基于模糊控制的氣化爐溫度控制系統(tǒng)

羅偉

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通系，湖南 株洲 412001)

基于模糊控制的氣化爐溫度控制系統(tǒng)

羅偉

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通系，湖南 株洲 412001)

介紹了一種基于模糊控制的氣化爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。采用灰色算法建立氣化爐溫度預(yù)測模型，引入模糊控制算法對氣化爐一次風(fēng)量進(jìn)行控制，降低可燃?xì)怏w含氧量，使氣化爐內(nèi)的溫度按照設(shè)定的最佳控制曲線而變化，從而提高了氣化爐內(nèi)溫度的控制精度，提高了工作效率。

氣化爐；溫度控制；模糊控制

0 引言

隨著人們對能源需求與日俱增，資源日益枯竭。同時，隨著人們大量開采和使用石油燃料，環(huán)境被不斷污染，石化燃料資源也日趨緊張。生物質(zhì)能是指綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量[1-2]，其主要來源是：農(nóng)林廢棄物、工業(yè)廢水和廢渣、城市生活垃圾以及人畜糞便等，具有清潔、可再生的優(yōu)點，正逐漸受到廣泛關(guān)注[3-4]。氣化技術(shù)是利用生物質(zhì)能的重要手段，目前采用氣化技術(shù)將植物燃料的碳與游離氧、結(jié)合氧進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w，是利用生物質(zhì)能的重要手段。而我國生物質(zhì)氣化技術(shù)起步較晚，處于簡單控制階段，氣化過程中爐溫波動大、成分不穩(wěn)定，限制了生物質(zhì)能的推廣，亟需一種控制算法提高氣化過程的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 工藝分析及控制結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)氣化是指生物質(zhì)原料(薪柴、鋸末、麥秸、稻草等)壓制成型或經(jīng)簡單的破碎加工處理后，在缺氧條件下，送入氣化爐中進(jìn)行氣化裂解，得到可燃?xì)怏w并進(jìn)行凈化處理而獲得氣體產(chǎn)品的過程。其原理是在一定的熱力學(xué)條件下，借助于部分空氣(或氧氣)、水蒸氣的作用，使生物質(zhì)的高聚物發(fā)生熱解、氧化、還原、重整反應(yīng)，熱解產(chǎn)生的焦油等成分進(jìn)一步熱裂化或催化裂化為小分子碳?xì)浠衔?，獲得含H2，CO，CO2和 CH4的氣體。

文中以秸稈作為生物質(zhì)原料，以下流式固定床氣化爐作為研究對象。燃料在爐內(nèi)按照干燥、熱解、氧化、還原4個階段逐步進(jìn)行氣化反應(yīng)。氣化爐的控制目標(biāo)是提高生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換效率的同時，提升可燃?xì)怏w的品質(zhì)。氣化爐轉(zhuǎn)換效率主要取決于爐溫；而可燃?xì)怏w品質(zhì)主要反映在其含氧量高低。當(dāng)爐頂溫度處于300℃時，其他各層均能達(dá)到較佳的溫度區(qū)間。因此氣化爐控制目標(biāo)是爐頂溫度穩(wěn)定在300℃附近，同時限制可燃?xì)怏w含氧量<1%。

結(jié)合控制目標(biāo)，文中所設(shè)計的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示，分別對生物質(zhì)燃料與一次風(fēng)的投放量進(jìn)行控制，達(dá)到穩(wěn)定氣化爐爐頂溫度和降低出口處可燃?xì)怏w的含氧量的目的。

圖1 控制系統(tǒng)整體框圖

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

圖2是系統(tǒng)硬件配置圖，上位機服務(wù)器與操作站通過以太網(wǎng)相聯(lián)，由系統(tǒng)上位機和下位機兩部分組成，上位機裝有WINDOWS NT服務(wù)器操作系統(tǒng)和PlantScape組態(tài)軟件的戴爾計算機，設(shè)有1臺服務(wù)器和4臺操作站，各上位機通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。下位機則以HoneyWell公司C200 控制器為核心，由通信網(wǎng)卡、輸入、輸出、冗余、熱電偶、熱電阻等模塊組成。上位機和下位機通過以通信網(wǎng)卡構(gòu)成的Control Net控制網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可連到外網(wǎng)。

圖2 系統(tǒng)硬件配置圖

服務(wù)器與控制器通過冗余控制網(wǎng)相連?，F(xiàn)場通過遠(yuǎn)程機架上的網(wǎng)卡和主機架網(wǎng)卡構(gòu)成現(xiàn)場控制網(wǎng)?？刂破鬟x用HONEYWELL公司C200 控制器，冗余結(jié)構(gòu)。每一個主機架都由電源模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、中央處理模塊(C200)構(gòu)成。主機架上任何一模塊出現(xiàn)問題將會自動切換到從機架，不會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。遠(yuǎn)程機架由I/O模塊構(gòu)成。其中模擬量處理模塊和數(shù)字量處理模塊主要將現(xiàn)場4～20 mA信號、溫度信號、壓力信號、流量信號轉(zhuǎn)換為中央處理模塊所能識別的信號進(jìn)行運算處理，并提供給操作人員一個準(zhǔn)確的運行參數(shù)。同時操作人員的指令通過各輸出模塊輸出相應(yīng)的信號來控制現(xiàn)場的設(shè)備。

氣化爐控制機房有操作站A、B機兩臺，A機作為機室的主機，在正常工作狀態(tài)下，A機主要完成系統(tǒng)正常的監(jiān)控功能，B機作為輔機主要完成多媒體語音提示報警功能，也具有監(jiān)視功能。當(dāng)A機出現(xiàn)故障時，將B機切換為主機完成系統(tǒng)監(jiān)視及控制功能?？刂瞥绦虻慕M態(tài)和工業(yè)流程畫面的顯示、棒狀圖、報警顯示、歷史趨勢記錄等功能主要由操作站完成。通過基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)的計算機網(wǎng)絡(luò)相連，操作站還可實現(xiàn)基礎(chǔ)控制、過程控制和信息管理的自動化。

3 工作原理及軟件設(shè)計

3.1 模糊控制器的設(shè)計

在實際的生產(chǎn)工藝中，模糊控制器依據(jù)生物質(zhì)氣化爐溫度的檢測值和設(shè)定值之間的偏差及其偏差變化率，模糊規(guī)則經(jīng)推理得到最優(yōu)的給料量設(shè)定值。溫度模糊控制模塊的輸入變量為溫度檢測值與設(shè)定值的偏差e及其變化率ec，輸出變量為給料量的增量Δu。

本控制器中，溫度偏差e∈ [-50, +50]，論域E=[8, 8]，模糊變量的詞集選擇為{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}。

濃度偏差變化率ec∈ [-3, 3]，論域為EC= [ -4,4]，EC的模糊變量為{NL，NS，O,PS，PL}。

類似的，給料增量輸出Δu∈ [-2, 2]，論域U=[ -6，6]，U的模糊變量為：{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，只有較大時，溫度偏差變化率ec才能體現(xiàn)生物質(zhì)氣化爐溫度的改變趨勢。因此，控制增量U與偏差E的關(guān)系較為緊密，而EC則當(dāng)作U的一個輔助參考變量。本模糊控制器把實際的控制策略歸納為控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 推理語言規(guī)則表

為了在傳感器檢測中降低異常值，將輸入輸出變量隸屬度函數(shù)用梯形函數(shù)表示：

(1)

通過上面的模糊推理規(guī)則及隸屬度，采用Mamdani模糊推理的重心法解模糊，得到模糊控制查詢表。系統(tǒng)將濃度偏差e及其變化率ec模糊化后求得E、EC，通過查詢表，得出控制輸出U，經(jīng)過清晰化接口，求得給料量的增量Δu。

3.2 軟件設(shè)計

根據(jù)多座生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計要求和過程，系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。

組態(tài)軟件采用是基于基于32 位操作系統(tǒng)Windows NT的HoneyWell公司的PlantScape R400，它為用戶提供了基于全面開放式接口的解決方案，通過標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口ODBC，OPC能夠訪問PlantScape R400所采集的過程數(shù)據(jù)，還可借助腳本語言直接采用Windows 提供的Win32 API 的全部優(yōu)勢。通過PlantScape R400，用戶可以配置系統(tǒng)及編寫、調(diào)試程序；在線診斷HoneyWell硬件狀態(tài)；控制DCS和I/O通道的狀態(tài)等。

在生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，控制算法主要由2部分組成，包括溫度環(huán)控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)、可燃?xì)怏w含氧量控制環(huán)控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)。而這2部分的工作頻率差異比較大，因而可將它們獨立封裝在不同的類中，實現(xiàn)軟件功能。

1) 溫度環(huán)控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)

溫度環(huán)控制子系統(tǒng)算法的流程圖如圖3所示。在生物質(zhì)氣化爐處于溫度自動控制狀態(tài)下，判斷是否有新的干燥層溫度反饋，即決定是否應(yīng)進(jìn)入溫度自動控制周期進(jìn)行氣化爐上料速度的計算；同時，在溫度自動控制中，根據(jù)目前氣化爐的溫度反饋，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，利用灰色遺傳算法、計算出氣化爐上料量的最佳給定，折算成上料速度下發(fā)量，考慮到實際生產(chǎn)過程中實時更新模型可能會導(dǎo)致計算量劇增，因此，灰色遺傳預(yù)測模型每5min更新一次。

圖3 溫度環(huán)控制子系統(tǒng)流程圖

2) 可燃?xì)怏w含氧量控制環(huán)控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)

可燃?xì)怏w含氧量控制環(huán)控制子系統(tǒng)流程如圖4所示。在生物質(zhì)氣化爐處于溫度自動控制狀態(tài)下，判斷是否有新的干燥層溫度反饋和可燃?xì)怏w含氧量反饋，當(dāng)采集到相應(yīng)的反饋數(shù)據(jù)時，讀取模糊控制器的參數(shù)設(shè)置，計算變論域伸縮因子，進(jìn)行模糊推理得到最佳的一次風(fēng)機轉(zhuǎn)速，下發(fā)至執(zhí)行機構(gòu)。模糊控制器，控制周期較小，會導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)速波動頻繁，氣化爐溫度抖動，較大時，系統(tǒng)的動態(tài)性能較差。通過實驗控制周期設(shè)置為15s。

4 結(jié)語

實驗證明,在氣化爐溫度控制系統(tǒng)這種復(fù)雜被控對象的控制中,模糊控制在對象參數(shù)變化時具有較強的抗干擾能力,能夠?qū)ζ溥M(jìn)行較好的控制,故具有很好的工程應(yīng)用價值。

圖4 可燃?xì)怏w含氧量控制環(huán)控制子系統(tǒng)流程圖

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Temperature Control System for Gasifiesr Based on Fuzzy Control

LUO Wei

(Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412001，China)

This text introduces a design method of temperature control system for Gasifier based on fuzzy control. The gray prediction algorithm is used to establish the predictive model of its temperature. The variable universal fuzzy control algorithm is used in the oxygen content sub-control system. The gasifying air is controlled according to the optimal control curve to stabilize the temperature of the gasifier, and reduce the oxygen content of the combustible gases. Thus, improving the control precision of the temperature and working efficiency greatly.

gasifier; temperature control; fuzzy control

2013年度湖南省教育廳科學(xué)研究項目(13C591)

羅偉(1979-)，男，湖南株洲人，副教授，工程碩士，研究方向：控制工程。

TP273+.4

B

1671-5276(2015)05-0222-03

2014-02-24