生物質(zhì)固化成型機控制系統(tǒng)的綜述

杜鵬東

（國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，哈爾濱 150086）

隨著全世界能源問題日益加劇，我國開始向生物質(zhì)能源方面進行研究，在不久的將來我國將面臨著能源短缺的嚴(yán)重問題，隨著不可再生資源的不斷開采，能夠開采的資源越來越少，世界能源問題已經(jīng)成為世界會議的重點，要改變當(dāng)前能源短缺的問題，就必須開辟新的途徑，所以生物質(zhì)能源的利用越來越受到人們的關(guān)注，充分的開發(fā)和合理的利用生物質(zhì)可再生能源對能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義，對世界經(jīng)濟發(fā)展和全球環(huán)境保護也有著很重要的意義［1］。

1 生物質(zhì)能源的利用的意義

（1）在世界戰(zhàn)略安全中的意義是發(fā)展生物質(zhì)能源可以對我國能源安全有著很好的保障，預(yù)計到2020年，我國將面臨著非常嚴(yán)峻的能源安全問題，屆時我國的消耗能源的總量折合成標(biāo)煤可能會大于30億t［2］。充分開發(fā)和合理的利用生物質(zhì)能源，可以降低對環(huán)境的污染和破壞，降低對不可再生資源的嚴(yán)重的過度開采，從而彌補其他資源的短缺，如石油和天然氣，生物質(zhì)能源的利用可以有效的增加我國所擁有的能源的總量，可以有效的對能源結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而對我國能源安全進行強有力的保障［3］。

（2）作為新型能源的生物質(zhì)能源，它的研究對當(dāng)前我國正在加快實施的農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)有著非常深遠的意義。全國第六次人口普查顯示，在我國，鄉(xiāng)村人口為六億七千四百多萬人，在農(nóng)村生活中燃料是農(nóng)業(yè)廢棄的秸稈和林木薪材，這些農(nóng)業(yè)廢棄物在燃燒時會排放出了大量的二氧化碳等溫室氣體以及有害煙塵，而且這些農(nóng)業(yè)廢棄的秸稈和林木薪材的燃燒利用率只有5%～10%，這樣就造成了能源的大量浪費［4］。在農(nóng)村普遍推廣生物質(zhì)能源，使其發(fā)展成為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)，不僅可以是生物質(zhì)能源得到充分開發(fā)，還可以吸收農(nóng)村大量的閑散農(nóng)民，使農(nóng)村經(jīng)濟多元化發(fā)展，有效的提高農(nóng)民收入，并且可以有效的提高資源的利用率，減少二氧化碳溫室氣體及有害煙塵的排放量，使農(nóng)村環(huán)境得以改善，使農(nóng)民生活質(zhì)量得到提高［5］。

（3）生物質(zhì)能源對于生態(tài)環(huán)境有著深遠的影響與意義，能源結(jié)構(gòu)在我國主要是燃煤，煤炭燃燒造成了嚴(yán)重的空氣污染，空氣污染物種煤炭燃燒產(chǎn)生了大約七成的漂浮性煙塵和二氧化碳、大約九成的二氧化硫，大約七成氮氧化物［6］。然而生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的氣體只有少量的二氧化硫和氮氧化合物，污染小，深入開發(fā)和充分利用生物質(zhì)能源能夠有效的降低對森林的消耗，可以有效地提高人類生活環(huán)境質(zhì)量［7］。

2 生物質(zhì)固化成型機

在我國生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化方式主要有4種:①直接燃燒;②生物質(zhì)固化成型;③生物質(zhì)氣化;④生物質(zhì)液化［8］。

生物質(zhì)固化成型燃料，指由生物質(zhì)固化成型機將生物質(zhì)壓縮成型的燃料，將生物質(zhì)原料粉碎得到生物質(zhì)碎末，通過模具的壓縮形成固體燃料，這種固體燃料的能源密度與中質(zhì)煙煤相仿，燃燒時火力可以保持很久，生物質(zhì)燃料的燃燒性較好，在農(nóng)村生活燃料中、在工廠的鍋爐中以及特定在電廠中基本可以用生物質(zhì)燃料代替煤炭［9］。以秸稈固化燃料為例，它的燃燒熱值約為3 700～4 200Kcal/kg，密度為0.8～1.1g/cm3，灰分為 6～20%，水分≤12%，二氧化碳為0，二氧化氮為14mg/m3，二氧化硫為 46mg/m3，煙塵為≤127mg/m3［10］。

目前，我國的生物質(zhì)固化成型理論基礎(chǔ)薄弱導(dǎo)致成型設(shè)備的成本高，能耗大，模具使用壽命短，損耗大，而且沒有精確的智能控制系統(tǒng)，致使能源大量的浪費，使其難于產(chǎn)業(yè)化［11］。本論其生物質(zhì)固化成型機的現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，希望對研究者提供一些研究方向。

3 工業(yè)控制研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的生物質(zhì)成型控制的研究還很少，目前大多研究主要集中于成型模具的失效機理的研究，而且國內(nèi)研究生物質(zhì)成型機控制系統(tǒng)的科研人員很少，又分布在不同院校。當(dāng)前的國內(nèi)市場情況是生產(chǎn)成本過高，再加上宣稱力度不夠造成市場化程度較低，而且技術(shù)支持不到位導(dǎo)致無法規(guī)?；a(chǎn)。以上原因直接導(dǎo)致了生物質(zhì)燃料產(chǎn)品價格過高，難于推廣［12］。

溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的非線性，時變，大慣性的特點，純滯后控制系統(tǒng)，容易產(chǎn)生很高的超調(diào)量和系統(tǒng)在設(shè)定點附近持續(xù)震蕩，因為溫度控制對象的參數(shù)是不確定的，被控對象參數(shù)的控制通常有較大的變化，對象的變化將直接導(dǎo)致其參數(shù)的數(shù)學(xué)模型的改變，這就造成被控對象參數(shù)的變化是隨機的變化，無法預(yù)測，這就大大增加了溫度控制的難度［13］。在實際工業(yè)生產(chǎn)溫度控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣的是比例積分微分控制［14］。20世紀(jì)30年代科學(xué)家提出了PID控制器，該控制器具有很多優(yōu)點，成功解決了傳統(tǒng)控制所不能解決的問題，其優(yōu)點有良好的穩(wěn)定性、簡單的結(jié)構(gòu)、可靠的工作性能和便于調(diào)整［15］。

PID控制技術(shù)可以不用精確地數(shù)學(xué)模型，也可以不掌握被控對象的參數(shù)及結(jié)構(gòu)，就能夠依據(jù)操作人員的操作經(jīng)驗現(xiàn)場調(diào)試完成，這是其他控制理論難以達到的。PID控制技術(shù)可以取代控制其他手段來解決其控制問題，如通過其他途徑不能解決控制系統(tǒng)的參數(shù)等。PID控制器工作原理是將系統(tǒng)的反饋與設(shè)定值進行對比產(chǎn)生偏差量，利用比例加積分加微分的方法得出輸出值對被控對象進行控制。它是在工業(yè)溫度控制中應(yīng)用范圍最廣應(yīng)用時間最長的一種控制形式，將實際的運行效果與理論進行對比分析，通過大量的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)可以得出，PID控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)過程中基本達到控制目的。PID控制在當(dāng)今社會很多工業(yè)過程控制中得到了非常廣泛的應(yīng)用［16］?？刂葡到y(tǒng)的性能影響因素很多，其中參數(shù)整定的質(zhì)量直接影響PID控制器的控制質(zhì)量。控制器的參數(shù)整定的問題，實質(zhì)就是找到與被控對象的參數(shù)特征相匹配的數(shù)據(jù)，然后將控制器的某個或多個參數(shù)通過特定的規(guī)則使其與找到的數(shù)據(jù)匹配。

傳統(tǒng)的PID控制參數(shù)是經(jīng)過大量的實驗，采集到大量的數(shù)據(jù)通過對數(shù)據(jù)的分析，加上初步數(shù)學(xué)模型對數(shù)據(jù)的試湊實現(xiàn)人工的參數(shù)整定。人工非在線參數(shù)的整定方法，在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)針對溫度對象控制器的實現(xiàn)方法當(dāng)中，仍然得到較多的采用，即使采用某些自整定的方法，大都是用一些開環(huán)的整定方法［17］。物理意義非常明確的參數(shù)整定方法，在實際的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中被人們長期使用，被控對象的參數(shù)特征相匹配的數(shù)據(jù)，將控制器的某個或多個參數(shù)通過特定的規(guī)則使其與找到的數(shù)據(jù)匹配，適用于人工非在線參數(shù)整定，然而當(dāng)控制對象的某些參數(shù)發(fā)生變化后，就需再次根據(jù)變化后的數(shù)據(jù)進行人工的參數(shù)整定，費時費力［18］。

Fuzzy－PID控制和參數(shù)模糊整定PID控制方法是模糊控制與PID相結(jié)合的控制方法中主要的形式［19］。Fuzzy－PID控制的系統(tǒng)有自動轉(zhuǎn)換開關(guān)“switch”，可以根據(jù)不用的情況選擇不同的控制方法，系統(tǒng)偏差e較小時采用PID控制，使系統(tǒng)具有好的靜態(tài)性能［20］;當(dāng)系統(tǒng)反饋與系統(tǒng)給定值的偏差e較大時“switch”開關(guān)自動轉(zhuǎn)換到模糊控制檔位，這樣系統(tǒng)就會具有較短的響應(yīng)時間以及優(yōu)秀的動態(tài)系統(tǒng)性能。參數(shù)模糊整定PID控制方法是通過模糊規(guī)則調(diào)節(jié)的，模糊推理器根據(jù)反饋與設(shè)定的偏差和系統(tǒng)的偏差的變化率（偏差變化率）ec推理出PID 參數(shù)［21－23］。

4 我國生物質(zhì)固化成型技術(shù)存在的問題

從1938年國外的學(xué)者開始生物質(zhì)固化成型技術(shù)至今，已經(jīng)過去了近80 a，國內(nèi)外的學(xué)者為成型技術(shù)的發(fā)展做了巨大貢獻，為以后的進一步研究提供了良好的理論基礎(chǔ)和實驗數(shù)據(jù)［24］，但目前仍有一些技術(shù)難題，制約著我國生物質(zhì)固化成型技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)如下兩方面:

（1）模具的使用壽命短造價高，目前解決模具失效問題的研究大多是局限于模具的設(shè)計，缺少對成型機過程控制的研究。

（2）自動化控制程度低，沒有形成完整的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在加工過程中造成能量的浪費。

5 結(jié)論

針對成型機智能化控制程度低的問題，結(jié)合計算機及智能控制技術(shù)對成型機控制系統(tǒng)進行研究，建議針對以下內(nèi)容競相研究。對生物質(zhì)固化成型進行試驗研究，得到影響生物質(zhì)固化成型的主要因素，對主要影響因素進行研究得出精確的采集方法［25］;建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)進行采集，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫;分析數(shù)據(jù)庫信息，建立被控對象數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)學(xué)模型確定控制方案;對控制方案進行仿真實驗，得到最優(yōu)控制方法;構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對成型機的自動控制。

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