风均匀。 烟道炉膛内的烟尘经烟道排除，烟道中有省煤器和