分階段模糊控制在熱風(fēng)爐燃燒控制中的應(yīng)用

高 維

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，長沙410200）

目前，國內(nèi)大部分高爐熱風(fēng)爐的燃燒控制都是采用傳統(tǒng)的比例極值調(diào)節(jié)法，這種方法對檢測儀表的要求不高，操作工根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)手動改變?nèi)紵目杖急?，空燃比調(diào)整滯后，不能實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的最優(yōu)燃燒。采用數(shù)學(xué)模型控制能夠針對各階段燃燒的不同特點(diǎn)對整個(gè)燃燒過程實(shí)施合理的控制，將燃燒和送風(fēng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)自動控制[1]。但是數(shù)學(xué)模型需要有完善的檢測系統(tǒng)，投資成本大，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風(fēng)爐中無法應(yīng)用。國內(nèi)僅有寶鋼等幾個(gè)大型鋼鐵企業(yè)的高爐熱風(fēng)爐使用了燃燒控制數(shù)學(xué)模型并且都是引進(jìn)的國外公司產(chǎn)品。模糊控制技術(shù)在一定程度上克服了以上控制方法帶來的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)模型的不足[2]。

本文以某煉鐵廠高爐配套的4 座外燃式熱風(fēng)爐為對象，對燃燒過程進(jìn)行分階段控制，每個(gè)階段設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器，根據(jù)目標(biāo)溫度的偏差和變化速率來優(yōu)化空燃比，在不增加檢測儀表和投資成本的基礎(chǔ)上，提高熱風(fēng)爐熱效率，穩(wěn)定拱頂溫度，達(dá)到工藝的設(shè)計(jì)要求。

1 工藝簡介

熱風(fēng)爐在燃燒狀態(tài)下，通過煤氣的燃燒產(chǎn)生廢氣，廢氣穿過蓄熱室和格子磚進(jìn)行熱交換達(dá)到蓄熱的目的[3]，整個(gè)燃燒過程，拱頂最高溫度不能超過1400 ℃；在送風(fēng)期，冷風(fēng)由下而上穿過蓄熱室，與格子磚進(jìn)行熱交換后變?yōu)闊犸L(fēng)送往高爐，熱風(fēng)爐燃燒時(shí)間約90 min，送風(fēng)時(shí)間約45 min。

熱風(fēng)爐的整個(gè)燃燒過程分為燃燒初期、拱頂溫度管理期和廢氣溫度管理期3 個(gè)階段[4]，如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)爐燃燒過程原理Fig.1 Combustion process principle of hot blast stove

2 熱風(fēng)爐模糊控制方案

每個(gè)燃燒區(qū)段的控制目標(biāo)不同，燃燒初期為了盡快達(dá)到拱頂溫度設(shè)定值，以快速加熱為主，一般保持最大煤氣量根據(jù)含氧量調(diào)節(jié)空氣量[5]；拱頂溫度管理期以拱頂溫度為限制值，以廢氣溫度為主要控制對象，加大空氣量來增加蓄熱量；廢氣管理期保證在規(guī)定的燃燒時(shí)間內(nèi)，廢氣溫度不會超過上限，保證蓄熱量，防止?fàn)t蓖子支柱被損壞，提高熱風(fēng)爐使用壽命，如圖2所示。

圖2 拱頂和廢氣溫度控制示意圖Fig.2 Dome and exhaust gas temperature control diagram

為了更好的控制效果，一個(gè)控制規(guī)則庫不能滿足各個(gè)燃燒階段的具體要求，所以采用分階段多規(guī)則庫的模糊控制器，對熱風(fēng)爐燃燒過程采用分階段模糊控制。分階段多規(guī)則庫的模糊控制器是一個(gè)總的模糊控制器內(nèi)部包含幾個(gè)單功能的子模糊控制器。這些子模糊控制器針對燃燒過程不同狀態(tài)、不同控制規(guī)則設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)根據(jù)系統(tǒng)輸入的狀況，通過選擇條件接通相應(yīng)的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)控制策略的轉(zhuǎn)換，熱風(fēng)爐模糊控制方案框圖如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)爐模糊控制方案圖Fig.3 Fuzzy control scheme of hot blast stove

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

熱風(fēng)爐的燃燒系統(tǒng)是空氣隨煤氣調(diào)節(jié)的隨動比值控制系統(tǒng)，空燃比的設(shè)定是整個(gè)燃燒過程的控制關(guān)鍵。根據(jù)燃料熱值計(jì)算基本確定各燃燒階段的初始值，在各燃燒階段進(jìn)行模糊運(yùn)算確定燃燒狀況，對空燃比進(jìn)行修正，修正后的空燃比通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC，計(jì)算得出空煤氣流量，按照交叉限幅進(jìn)行控制。

熱風(fēng)爐燃燒過程中的3 個(gè)階段，其每個(gè)階段對應(yīng)的模糊控制器的形式和結(jié)構(gòu)基本相同，下面以燃燒過程的拱頂溫度管理期為例說明，圖4為典型的模糊控制器的框圖。

圖4 模糊控制器框圖Fig.4 Diagram of fuzzy controller

3.1 輸入輸出變量的確定

拱頂溫度管理期，為了避免蓄熱時(shí)間不夠，提前進(jìn)入廢氣溫度管理期。以廢氣溫度為控制目標(biāo)，選取廢氣溫度與設(shè)定值的偏差值和廢氣溫度的變化率作為輸入量。廢氣設(shè)定溫度Tsv為300 ℃，其基本論域的范圍定義為［276 ℃，324 ℃］，煙氣溫度設(shè)定值與實(shí)際值的誤差：

設(shè)定論域E 為熱風(fēng)爐煙氣溫度偏差e 的模糊子集，將基本論域分為n=6 檔，量化為13 個(gè)等級。根據(jù)，求得量化因子ke=4，對煙氣溫度偏差的基本論域進(jìn)行均勻量化，采用三角形隸屬函數(shù)曲線，得到模糊語言變量E 的隸屬函數(shù)關(guān)系如圖5所示。

圖5 輸入變量E 的隸屬函數(shù)曲線Fig.5 Membership function curve of input variable E

煙氣溫度變化率的基本論域范圍定義為［-2.5 ℃，2.5 ℃］，煙氣溫度變化率：

第n-1 個(gè)采樣周期的溫度測量值是Tpv（n-1），第n 個(gè)采樣周期就是當(dāng)前溫度的測量值Tpv（n），Δt是采樣周期，采樣周期1 min。設(shè)定論域EC 為熱風(fēng)爐煙氣溫度變化ec 的模糊子集，將基本論域分為n=6 檔，量化煙氣溫度變化率為13 個(gè)等級，根據(jù)，求得量化因子，對煙氣溫度變化率的基本論域進(jìn)行非均勻量化，采用三角形隸屬函數(shù)曲線，得到模糊語言變量EC 的隸屬函數(shù)關(guān)系如圖6所示。

圖6 輸入變量EC 的隸屬函數(shù)曲線Fig.6 Membership function curve of input variable EC

輸出變量為空氣與煤氣的空燃比修正系數(shù)u，其基本論域?yàn)椋?0.04，0.04］。設(shè)定論域U 為輸出量空燃比修正系數(shù)u 的模糊子集，將基本論域分為n=6 檔，空燃比修正系數(shù)量化為13 個(gè)等級，離散化空燃比修正系數(shù)連續(xù)變化的精確量，采用三角形隸屬函數(shù)曲線，得到模糊語言輸出變量U 的隸屬函數(shù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 輸出變量U 的隸屬函數(shù)曲線Fig.7 Membership function curve of output variable U

3.2 模糊控制規(guī)則

總結(jié)熱風(fēng)爐操作和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，形成模糊控制策略，進(jìn)行歸納總結(jié)形成49 條控制規(guī)則，見煙氣升溫模糊控制規(guī)則表1所示。

表1 煙氣升溫模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rules for flue gas temperature rise

3.3 實(shí)際控制量的確定

拱頂溫度管理期的模糊控制器采用雙輸入、單輸出的形式，根據(jù)模糊集合理論，二維模糊控制器的模糊關(guān)系矩陣R 是偏差論域E、變化率論域EC和輸出量增量論域U 的組合。對控制規(guī)則表1中的49 條規(guī)則進(jìn)行模糊推理及清晰化計(jì)算。

表2 實(shí)際控制規(guī)則表Tab.2 Actual control rules

本模糊控制設(shè)計(jì)的3 個(gè)子模糊控制器分別對應(yīng)燃燒過程的3 個(gè)燃燒階段，上面介紹了熱風(fēng)爐拱頂溫度管理期模糊控制器的設(shè)計(jì)使用過程，選擇切換條件要綜合考慮高爐及熱風(fēng)爐的運(yùn)行狀況來決定，合適的切換條件是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行重要環(huán)節(jié)。每個(gè)模糊控制器在運(yùn)行時(shí)模糊量的實(shí)際取值也比較重要，空燃比增量太小，拱頂溫度的上升速率不明顯，不能實(shí)現(xiàn)快速升溫，步長太大會造成控制不穩(wěn)定。為了保證熱風(fēng)爐的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，空燃比增量步長采用0.02 較為合適，結(jié)合拱頂溫度的燃燒曲線，混合煤氣0.1 的空燃比變化，大約有50～100 ℃的溫度變化，拱頂溫度上升速率會發(fā)生顯著變化。

4 模糊控制應(yīng)用的效果

穩(wěn)定燃燒過程，克服高爐煤氣壓力等外界干擾對煤氣流量的擾動，穩(wěn)定煤氣和空氣流量，投入自動燃燒系統(tǒng)后，燃燒過程中煤氣流量的波動較小，最大波動可以控制在3000 m3/h 左右。

穩(wěn)定拱頂溫度，提高熱風(fēng)爐熱效率，通過現(xiàn)場蓄熱室拱頂溫度100 min 和10 h 的歷史趨勢看，4 座熱風(fēng)爐蓄熱室的拱頂升溫過程的溫度曲線平緩穩(wěn)定，并且能夠?qū)⑿顭釡囟缺３衷?300 ℃，超過工藝要求溫度1250 ℃，滿足高爐生產(chǎn)的風(fēng)溫要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，提出分階段模糊控制方案，在常規(guī)的基礎(chǔ)自動化加入空燃比修正系數(shù)的模糊控制器，在投入運(yùn)行后穩(wěn)定燃燒過程和提高高爐風(fēng)溫，熱風(fēng)爐拱頂溫度可以達(dá)到1300 ℃，燃燒控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果。