基于模糊控制的熱風爐燃燒控制系統(tǒng)

摘要：針對熱風爐燃燒系統(tǒng)的復雜性、非線性、參數的不確定性和我國熱風爐燃燒控制系統(tǒng)的現狀，分析了拱頂溫度、空燃比、煤氣流量這三者的關系，開發(fā)了基于模糊控制的熱風爐燃燒控制系統(tǒng)模型。仿真結果表明，該系統(tǒng)確實比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)使燃燒過程更加穩(wěn)定，提高了熱交換效率。
關鍵詞：熱風爐；燃燒；模糊控制；空燃比

0 引言
    熱風爐是高爐冶煉過程中重要的熱交換設備。建立熱風爐燃燒控制模型的目標是實現燃燒過程的自動控制，其核心是優(yōu)化空燃比和煤氣流量的實時調整，保證燃燒過程的高效、節(jié)能、穩(wěn)定，延長熱風爐使用壽命。
    目前，我國絕大多數熱風爐的燃燒控制主要還是采用手動控制，煤氣流量和空氣流量的大小由人工憑經驗手動調節(jié)，因此，供熱溫度波動較大，對熱風爐的壽命也有很大影響，并造成煤氣的巨大浪費。國內外熱風爐的空燃比控制主要有傳統(tǒng)控制方法、數學模型方法、人工智能方法。傳統(tǒng)控制方法主要有比例極值調節(jié)法和煙氣氧含量串級比例控制法，但是由于不能及時改變空燃比，不易實現熱風爐的最佳燃燒，且測氧儀器成本高、難以維護，因此，實際使用效果不太理想；數學模型法能將換爐、送風結合為一體，實現全閉環(huán)自動控制，但由于檢測點多，在生產條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風爐中不易實現；人工智能方法主要有神經網絡和模糊控制，神經網絡控制對熱風爐燃燒過程有極強的自學習能力，但抗干擾能力較弱，而模糊控制不需數學模型，有較強的抗干擾能力且易于實現，因此尤其適用于熱風爐這類難以確切描述的非線性系統(tǒng)。

1 熱風爐燃燒控制系統(tǒng)
1．1 熱風爐的燃燒過程
    燃燒過程對應著蓄熱室的蓄熱過程，它分為加熱期和拱頂溫度管理期。在加熱期，蓄熱室拱頂的溫度很低，廢氣的熱量大部分被拱頂吸收，拱項的溫度上升迅速，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。當拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個定值，此時拱頂幾乎不再吸收廢氣的熱量，而廢氣的熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。從廢氣管道排出的廢氣，它的溫度比較低時，說明熱風爐的熱交換效率比較高，反之，熱交換效率比較低。因此，在拱項溫度達到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對熱風爐的燃燒顯得尤其重要。
1．2 熱風爐燃燒控制的基本思想
    加熱期拱頂溫度的上升速率和進入拱頂溫度管理期廢氣溫度的上升速率，主要取決于燃燒過程的空燃比和煤氣流量，同時還受煤氣、空氣質量和壓力波動的影響。因此，實現熱風爐燃燒過程自動控制的關鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質量的波動及熱風爐燃燒狀態(tài)的變化對煤氣
流量和空氣流量進行實時調整，空氣流量的調整可以轉化為對空燃比的調整。故在加熱期，可以最大空氣流量進行加熱，據此來調整合適的煤氣流量或者以最大煤氣流量進行加熱，并調整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達拱頂溫度管理期，適當減小煤氣流量，并調整合適的空燃比，保證拱頂溫度不變的情況下，提高廢氣的升溫速率。熱風爐燃燒控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

    利用狀態(tài)辨識器可以判斷熱風爐是處于加熱期還是拱頂溫度管理期，并且跟蹤判斷廢氣的溫度是否達到設定值，以此選擇不同燃燒階段的模糊控制器(FC)。
1．3 加熱期最佳空燃比模糊控制器
    此階段的最佳空燃比模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結構。選取加熱期拱項溫度的偏差e及其偏差變化率ec作為模糊控制器輸入量，輸出控制量為u，即空燃比調節(jié)增量。加熱期模糊控制器結構如圖2所示。

    拱頂溫度的偏差和拱頂溫度的偏差變化率都分為7個等級：正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負小(NS)、負中(NM)、負大(NL)。空燃比調節(jié)增量劃分為7級：快速加大(PL)、中速加大(PM)、低速加大(PS)、不變(ZO)、低速減小(NS)、中速減小(NM)、高速減小(NL)。模糊控制規(guī)則表如表1所示。

1．4 拱頂溫度管理期最佳空燃比模糊控制器
    此階段模糊控制器的控制目的是使管理期拱頂溫度達到拱頂目標溫度，模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結構。將拱頂溫度偏差和溫升速率作為控制輸入，空燃比的調節(jié)增量U作為控制輸出，拱頂溫度偏差劃分為7個等級，溫度上升速率劃分為7個等級，空燃比調節(jié)增量
分為7個等級。控制規(guī)則與加熱期最佳空燃比模糊控制器的控制規(guī)則相同。當拱頂溫度達到拱頂目標溫度，轉入到管理期最佳煤氣流量模糊控制器。
1．5 拱頂溫度管理期最佳煤氣流量模糊控制器
    在保證拱頂溫度不變的情況下，管理期應盡量選擇空氣過剩系數大的條件進行燃燒，從而獲得較多的煙氣量，增加熱風爐的蓄熱量。所以在管理期煤氣量、空燃比都要調節(jié)。為了保證熱風爐給高爐送風開始時廢氣溫度正好達到設定值，在到達拱頂溫度管理期以前，以最大煤氣流量進行加熱，以最快的時間達到拱頂管理溫度，進入溫度管理期，在達到廢氣管理溫度之前，都采用溫度管理期最佳空燃比模糊控制器，在達到廢氣管理溫度之后，以廢氣溫升速率作為控制量，最高廢氣溫度作為限制終點。模糊控制器以廢氣升溫速率偏差和偏差變化率作為控制輸入，煤氣流量調節(jié)增量作為控制輸出量。

2 模糊控制器的熱風爐燃燒系統(tǒng)的應用
    模糊控制器實際應用于熱風爐燃燒系統(tǒng)中，還需要確定模糊控制器輸入輸出量的論域范圍，隸屬函數的選取，模糊控制器參數的確定，解模糊化方法及在燃燒初期何時啟動和停止模糊控制器的空燃比調節(jié)，即是拱頂溫度發(fā)生變化到什么程度才啟動模糊控制器的空燃比調節(jié)?？杖急鹊闹悼梢酝ㄟ^煙氣中的殘氧量來判斷是否合適，由于燒拱頂期當熱風爐煙氣中殘氧的體積分數保持在0．2％～0．8％時熱風爐燃燒狀況良好。故可以取0．6％作為控制目標，并把0．4％～0．8％作為穩(wěn)態(tài)控制區(qū)間，在此區(qū)間內不進行控制調節(jié)。當煙氣殘氧的體積分數低于0．4％或大于0．8％時啟動空燃比調節(jié)系統(tǒng)。
    本模型嵌入到某鋼廠的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)平臺的運行環(huán)境和操作平臺，利用可與之相兼容的Visual C++語言進行參數檢測和燃燒模型程序的編寫，數據通訊采用基于OPC的技術，主要完成的功能是從WinCC監(jiān)控系統(tǒng)取得實時數據，并將數據經過處理之后傳送給燃燒模型，從模型得到空燃比、煤氣流量增量轉化為對空氣調節(jié)閥和煤氣調節(jié)閥的控制，并下發(fā)到PLC，從而實現對現場設備的控制，完成集散系統(tǒng)和應用軟件的無縫連接。

3 仿真結果
    用滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的拉氏變換近似模擬熱風爐的數學模型。確定k及T的值，用Matlab進行仿真，將模糊控制的燃燒系統(tǒng)和PID控制的燃燒系統(tǒng)的仿真曲線進行對比。如圖3所示，圖3中實線為模糊控制的仿真曲線，虛線為PID控制的仿真曲線。模糊控制算法作用時，其超調量為σp=1．5％，調節(jié)時間為ts=550s，PID控制算法作用時，其超調量為σp=4．1％，調節(jié)時間為900s。由圖形曲線可以看出，模糊控制優(yōu)于PID控制，模糊控制的響應速度比較快，超調現象明顯減小。

4 結論
    模糊控制在工業(yè)、農業(yè)、家用電器等各個方面已經獲得許多成功的應用，本文將其運用于熱風爐控制系統(tǒng)。根據熱風爐自動化控制的要求及熱風爐燃燒控制的特性，考慮了國內熱風爐基礎自動化的現狀對熱風爐燃燒控制系統(tǒng)進行了設計。在系統(tǒng)中應用了模糊控制理論，并應
用模糊控制技術設定最佳空燃比和煤氣流量，以達到最佳燃燒控制的目的。
    本文設計的最佳空燃比模糊控制器，涉及熱工參量少，對煤氣熱值、殘氧量的檢測不作要求，繞開了控制中的建模困難的問題，通過仿真結果與現場實際比較，可知此控制系統(tǒng)的魯棒性、快速性和控制精度都能獲得較好的預期效果，在一定程度上彌補了熱風爐控制的不足，提高了燃料的利用率，節(jié)約能源，而且比采用傳統(tǒng)控制方法的燃燒過程更加穩(wěn)定，能安全平穩(wěn)地給高爐提供盡可能高溫的熱風，不像基于熱風爐數學模型的一些控制方法對軟、硬件要求那樣高，投入成本較低，適合熱風爐自動控制的要求。