基于模糊控制的熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)

摘要：針對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性、參數(shù)的不確定性和我國熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析了拱頂溫度、空燃比、煤氣流量這三者的關(guān)系，開發(fā)了基于模糊控制的熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)確實(shí)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(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐；燃燒；模糊控制；空燃比

0 引言
    熱風(fēng)爐是高爐冶煉過程中重要的熱交換設(shè)備。建立熱風(fēng)爐燃燒控制模型的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)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(shí)時(shí)調(diào)整，保證燃燒過程的高效、節(jié)能、穩(wěn)定，延長熱風(fēng)爐使用壽命。
    目前，我國絕大多數(shù)熱風(fēng)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(jīng)驗(yàn)手動調(diào)節(jié)，因此，供熱溫度波動較大，對熱風(fēng)爐的壽命也有很大影響，并造成煤氣的巨大浪費(fèi)。國內(nèi)外熱風(fēng)爐的空燃比控制主要有傳統(tǒng)控制方法、數(shù)學(xué)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(diào)節(jié)法和煙氣氧含量串級比例控制法，但是由于不能及時(shí)改變空燃比，不易實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的最佳燃燒，且測氧儀器成本高、難以維護(hù)，因此，實(shí)際使用效果不太理想；數(shù)學(xué)模型法能將換爐、送風(fēng)結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)自動控制，但由于檢測點(diǎn)多，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風(fēng)爐中不易實(shí)現(xiàn)；人工智能方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對熱風(fēng)爐燃燒過程有極強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，但抗干擾能力較弱，而模糊控制不需數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的抗干擾能力且易于實(shí)現(xiàn)，因此尤其適用于熱風(fēng)爐這類難以確切描述的非線性系統(tǒng)。

1 熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)
1．1 熱風(fēng)爐的燃燒過程
    燃燒過程對應(yīng)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?shù)臏囟群艿?，廢氣的熱量大部分被拱頂吸收，拱項(xiàng)的溫度上升迅速，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。當(dāng)拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個(gè)定值，此時(shí)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(shí)，說明熱風(fēng)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(xiàng)溫度達(dá)到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對熱風(fēng)爐的燃燒顯得尤其重要。
1．2 熱風(fēng)爐燃燒控制的基本思想
    加熱期拱頂溫度的上升速率和進(jìn)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(shí)還受煤氣、空氣質(zhì)量和壓力波動的影響。因此，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒過程自動控制的關(guān)鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質(zhì)量的波動及熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的變化對煤氣
流量和空氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，空氣流量的調(diào)整可以轉(zhuǎn)化為對空燃比的調(diào)整。故在加熱期，可以最大空氣流量進(jìn)行加熱，據(jù)此來調(diào)整合適的煤氣流量或者以最大煤氣流量進(jìn)行加熱，并調(diào)整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達(dá)拱頂溫度管理期，適當(dāng)減小煤氣流量，并調(diào)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(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    利用狀態(tài)辨識器可以判斷熱風(fēng)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(dá)到設(shè)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(jié)構(gòu)。選取加熱期拱項(xiàng)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(diào)節(jié)增量。加熱期模糊控制器結(jié)構(gòu)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(gè)等級：正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NL)?？杖急日{(diào)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(dá)到拱頂目標(biāo)溫度，模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。將拱頂溫度偏差和溫升速率作為控制輸入，空燃比的調(diào)節(jié)增量U作為控制輸出，拱頂溫度偏差劃分為7個(gè)等級，溫度上升速率劃分為7個(gè)等級，空燃比調(diào)節(jié)增量
分為7個(gè)等級?？刂埔?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(dāng)拱頂溫度達(dá)到拱頂目標(biāo)溫度，轉(zhuǎn)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(yīng)盡量選擇空氣過剩系數(shù)大的條件進(jìn)行燃燒，從而獲得較多的煙氣量，增加熱風(fēng)爐的蓄熱量。所以在管理期煤氣量、空燃比都要調(diào)節(jié)。為了保證熱風(fēng)爐給高爐送風(fēng)開始時(shí)廢氣溫度正好達(dá)到設(shè)定值，在到達(dá)拱頂溫度管理期以前，以最大煤氣流量進(jìn)行加熱，以最快的時(shí)間達(dá)到拱頂管理溫度，進(jìn)入溫度管理期，在達(dá)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(dá)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(diǎn)。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(diào)節(jié)增量作為控制輸出量。

2 模糊控制器的熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用
    模糊控制器實(shí)際應(yīng)用于熱風(fēng)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(shù)的選取，模糊控制器參數(shù)的確定，解模糊化方法及在燃燒初期何時(shí)啟動和停止模糊控制器的空燃比調(diào)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(diào)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(dāng)熱風(fēng)爐煙氣中殘氧的體積分?jǐn)?shù)保持在0．2％～0．8％時(shí)熱風(fēng)爐燃燒狀況良好。故可以取0．6％作為控制目標(biāo)，并把0．4％～0．8％作為穩(wěn)態(tài)控制區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)不進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)煙氣殘氧的體積分?jǐn)?shù)低于0．4％或大于0．8％時(shí)啟動空燃比調(diào)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(yùn)行環(huán)境和操作平臺，利用可與之相兼容的Visual C++語言進(jìn)行參數(shù)檢測和燃燒模型程序的編寫，數(shù)據(jù)通訊采用基于OPC的技術(shù)，主要完成的功能是從WinCC監(jiān)控系統(tǒng)取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)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(zhuǎn)化為對空氣調(diào)節(jié)閥和煤氣調(diào)節(jié)閥的控制，并下發(fā)到PLC，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，完成集散系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的無縫連接。

3 仿真結(jié)果
    用滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的拉氏變換近似模擬熱風(fēng)爐的數(shù)學(xué)模型。確定k及T的值，用Matlab進(jìn)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(jìn)行對比。如圖3所示，圖3中實(shí)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(shí)，其超調(diào)量為σp=1．5％，調(diào)節(jié)時(shí)間為ts=550s，PID控制算法作用時(shí)，其超調(diào)量為σp=4．1％，調(diào)節(jié)時(shí)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(yīng)速度比較快，超調(diào)現(xiàn)象明顯減小。

4 結(jié)論
    模糊控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用電器等各個(gè)方面已經(jīng)獲得許多成功的應(yīng)用，本文將其運(yùn)用于熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)。根據(jù)熱風(fēng)爐自動化控制的要求及熱風(fēng)爐燃燒控制的特性，考慮了國內(nèi)熱風(fēng)爐基礎(chǔ)自動化的現(xiàn)狀對熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中應(yīng)用了模糊控制理論，并應(yīng)
用模糊控制技術(shù)設(shè)定最佳空燃比和煤氣流量，以達(dá)到最佳燃燒控制的目的。
    本文設(shè)計(jì)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(jié)果與現(xiàn)場實(shí)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(yù)期效果，在一定程度上彌補(bǔ)了熱風(fēng)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(fēng)，不像基于熱風(fēng)爐數(shù)學(xué)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(fēng)爐自動控制的要求。