基于雙閉環(huán)的生物質(zhì)氣化爐控制初探

方黎明　肖曉明

摘 要：生物質(zhì)氣化過程具有非線性、不穩(wěn)定性和負(fù)荷干擾等特點(diǎn)，現(xiàn)提出了一種雙閉環(huán)控制方法，它主要是通過變論域和模糊控制算法控制氣化爐的一次風(fēng)量，從而達(dá)到降低可燃?xì)怏w含氧量、維持氣化爐溫度穩(wěn)定性的目的。通過仿真和現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果來證明該技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)氣化爐；雙閉環(huán)；變論域；模糊控制

中圖分類號：TK61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.009

隨著各行各業(yè)的快速發(fā)展，對能源的需求量也在大幅提升，但是，石油燃料的大量開采、使用，使得生態(tài)環(huán)境污染狀況加劇，石化燃料資源緊張與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾越來越激烈。由于生物質(zhì)能源具有可再生、清潔、無污染的特征，并且能源豐富，所以，對它的研究和利用逐漸受到了社會各界的關(guān)注。從整體利用情況來看，生物質(zhì)氣化能夠帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，但是，其生產(chǎn)存在著許多不確定因素，例如，氣化爐溫度波動大、不穩(wěn)定性較強(qiáng)且負(fù)荷干擾等，所以，無法使用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確表達(dá)。這樣，不但會影響控制效果，還限制了生物質(zhì)能的廣泛應(yīng)用。目前，我國生物質(zhì)氣化爐控制的研究尚處于起步階段，氣化爐仍以手工調(diào)節(jié)為主，這就對保持生物質(zhì)氣化爐內(nèi)溫度波動和氣化產(chǎn)物成分的穩(wěn)定性造成了一定的影響，所以，必須要使用先進(jìn)的控制算法提高氣化爐的控制效果。本文以下流式固定床氣化爐為研究主體，以秸稈作為主要原料，根據(jù)干燥、熱解、氧化和還原的流程來進(jìn)行氣化反應(yīng)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐內(nèi)溫度為300 ℃、含氧量<1%時，其轉(zhuǎn)換效率和氣體的質(zhì)量較高。

1 工藝分析

生物質(zhì)氣化的具體過程是，生物質(zhì)原料（比如鋸末、麥秸、稻草等）經(jīng)過壓制或破碎加工處理后，在缺氧的情況下，將其送入氣化爐內(nèi)氣化裂解，從而獲得凈化的可燃?xì)怏w。生物質(zhì)氣化的原理是在一定熱力學(xué)條件下，利用空氣和水蒸氣使生物質(zhì)的高聚物發(fā)生熱解、氧化、還原和重整反應(yīng)，最終生成小分子碳?xì)浠?/p>

物，以獲得含H2、CO、CH4等可燃性氣體。根據(jù)實(shí)踐分析可知，影響生物質(zhì)氣爐內(nèi)溫度的主要因素有生物質(zhì)熱值、生物質(zhì)給料量和一次風(fēng)量，這些因素會對準(zhǔn)確測算生物質(zhì)的熱值變化情況產(chǎn)生不利的影響。因此，本文提出了一種基于雙閉環(huán)的生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)，它的外環(huán)選用模糊遺傳控制器，內(nèi)環(huán)選用免疫PID控制器，其設(shè)計原理是利用雙閉環(huán)來控制生物質(zhì)燃料和風(fēng)量，從而使得爐內(nèi)的溫度處于穩(wěn)定的狀態(tài)，降低可燃?xì)怏w的含氧量。

2 系統(tǒng)硬件配置

在生物質(zhì)氣化爐中，一般是通過調(diào)節(jié)風(fēng)量來控制氣化爐內(nèi)的含氧量，但是，考慮到氣化溫度控制系統(tǒng)具有非線性、滯后的弊端，所以，在實(shí)際應(yīng)用過程中，一般采用模糊控制器來控制。本文設(shè)計的系統(tǒng)主要是采用雙閉系統(tǒng)硬件來控制生物質(zhì)氣化爐的含氧量，具體配置如圖1所示。在該氣化爐控制室內(nèi)設(shè)置A，B兩個操作站，A為主機(jī)，B為輔機(jī)，一般情況下，由A負(fù)責(zé)監(jiān)控，B負(fù)責(zé)提示報警。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，如果A發(fā)生故障，那么，該系統(tǒng)自動將B切換為主機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制和管理。

3 雙閉環(huán)設(shè)計

3.1 外環(huán)控制器設(shè)計

受到傳統(tǒng)控制方法的局限和在溫度控制系統(tǒng)中壓差、風(fēng)量等因素的影響，無法有效提高氣體質(zhì)量，控制溫度變化的穩(wěn)定性。同時，受環(huán)境、日夜和季節(jié)等因素的影響，生物質(zhì)氣化爐外環(huán)控制系統(tǒng)中的溫度傳感器檢測值會出現(xiàn)波動，無法自動調(diào)整隸屬函數(shù)等參數(shù)，因而，檢測值的準(zhǔn)確性受到了很大的影響。由于模糊控制器響應(yīng)速度較快，并且抗干擾性較強(qiáng)，所以，在系統(tǒng)的設(shè)計中，主要是利用模糊控制器預(yù)測溫度和含氧量的變化情況，然后再利用遺傳算法自動調(diào)整以控制給料量。

模糊控制器是根據(jù)模糊規(guī)則，參考生物質(zhì)氣化爐的溫度值與設(shè)定值間的偏差變化率推理出給料量。溫度模糊控制模塊的輸入變量為溫度檢測值與設(shè)定值之間的偏差e和變化率ec，輸出變量為給料量的增量Δu。在該控制器中，溫度偏差e介于-50～50之間，濃度偏差變化率ec介于-3～3之間，給料增量輸出Δu介于-2～2之間。實(shí)踐操作表明，只有當(dāng)溫度偏差較大時，才能體現(xiàn)出生物質(zhì)氣化爐溫度的變化趨勢。由此可見，控制增量U與偏差E有密切的關(guān)系，EC僅作為一個輔助參考變量。因此，可以根據(jù)經(jīng)驗建立模糊規(guī)則表，然后再利用模糊推理規(guī)則和隸屬度制訂模糊控制查詢表。系統(tǒng)對濃度偏差e、變化率ec模糊處理后，得到了E、EC，然后再利用模糊控制查詢表算出輸出U，之后再通過清晰化接口得出給料量的增量Δu。

遺傳算法具有搜索速度快、計算效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)氣化爐溫度控制系統(tǒng)中。它是根據(jù)進(jìn)化過程中獲取的信息自動組織并搜索出最科學(xué)的模糊算法結(jié)構(gòu)，

以此來有效地應(yīng)對系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常情況，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)力。本文在進(jìn)行模糊算法時，采用了梯形隸屬度函數(shù)，根據(jù)檢測環(huán)境的差異選擇不同的適應(yīng)度函數(shù)，再根據(jù)變異搜索獲得最優(yōu)的模糊算法結(jié)構(gòu)。在確定算法適應(yīng)度時，必須要考慮生物質(zhì)氣化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)定的準(zhǔn)確性和模糊推理系統(tǒng)的合理性，因而算法的適應(yīng)度分為溫度控制準(zhǔn)確性指標(biāo)和模糊隸屬度函數(shù)解釋性指標(biāo)。

3.2 免疫PID控制器

由于給料量對生物質(zhì)氣化爐的壓差有一定的干擾作用，并且生物質(zhì)氣化對參數(shù)精度也有較高的要求，所以，生物質(zhì)氣化爐的內(nèi)環(huán)一般選用精度較高的免疫PID控制器。在使用生物質(zhì)氣化爐雙閉環(huán)控制系統(tǒng)前，一般會通過PID達(dá)到控制的目的。通常情況下，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗將氣化爐內(nèi)干燥層溫度調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值±75 ℃的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)時間不得少于1 min。

4 應(yīng)用情況與結(jié)論

在生物質(zhì)氣化爐中，現(xiàn)場操作級控制設(shè)備選用美國的SLCS/OS，程序設(shè)計及上位機(jī)人機(jī)畫面設(shè)計則采用ROCKWELL公司的組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)。該軟件基于混合粒子群算法的數(shù)據(jù)歷史模糊控制算法，采用VC++編制，然后通過OPC通信與下位機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和操控。本文是在生物質(zhì)氣化爐能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)，氧化反應(yīng)能夠正常進(jìn)行的情況下，以1 000組爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)為樣本，在同等條件下選取了500組數(shù)據(jù)，然后在此基礎(chǔ)上利用雙閉環(huán)和灰色預(yù)測算法GM（1，1）學(xué)習(xí)和擬合，具體仿真實(shí)驗結(jié)果如圖2所示。

另外，在應(yīng)用雙閉環(huán)控制算法后，生物質(zhì)氣化爐內(nèi)的平均溫度誤差、含氧量、燃?xì)夂亢彤a(chǎn)量這幾項指標(biāo)有明顯的改變，爐內(nèi)溫度一般能夠與設(shè)定值相持平，穩(wěn)定波動較小，而可燃?xì)怏w的產(chǎn)量則大幅度提升。

5 結(jié)束語

基于生物質(zhì)氣化過程的非線性特征，本文主要研究了生物質(zhì)氣化爐的雙閉環(huán)控制算法，并通過工藝結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件配置和內(nèi)外環(huán)設(shè)計等一系列分析。經(jīng)過對其應(yīng)用狀況的詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在有效控制爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性和可燃性氣體的含氧量方面具有一定的優(yōu)越性。同時，從仿真實(shí)驗結(jié)果中也能發(fā)現(xiàn)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，當(dāng)相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時，該系統(tǒng)的控制質(zhì)量能夠大幅度提升，調(diào)節(jié)速度也會更快，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。希望本文能夠為提高該系統(tǒng)的應(yīng)用水平提供一些建議，從而為提高生物質(zhì)氣化效率和質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉紅波，李少遠(yuǎn)，柴天佑.一種基于模糊切換的模糊負(fù)荷控制器及其應(yīng)用[J].控制與決策，2003（5）：615-618.

〔編輯：白潔〕