燃燒室模糊自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)踐

朱英浩

摘 要

該應(yīng)用主要研究分析實(shí)踐了豎爐燃燒控制的原理及其特點(diǎn)，確立了基于VisualBasic6.0語(yǔ)言編程環(huán)境下模糊數(shù)學(xué)矩陣模型和PID結(jié)合的豎爐燃燒控制策略。最終提高了燃料的利用率，同時(shí)也達(dá)到了提高燃料空燃比的目的，實(shí)現(xiàn)燃料在燃燒過(guò)程中的基礎(chǔ)自動(dòng)化和多變量聯(lián)合控制，使得豎爐然自動(dòng)控制和生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】IndustrialIT OPC 模糊

1 系統(tǒng)概述

冶金行業(yè)燃燒室自動(dòng)燃燒控制過(guò)程影響因素較多，比如：采用傳統(tǒng)的PID控制自動(dòng)燃燒室，則自動(dòng)燃燒室的燒成質(zhì)量波動(dòng)比較大，也直接影響到煉鐵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。為了進(jìn)一步提高燃燒室燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對(duì)燃燒室的燃燒控制原理和相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，最終確立了基于VisualBasic6.0語(yǔ)言編程環(huán)境下模糊數(shù)學(xué)矩陣模型和PID結(jié)合的豎爐燃燒控制策略。該程序功能在ABB公司的IndustrialIT AC800F系統(tǒng)外掛OPC網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，程序根據(jù)豎爐燃燒室的工藝特點(diǎn)，既提高了燃燒室燃料的利用效率，又達(dá)到了燃燒室維持合理空燃比的目的，確保燃燒室在燃燒期間將自動(dòng)化與多變量聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)豎爐燃燒自動(dòng)控制和生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化。

2 程序功能設(shè)計(jì)和算法說(shuō)明

通過(guò)采用模糊控制、PID控制相結(jié)合的方法來(lái)達(dá)到豎爐溫度的最優(yōu)化控制。首先，采用模糊PID控制方法來(lái)控制燃燒室的溫度，換言之為自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒室的溫度，即燃燒室的溫度偏差較大時(shí)，模糊控制就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)溫度的偏差；如果燃燒室的溫度偏差比較小時(shí)，則利用PID進(jìn)行積極調(diào)整，進(jìn)而確保燃燒室溫度的穩(wěn)定性。由于燃燒室的空氣量與溫度成反比，而在燃燒室建立模糊規(guī)則模型調(diào)控溫度，則燃燒室的空氣量與溫度成正比，即燃?xì)饬吭龃?，空燃比就增加，燃燒室的溫度就?huì)升高，因此在控制燃燒室豎爐溫度期間可以用空氣量乘以合理的空燃比系數(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)模糊外圍決策變量（如：煤氣總管流量和壓力等）偏離時(shí)，將系統(tǒng)調(diào)整到無(wú)偏差穩(wěn)定狀態(tài)非常重要，然后將調(diào)整后的系統(tǒng)控制量定位為模糊決策的輸出。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整到誤差狀態(tài)時(shí)，主要由PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，最終對(duì)其狀態(tài)的穩(wěn)定與否進(jìn)行判斷，為了提高判斷的準(zhǔn)確性，主要通過(guò)在一定時(shí)間范圍內(nèi)檢測(cè)誤差范圍，最后根據(jù)模糊決策公式，修正相應(yīng)的參數(shù)使模糊決策得以修正。由于燃燒室模糊自動(dòng)控制系統(tǒng)由多個(gè)燃燒室組成，因此在自動(dòng)化系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要結(jié)合已有參數(shù)包括煤氣閥位、煤氣流量、煤氣壓力等來(lái)確定配風(fēng)量條件的充分性，同時(shí)還要結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，才能獲得較為客觀的結(jié)果。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間對(duì)配風(fēng)量的細(xì)致研究，確定了最佳配風(fēng)量的影響因素，從而確定了煤氣閥位、煤氣流量、煤氣壓力與配風(fēng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這步實(shí)質(zhì)是將我們技術(shù)人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得出的一條條模糊條件控制的集合表述，最終能確定各變量的模糊語(yǔ)言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即進(jìn)行模糊化。由于部分參數(shù)可以由技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整，因此其配風(fēng)量相對(duì)比較合理。

模糊推理軟件的主體程序建立在上位機(jī)OS上，根據(jù)時(shí)間和事件的不斷發(fā)生，因而被周期性的啟動(dòng)運(yùn)行?？刂茀?shù)也是建立在對(duì)離線分析（包括數(shù)學(xué)模型和實(shí)物模型的實(shí)驗(yàn)）、在線分析的基礎(chǔ)上，最終結(jié)合崗位工人師傅的操作經(jīng)驗(yàn)才確定的。在具體研究期間，由于一部分控制參數(shù)固化在模糊推理軟件中，它不需要改變，而另一部分參數(shù)與外界因素有非常緊密的聯(lián)系，因此當(dāng)這些因素的變化對(duì)燃燒控制影響較大時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，才能確保模糊推理軟件主體程序的合理運(yùn)行。

3 程序設(shè)計(jì)和技術(shù)關(guān)鍵

3.1 模擬量數(shù)據(jù)抗干擾設(shè)計(jì)

在此程序的模擬量輸入信號(hào)（如溫度、壓力、流量）環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)OPC網(wǎng)關(guān)采集的工程單位轉(zhuǎn)換后增加一個(gè)微分器環(huán)節(jié)功能塊，當(dāng)數(shù)值從輸出OUT端輸出時(shí)間延后時(shí)，該微分器環(huán)節(jié)功能塊可以濾除信號(hào)的異常變化，為了能夠正常合理運(yùn)行，一班設(shè)置滯后時(shí)間微分常數(shù)為3s。在模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)微分器環(huán)節(jié)功能塊延遲過(guò)濾處理后，模擬量信號(hào)的干擾點(diǎn)被排除，因而獲得的信號(hào)比較平穩(wěn)，主要源于模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)微分模塊計(jì)算后得出了抗干擾信號(hào)最終送到模糊控制程序的邏輯中，因而信號(hào)獲得過(guò)程抗干擾能力強(qiáng)。

3.2 確定燃燒室燃燒控制變量偏差和偏差率

確定煤氣和空氣流量、壓力、廢氣量和燃燒室溫度等控制模糊控制器的輸入、輸出變量的偏差，同時(shí)還要確定其偏差的變化率，在二者結(jié)合的情況下才能確定模糊控制器的加權(quán)系數(shù)。在燃燒室實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，要清晰各個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際輸入、輸出變量變化范圍，最終才能確定它們的量化等級(jí)、量化因子和比例系數(shù)。

3.3 制作出燃燒室控制模糊矩陣控制表

模糊數(shù)學(xué)矩陣模型我們選取了7個(gè)，然后對(duì)所選的7個(gè)數(shù)學(xué)矩陣模型的模糊集定義其隸屬函數(shù)，然后根據(jù)燃燒室問(wèn)題的不同其間隔呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。在此現(xiàn)象基礎(chǔ)上，確定煤氣流量模糊控制規(guī)則的同時(shí)，還要確保下一步使用傳統(tǒng)PID控制器的輸出能夠使得系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)性達(dá)到最佳狀態(tài)。經(jīng)模糊數(shù)學(xué)矩陣模型回路計(jì)算后快速作用在煤氣流量調(diào)節(jié)閥上輸出閥位開(kāi)閥百分比，注意的是程序中我們對(duì)閥位的輸出是有變化速率限制的，一般設(shè)置為5%的變化。

3.4 燃燒室PID微調(diào)控制

根據(jù)模糊矩陣模型調(diào)節(jié)，當(dāng)選取的煤氣、空氣、溫度等變量偏差變化率的值在負(fù)小和正小范圍內(nèi)時(shí)，燃燒室控制系統(tǒng)調(diào)用傳統(tǒng)PID進(jìn)行燃燒室溫度和煤氣流量的精確調(diào)整，需對(duì)比例因子P和細(xì)調(diào)因子I進(jìn)行調(diào)整、觀察和再調(diào)整以達(dá)到理想的控制空燃比效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)研究成果已經(jīng)在某煉鐵廠球團(tuán)3#、4#豎爐燃燒室自動(dòng)燃燒控制應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了ABB公司的IndustrialIT AC800F系統(tǒng)通過(guò)外掛OPC網(wǎng)關(guān)和VisualBasic語(yǔ)言模糊控制程序控制系統(tǒng)的無(wú)逢集成。豎爐燃燒自動(dòng)運(yùn)行率達(dá)到97%，由此可見(jiàn)燃燒室的豎爐燃燒的可靠性更高、性能更加完善，同時(shí)運(yùn)用也非常方便。并且由于豎爐燃燒期間情況穩(wěn)定，因此燃燒效果和豎爐的溫度都非常穩(wěn)定，最終提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，也節(jié)約了大量的能源資源，從整體上提高了經(jīng)濟(jì)效益，該項(xiàng)成果還可以廣泛應(yīng)用于冶金、水泥等涉及密閉燃燒室控制的領(lǐng)域。

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作者單位

河鋼集團(tuán)宣鋼公司 河北省張家口市 075100endprint