基于模糊PID算法的熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計及仿真

李 旭, 楊 熠，王 輝，喬延輝，王雅賓

(1.華能吉林發(fā)電有限公司九臺電廠，吉林 長春 130501 2.北京華能新銳控制技術(shù)有限公司，北京 102209)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，促使熱風(fēng)爐在高爐煉鐵生產(chǎn)過程中占有的地位逐漸增長。熱風(fēng)爐是高爐冶煉生產(chǎn)過程中必不可少的設(shè)備之一，可為高爐生產(chǎn)提供所需溫度，并為高爐生產(chǎn)持續(xù)供應(yīng)穩(wěn)定的熱風(fēng)，具有一定鼓風(fēng)功能。除此之外，該設(shè)備具有提升高爐煉鐵生產(chǎn)效率、質(zhì)量等方面的作用。但傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝存在一定局限性，不利于操作人員對熱風(fēng)爐實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。而模糊PID算法已成為解決熱風(fēng)爐燃燒問題的重要手段之一，將該算法應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)中，對于熱風(fēng)爐的燃燒具有重要作用。

1 熱風(fēng)爐燃燒流程分析

熱風(fēng)爐在工作過程中主要按照“蓄熱”的原理維持自身運(yùn)轉(zhuǎn)，其主要作用為：利用熱風(fēng)爐的鼓風(fēng)功能，使熱風(fēng)爐可達(dá)到與要求相符合的溫度，以此提高熱風(fēng)爐整體的燃燒效率及效益。而熱風(fēng)爐“蓄熱”原理為：在熱風(fēng)爐內(nèi)的燃燒室進(jìn)行煤氣燃燒，煤氣在燃燒過程中會產(chǎn)生大量高溫廢氣，將該廢氣排放至熱風(fēng)爐的格子磚內(nèi)，并且格子磚具有一定蓄熱功能，在格子磚得到充分加熱后，熱風(fēng)爐將自身的送風(fēng)閥門全部打開。除此之外，全部燃燒閥門全部關(guān)閉，此時的熱風(fēng)爐處于輸送冷風(fēng)狀態(tài)[1]。

熱風(fēng)爐在運(yùn)轉(zhuǎn)之前，需要熱風(fēng)爐為整個燃燒期供應(yīng)全部熱量，熱風(fēng)爐將對自身燃燒過程中的總供熱量進(jìn)行設(shè)定與調(diào)節(jié)?？偣崃空{(diào)節(jié)過程中，將熱風(fēng)爐的溫度升高至1 350 ℃，并保證熱風(fēng)爐具有一定的蓄熱量，使?fàn)t內(nèi)溫度可持續(xù)供應(yīng)。在熱風(fēng)爐溫度升高的過程中，為最大限度地提升爐內(nèi)空氣流量，使?fàn)t內(nèi)煤氣流量數(shù)值處于不變狀態(tài)，并降低熱風(fēng)爐的溫度。在熱風(fēng)爐的溫度降為零后，使熱風(fēng)爐內(nèi)的廢氣溫度再次升高，至350 ℃后停止升溫，此時為避免熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)因溫度超過閾值，而出現(xiàn)系統(tǒng)被破壞的現(xiàn)象，應(yīng)使煤氣流量與空氣流量的數(shù)值處于降低狀態(tài)，以此保證熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的安全，熱風(fēng)爐燃燒流程如圖1所示[2]。

圖1 熱風(fēng)爐燃燒流程圖

2 基于模糊PID算法的熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 拱頂溫度自動控制系統(tǒng)基本原理

熱風(fēng)爐在燃燒過程中空氣流量調(diào)節(jié)閥周圍的環(huán)境處于不斷變化的狀態(tài)，對于熱風(fēng)爐內(nèi)部的空氣流量數(shù)值可產(chǎn)生一定影響。為實時監(jiān)控空氣流量調(diào)節(jié)閥的環(huán)境變化情況，本研究將溫度傳感器安裝至拱頂溫度自動控制系統(tǒng)中，并將c(t)作為代表，對空氣流量變化情況進(jìn)行監(jiān)控。對監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行分析可知，若空氣流量內(nèi)雜質(zhì)過多，可造成熱風(fēng)爐頂部的溫度出現(xiàn)變化，不利于爐頂溫度的準(zhǔn)確測量，該差距可表示為：e=r(t)-b(t)。除此之外，n(t)表示擾動量，該擾動量的出現(xiàn)實際上是由于系統(tǒng)輸出量出現(xiàn)較大偏差，從而形成對系統(tǒng)的干擾，拱頂溫度自動控制系統(tǒng)基本原理框圖如圖2所示[3]。

圖2 拱頂溫度自動控制系統(tǒng)基本原理框圖

為獲取系統(tǒng)輸出量造成的偏差數(shù)值，首先利用控制器獲取相應(yīng)的電信號，通過對比分析即可獲取系統(tǒng)存在的偏差值。偏差值與空氣流量數(shù)值之間存在兩種關(guān)系：

(1)偏差值>0：該現(xiàn)象表示系統(tǒng)內(nèi)空氣流量數(shù)值較低，應(yīng)將數(shù)值調(diào)大；

(2)偏差值<0：該現(xiàn)象表示系統(tǒng)內(nèi)空氣流量數(shù)值較高，應(yīng)將數(shù)值降低，以此達(dá)到改變空燃比的目的[4]。

2.2 模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于模糊PID控制結(jié)構(gòu)在功能上具有安全性高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)中，并利用PC對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)控制，可有效解決熱風(fēng)爐存在的燃燒問題。動態(tài)控制過程要求PC結(jié)合熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的實際相應(yīng)狀況進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，該方式在一定程度可使熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的參數(shù)不受影響，并且具有改善熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)性能的作用，模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)圖

對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行實際控制過程中，首先對控制參數(shù)進(jìn)行要求設(shè)置，在熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)控制的初始階段，不可同時擴(kuò)大或減小控制參數(shù)Kp和Kd，并令常數(shù)Ki=0；當(dāng)系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)的中間環(huán)節(jié)時，應(yīng)最大限度地降低常數(shù)Kp，并確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度。除此之外，系統(tǒng)調(diào)節(jié)后期應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注比例與積分常數(shù)之間數(shù)值的變化，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；若系統(tǒng)偏差變化率較低，應(yīng)調(diào)大Kd值[6]。

3 熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)的模糊PID控制器設(shè)計

3.1 確定模糊PID控制器變量

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對該系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計時，應(yīng)將該控制器分為兩部分：煤氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器、空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器。對煤氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的輸入變量T和ΔT進(jìn)行確定時，可利用采樣周期內(nèi)拱頂溫度的變化量以及變化率對爐內(nèi)煤氣流量進(jìn)行判斷，輸出變量為控制信號U。而空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的輸入變量為：實際爐內(nèi)廢氣含氧量以及充分燃燒時標(biāo)準(zhǔn)含氧量的差值E以及廢氣含氧量變化速率EC，輸出變量為控制信號U[7]。

3.2 總結(jié)模糊PID控制器控制規(guī)則

模糊PID控制器控制規(guī)則實際上指的是：工作人員采用手動方式對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行控制過程中積累的控制策略。該策略需要工作人員長時間的修正與完善后方可獲得。因此，對煤氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器以及空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的控制規(guī)則進(jìn)行總結(jié)時，應(yīng)長期觀察工作人員的手動燃燒方法，并進(jìn)行如下分析[8]。

1)煤氣調(diào)節(jié)模糊控制器控制規(guī)則

對煤氣調(diào)節(jié)模糊控制器控制規(guī)則進(jìn)行研究可知，拱頂溫度與煤氣流量存在一定關(guān)系。從某種意義上講，拱頂溫度的快速上升，主要由煤氣流量供給量的增長情況進(jìn)行決定。結(jié)合上述內(nèi)容，可將煤氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的控制過程指定為：當(dāng)輸入變量T為正，且變化率ΔT數(shù)值較高時，可代表拱頂溫度存在進(jìn)一步上升趨勢，此時應(yīng)利用控制器將煤氣的供給量進(jìn)行降低，用條件語句可表示為

“ifT=PB+ andΔT=PB+，thenU=NB+.”

煤氣調(diào)節(jié)PID模糊控制器的控制規(guī)則如表1所示。

表1 煤氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的控制規(guī)則

2)空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器控制規(guī)則

熱風(fēng)爐內(nèi)的含氧量可直接表示煤氣與空氣的燃燒效果，若廢氣中的含氧量較高，可表明參與燃燒的空氣流量數(shù)值過高，應(yīng)適當(dāng)降低該含量；當(dāng)廢氣中的含氧量較低，可表明參與燃燒的空氣流量數(shù)值過低，應(yīng)保證煤氣流量的原本參與量，并適當(dāng)增加空氣流量，可用條件語句表示為

“ifE=PB+ andEC=PB+，thenU=NB+.”

空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的控制規(guī)則如表2所示[9]。

表2 空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的控制規(guī)則

3.3 確定模糊PID控制器相關(guān)參數(shù)

參數(shù)的確定應(yīng)圍繞控制器的變量進(jìn)行研究。煤氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的論域范圍：輸入變量T為(-4,4)、變化率ΔT為(-4,+0.4)、輸出量U為(-400,400)；空氣調(diào)節(jié)模糊PID控制器的論域范圍：差值E(-4,0.4)、變化速率EC為(-4,0.4)、輸出量(-400,400)，而量化因子與比例因子皆確定為1。除此之外，確定模糊PID控制器的模糊方法時，首先應(yīng)對隸屬函數(shù)的形狀及參數(shù)進(jìn)行確定，本研究為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，主要采用三角隸屬函數(shù)的方式進(jìn)行賦值。

4 基于模糊PID算法的熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)仿真測試

為維持熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本研究采用將模糊控制與PID充分結(jié)合形成模糊PID控制器的方式進(jìn)行實現(xiàn)。為控制熱風(fēng)爐拱頂?shù)臏囟?，對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，測試過程中，應(yīng)找出變量EC和E的對應(yīng)關(guān)系，并計算出輸出量Kp、Ki、Kd的數(shù)值。其中EC和E的論域可設(shè)置為[-3,3]。結(jié)合該測試的結(jié)果進(jìn)行分析可知，Kp、Ki、Kd的值分別為：0.031、0.000 4、0.062，拱頂溫度模糊PID控制仿真波形如圖4所示[10]。

圖4 拱頂溫度模糊PID控制仿真波形圖

超調(diào)量σp=4%、上升時間tr=230 s，調(diào)節(jié)時間ts=500 s。除此之外，時間為580 s時，拱頂?shù)臏囟瓤蛇_(dá)1 350 ℃，該現(xiàn)象可證明基于PID算法的熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制性。

5 結(jié) 語

為避免熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)因溫度超過閾值，而出現(xiàn)系統(tǒng)被破壞的現(xiàn)象，本研究利用模糊PID算法，對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與仿真測試，測試結(jié)果表明，基于模糊PID算法的熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制性。在未來發(fā)展中，應(yīng)加強(qiáng)對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)中技術(shù)的提升，為提高高爐生產(chǎn)效率奠定基礎(chǔ)。