基于模糊控制的生物質(zhì)節(jié)能灶控制器的研究

呂成龍 洪鎮(zhèn)南 任志興

摘要：生物質(zhì)灶是以生物質(zhì)作為燃料的一種節(jié)能爐灶，是一個(gè)純滯后、熱慣性時(shí)變的多變量輸入輸出控制系統(tǒng)。針對(duì)生物質(zhì)燃燒效率低和有害氣體排放量大的問題，本文采用模糊控制器的設(shè)計(jì)規(guī)則和方法，設(shè)計(jì)了一種PID控制和模糊控制相結(jié)合的混合控制器。最終現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明：在生物質(zhì)灶的控制中采用這種混合控制器的效果優(yōu)于一般的PID控制。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)灶；PID控制；模糊控制；燃燒效率

傳統(tǒng)灶臺(tái)產(chǎn)生的氣體對(duì)環(huán)境危害嚴(yán)重，本論文本著節(jié)能環(huán)保的精神，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的燃燒熱效率的控制器，提高了生物質(zhì)的利用率，節(jié)約能源并且減少了燃燒不充分的CO等有害氣體的排放，生物質(zhì)節(jié)能灶是煤的價(jià)格，燃?xì)獾钠焚|(zhì)，是我國農(nóng)村或邊遠(yuǎn)地區(qū)大力推廣的爐灶。[1]

1 模糊控制系統(tǒng)

在常規(guī)的PID基礎(chǔ)上，選擇引入以灶內(nèi)熱量信號(hào)為被控量的模糊控制算法對(duì)生物質(zhì)灶燃燒過程進(jìn)行控制。用熱量信號(hào)代表生物質(zhì)燃料的燃燒量，當(dāng)燃燒狀態(tài)變化時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)燃燒最佳效率須調(diào)整，采用模糊控制自尋優(yōu)控制，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)風(fēng)量，使其重新處在最佳空燃比。

模糊控制器的設(shè)計(jì)。（1）輸入輸出語言的模糊狀態(tài)及隸屬函數(shù)。模糊控制器的輸入分別為熱量信號(hào)和上步鼓風(fēng)機(jī)的頻率，輸出為鼓風(fēng)機(jī)的當(dāng)前頻率。輸入量經(jīng)過模糊化處理得輸入量的模糊子集，再經(jīng)模糊推理模糊規(guī)則，最后由反模糊化得出輸出量精確值。

隸屬函數(shù)是表示輸入與輸出的精確值與模糊集合之間的隸屬關(guān)系，本研究所有輸入量輸出量的論域均取{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

（2）模糊規(guī)則的建立。生物質(zhì)節(jié)能灶模糊規(guī)則建立兩條規(guī)則：①熱量為正，維持原來送風(fēng)頻率變化方向不變；②熱量為負(fù)，改變?cè)瓉硭惋L(fēng)頻率變化方向。

依據(jù)上述兩條原則，應(yīng)用模糊推理合成，在通過實(shí)驗(yàn)人工修整。

2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

本文以湖南宏大鍋爐設(shè)備有限公司生產(chǎn)的某型號(hào)的兩臺(tái)生物質(zhì)灶為研究對(duì)象，兩臺(tái)灶具結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同，僅控制方式不同。在相同環(huán)境下，A臺(tái)采用常規(guī)PID控制，B臺(tái)采用PID和模糊自尋優(yōu)混合控制。實(shí)驗(yàn)燃料為液壓成型稻稈，顆粒燃料的直徑為6mm，長度為30～40mm，密度為1t/m3，含水率為8%，應(yīng)用基低位發(fā)熱量為13498KJ/Kg。

根據(jù)國內(nèi)外農(nóng)村室內(nèi)空氣質(zhì)量的相關(guān)研究采用CO和SO2作為主要的氣體檢測指標(biāo)。國家標(biāo)準(zhǔn)為CO<10mg/m3， SO2< 0.5mg/m3。實(shí)驗(yàn)時(shí)的CO檢測采用T/GXH3050紅外線分析儀，SO2檢測采用QC1（B）型大氣采樣儀，溫度檢測采用干濕球溫度計(jì)。

生物質(zhì)的熱效率是評(píng)價(jià)燃燒控制效果的指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

（1）

其中為終止水溫（℃），為進(jìn)水水溫（℃），為進(jìn)水量（Kg）， 為生物質(zhì)成型顆粒燃料量（Kg），P為生物質(zhì)顆粒的發(fā)熱量（KJ/Kg）。

2.1 負(fù)荷不變，控制方法不同

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）鍋體預(yù)熱：向A、B鍋內(nèi)加入一定量的水，點(diǎn)火加熱，當(dāng)溫度達(dá)到95℃時(shí)，停止加熱，放出A、B鍋內(nèi)水和料斗內(nèi)燃料，為下一步實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

（2）稱重一定量的燃料放入料斗內(nèi)，當(dāng)鍋體溫度降至接近90℃時(shí)，向A、B鍋內(nèi)注入水60Kg，并記錄進(jìn)水溫度（18℃），送料點(diǎn)火，開始實(shí)驗(yàn)并計(jì)時(shí)，直到最終溫度（90℃）終止計(jì)時(shí)，檢測生物質(zhì)燃料用料量。

2.2 負(fù)荷變化相同，控制方法不同

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）鍋體預(yù)熱與2.1的步驟（1）相同。

（2）稱重一定量的燃料放入料斗內(nèi)，當(dāng)A、B鍋體溫度降至接近90℃時(shí)，向A，B兩鍋內(nèi)注水20Kg并記錄進(jìn)水溫度（18℃），送料點(diǎn)火，計(jì)時(shí)開始實(shí)驗(yàn)。

（3）當(dāng)水溫到40℃時(shí)，再向A，B兩鍋內(nèi)注水20Kg，連續(xù)加熱升溫。

（4）當(dāng)水溫到60℃時(shí)，再向A，B兩鍋內(nèi)注水20Kg，連續(xù)加熱升溫，直到90℃實(shí)驗(yàn)終止，計(jì)時(shí)結(jié)束，稱重剩余的燃燒量。

3 結(jié)論

①在負(fù)荷不變化時(shí)，燃料量，燃燒效率及有害氣體排放量變化不明顯，可認(rèn)為控制效果幾乎相同；②當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，混合控制時(shí)燃料量減少3.8 %，熱效率提高1.9 %，CO排放減少22.8 %，SO2排放減少16.7 %，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；③負(fù)荷變化與負(fù)荷不變相比，熱效率略低，有害氣體排量略高，但采用PID和模糊自尋優(yōu)控制時(shí)，兩者變化很少。

參考文獻(xiàn)：

[1]于果.我國生物質(zhì)能技術(shù)發(fā)展研究[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2016，（05）：3843.

[2]楊貞富.基于Matlab Simulink的模糊控制算法仿真方法[J].科技展望，2016，（12）：155.

[3]竇艷艷，錢蕾，馮金龍.基于Matlab的模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J].電子科技，2015，（02）：119122.

[4]吳創(chuàng)之，陰秀麗，劉華財(cái)，陳勇.生物質(zhì)能分布式利用發(fā)展趨勢分析[J].中國科學(xué)院院刊，2016，（02）：191198.

項(xiàng)目：南華大學(xué)2017年度大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目：生物質(zhì)灶的新型控制裝置的研制（項(xiàng)目編號(hào)：2017XJXZ007）