城市生活垃圾焚燒的智能控制策略

李會(huì)軍

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造技術(shù)學(xué)院，重慶 401120）

垃圾焚燒是一種高溫?zé)峄瘜W(xué)處理的技術(shù)。生活固體垃圾可以分為有機(jī)物和無機(jī)物兩大類，有機(jī)物包括廢塑料、廢織物、廚余物、廢紙、植物枝葉等；而無機(jī)物包括磚、瓦、渣、土等。生活垃圾主要特點(diǎn)是成分復(fù)雜，有機(jī)物含量高，其再生利用（reuse and recycling）是實(shí)現(xiàn)垃圾資源化（comprehensive utilization）、減量化的重要手段。將生活垃圾作為固體燃料送入焚燒爐膛內(nèi)燃燒，在高溫條件下，其可燃組分與空氣中的氧進(jìn)行劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出熱量并轉(zhuǎn)化為高溫的燃燒氣體和少量性質(zhì)穩(wěn)定的固體殘?jiān)?。如熱值足夠，僅靠生活垃圾自身的能量就可以維持自燃，而不用提供輔助燃料，其燃燒產(chǎn)生的高溫燃燒氣體可作為熱能回收利用，其固體殘?jiān)勺魉没蛘咧苯犹盥裉幚?。?jīng)過焚燒處理，垃圾中的細(xì)菌、病毒等能被徹底消滅，各種惡臭氣體將被高溫分解，處理達(dá)標(biāo)后進(jìn)行排放，可見焚燒處理是實(shí)現(xiàn)城市生活垃圾無害化、減量化和資源化的最有效手段之一。焚燒處理技術(shù)比較成熟，具有無害化程度高、減容顯著、污染小、場地易選擇、廠房占地少、運(yùn)距短等特點(diǎn)。國外長期研究監(jiān)測表明：焚燒對(duì)環(huán)境污染的影響程度僅僅是垃圾填埋場所產(chǎn)生污染的5%，特別在熱能回收利用方面，垃圾焚燒發(fā)電還有其獨(dú)特的優(yōu)勢［1-5］。值得關(guān)注的是：垃圾焚燒處理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如果垃圾燃燒過程中控制策略選取不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的煙氣污染及其可能產(chǎn)生的二次空氣污染，因此有必要對(duì)焚燒控制策略做些探討。

1 焚燒過程的控制難點(diǎn)與控制論特性

1.1 焚燒過程的控制難點(diǎn)

焚燒過程的控制難點(diǎn)主要反映在垃圾熱值的不確定性方面。作為焚燒過程燃燒原料的垃圾熱值會(huì)由于城市的具體情況不同而有所不同，也會(huì)隨著氣候、居民和垃圾收集狀況的變化而變化，因此城市垃圾熱值是極其不穩(wěn)定的。同時(shí)，垃圾焚燒爐也會(huì)因設(shè)備長期運(yùn)行、大修、改造等出現(xiàn)焚燒爐熱力特性的改變，如出現(xiàn)著火困難、燃燒不完全、爐膛結(jié)渣、腐蝕以及二次污染加劇等問題，就會(huì)使垃圾焚燒的效果、控制污染物生成和處理經(jīng)濟(jì)性難以達(dá)到預(yù)期。傳統(tǒng)控制策略難以準(zhǔn)確把握焚燒爐對(duì)象特性，因?yàn)榉贌隣t內(nèi)的燃燒過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，焚燒爐本身就是一個(gè)強(qiáng)耦合的多輸入、多輸出非線性系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)施范式的定量控制，由于其安全運(yùn)行與燃燒過程的穩(wěn)定性密切相關(guān)，一旦出現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性下降，就會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒加劇、燃燒效率降低、焚燒污染物排放增加、二次污染和高溫腐蝕加劇，也因此對(duì)焚燒爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，上述正是焚燒過程的控制難點(diǎn)。

1.2 焚燒過程的控制論特性

焚燒過程難以精準(zhǔn)控制的原因在于選取的控制策略與垃圾焚燒爐燃燒過程的控制論特性不匹配。由控制難點(diǎn)分析，不難總結(jié)出燃燒過程的控制論特性：

1）垃圾成分復(fù)雜多變，影響燃燒的因素眾多，作為燃燒原料的垃圾熱值具有極大的不確定性，對(duì)于不確定性過程，采用數(shù)學(xué)方法建模實(shí)施有效控制是難以實(shí)現(xiàn)的。

2）焚燒爐是復(fù)雜對(duì)象，具有高度的非線性，盡管現(xiàn)有非線性控制方法不少，但因控制方法過分復(fù)雜，并不適合在焚燒爐控制工程中應(yīng)用。

3）焚燒爐燃燒過程控制中半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問題突出，對(duì)半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化過程，難以采用基于定量的數(shù)學(xué)方法描述，由于傳統(tǒng)控制屬定量控制范疇，對(duì)半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化過程參數(shù)存在的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性以及過程時(shí)滯的未知性、時(shí)變性等特性，傳統(tǒng)控制是無能為力的。

4）在復(fù)雜燃燒過程中，各燃燒要素互相制約、高度耦合，傳統(tǒng)控制不可能對(duì)其進(jìn)行解耦實(shí)施控制。

5）焚燒過程外部環(huán)境惡劣，工業(yè)干擾嚴(yán)重，傳統(tǒng)控制不具備抗強(qiáng)工業(yè)干擾的能力。

總之，燃燒過程控制論特性主要表現(xiàn)為：垃圾熱值的不確定性；過程的其他參數(shù)存在隨機(jī)性、未知性、時(shí)變性；過程變量間的關(guān)聯(lián)性與非線性；燃燒過程的熱慣性與過程時(shí)滯的未知性和時(shí)變性；外部干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。對(duì)于上述控制論特性不可能采用傳統(tǒng)控制策略與其控制論特性相匹配，因此必須采用與其過程特性相匹配的控制策略與控制算法。

2 控制策略與控制算法

2.1 控制策略

傳統(tǒng)PID控制策略對(duì)焚燒爐燃燒過程控制是不可取的。故可提供的控制策略只能是智能控制策略［6-10］。比如，模糊控制就是模仿人的思維方式進(jìn)行的推理控制。模糊控制存在的問題在于：如果要取得較好的控制效果，必須具備完善的控制規(guī)則。對(duì)于復(fù)雜的焚燒爐燃燒過程，要總結(jié)出較完整的控制經(jīng)驗(yàn)是非常困難的，當(dāng)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化或受到外部工業(yè)干擾時(shí)，都會(huì)影響模糊控制的效果。完整的控制規(guī)則總結(jié)需要大量、長期現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于不同的對(duì)象、工況，其運(yùn)行特性不同，控制規(guī)則也不盡相同，并沒有千篇一律的推理控制規(guī)則可供借鑒。又如，對(duì)專家系統(tǒng)控制也提出了相應(yīng)的問題：總結(jié)出來的控制規(guī)則能否適應(yīng)于其他相同類型的焚燒爐，在焚燒爐特性變化之后該控制規(guī)則能否繼續(xù)使用并保證達(dá)到控制要求等。針對(duì)焚燒爐燃燒過程中出現(xiàn)的種種實(shí)際和理論問題，研究垃圾焚燒爐膛溫度控制策略的適應(yīng)性具有非?，F(xiàn)實(shí)的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義，使控制系統(tǒng)能夠自己修改并不斷優(yōu)化控制規(guī)則以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制功能。值得關(guān)注的是：仿人智能控制 HSIC（human simulated intelligent control）能對(duì)人的控制功能進(jìn)行模擬，建立廣義的控制模型就可對(duì)燃燒過程進(jìn)行有效的控制［11］。

如圖1所示的廣義控制模型，r（t）、y（t）、e（t）、U（t）分別為控制過程的輸入和輸出、過程的系統(tǒng)誤差和控制器的輸出，如果˙e表示誤差變化率，那么仿人智能控制認(rèn)為系統(tǒng)的誤差、誤差變化率以及時(shí)間t構(gòu)成了控制問題求解的信息空間。顯然，無論是對(duì)于伺服控制還是定值控制，其控制目標(biāo)都是相同的，即當(dāng) t→∞時(shí)，使得e（t）＝˙e（t）＝0。系統(tǒng)過程狀態(tài)在信息空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，不僅反映了系統(tǒng)過程的所有動(dòng)態(tài)信息，而且反映了控制作用對(duì)系統(tǒng)過程狀態(tài)的影響。仿人智能控制就是通過對(duì)過程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的在線特征辨識(shí)與特征記憶，借助啟發(fā)式和直覺的邏輯推理，采用開、閉環(huán)控制相結(jié)合、定性決策與定量控制相結(jié)合的多模態(tài)控制方式對(duì)被控過程的過程狀態(tài)進(jìn)行有效的控制。

圖1 廣義的過程控制模型

2.2 控制算法

HSIC控制的基本原型算法可以歸納為：

上述基本原型算法中，em，i表示系統(tǒng)誤差最大值的第i次峰值，Kp為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)，U為控制器輸出。

基于原型基本控制算法的改進(jìn)已經(jīng)取得了較多研究成果［12-18］，針對(duì)垃圾焚燒控制系統(tǒng)的爐膛溫度控制基于上述原型算法，可總結(jié)控制專家與現(xiàn)場過程操作者的控制知識(shí)、控制經(jīng)驗(yàn)、智能與智慧以及控制技巧，進(jìn)一步歸納建立一套完整的適用于不同特征狀況的控制規(guī)則集合。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 控制算法實(shí)驗(yàn)仿真

假設(shè)垃圾焚燒過程中的控制過程模型為

若取 K＝7.8125，τ＝20，T＝74，在過程輸入幅度為2的階躍激勵(lì)作用下，2種算法的過程階躍響應(yīng)對(duì)比曲線如圖2所示。對(duì)比兩條件過程響應(yīng)曲線可知：PID算法明顯存在超調(diào)并且調(diào)節(jié)的起始階段伴有振蕩，而HSIC算法既不存在振蕩也不產(chǎn)生超調(diào)，顯然HSIC控制優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。

圖2 過程階躍響應(yīng)對(duì)比

考慮過程內(nèi)部參數(shù)擾動(dòng)，如果時(shí)間常數(shù)由T＝74變?yōu)門＝150時(shí)，在過程輸入幅度為2的階躍激勵(lì)作用下，則2種算法的過程階躍響應(yīng)對(duì)比曲線如圖3所示。分析響應(yīng)曲線可知：PID控制算法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間長，且有大幅度超調(diào)；HSIC控制算法過程響應(yīng)非常平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生超調(diào)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性能。

圖3 時(shí)間常數(shù)改變響應(yīng)對(duì)比

當(dāng)過程時(shí)滯參數(shù)由τ＝20變?yōu)棣樱?0，同樣在過程輸入幅度為2的階躍激勵(lì)作用下，2種算法的過程階躍響應(yīng)對(duì)比曲線如圖4所示。由圖4可見：PID控制算法的過程階躍響應(yīng)曲線產(chǎn)生大幅度超調(diào)，并產(chǎn)生頻率很高的振蕩，不可能控制到穩(wěn)定的期望狀態(tài)；而HSIC控制過程響應(yīng)非常平穩(wěn)，無超調(diào)產(chǎn)生，響應(yīng)曲線表明即使在時(shí)滯參數(shù)增加5倍的情況下，HSIC控制仍然表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性能與優(yōu)秀的控制品質(zhì)。

圖4 時(shí)延參數(shù)改變響應(yīng)對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證HSIC控制的強(qiáng)魯棒性與優(yōu)秀控制品質(zhì)，在原過程模型 G（s）＝7.8125e-20s／（74s＋1）中增加一個(gè)慣性環(huán)節(jié) 1／（15s＋1），即過程模型由 G（s）變換為 G1（s）7.8125e-20s／（74s＋1）（15 s＋1），在過程輸入幅度為 2的階躍激勵(lì)作用下，2種算法的過程階躍響應(yīng)對(duì)比曲線如圖5所示。比較過程響應(yīng)曲線可知：PID控制有超調(diào)并產(chǎn)生振蕩，顯然是不可取的；而HSIC控制調(diào)節(jié)時(shí)間短，響應(yīng)上升時(shí)間快，過程響應(yīng)平穩(wěn)，可更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，明顯具有比PID控制算法更好的控制品質(zhì)。

圖5 過程階次改變的響應(yīng)對(duì)比

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖2可知：HSIC控制響應(yīng)曲線平穩(wěn)，不存在超調(diào)與振蕩；而PID控制有超調(diào)。很明顯，采用HSIC控制優(yōu)于PID控制。圖3表明：HSIC控制算法在時(shí)間常數(shù)T增加1倍的情況下，其穩(wěn)態(tài)性能改變并不大，但PID控制則呈現(xiàn)較大超調(diào)。圖4表明：當(dāng)時(shí)滯參數(shù)擴(kuò)展5倍時(shí)，PID幾乎已經(jīng)失去控制作用，但HSIC控制仍然具有較好的控制品質(zhì)，只是增加了50 s的過程時(shí)滯，各控制指標(biāo)都較理想。圖5表明：當(dāng)過程階次發(fā)生變化時(shí)，HSIC仍然能實(shí)現(xiàn)對(duì)過程的平穩(wěn)控制，但PID控制存在超調(diào)。顯然，HSIC控制無論在過程響應(yīng)平穩(wěn)性，還是在過程響應(yīng)與調(diào)節(jié)時(shí)間等方面都優(yōu)于PID控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：對(duì)垃圾焚燒爐的爐膛溫度控制，采用仿人智能控制策略是可行、可用的。

4 結(jié)束語

垃圾焚燒屬不確定性復(fù)雜過程的控制領(lǐng)域，采用常規(guī)控制策略無法取得良好的控制效果，只有采用與不確定性燃燒過程控制論特性相匹配的控制策略才可能獲得優(yōu)秀的控制品質(zhì)。上述研究與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用仿人智能控制策略無需設(shè)計(jì)者具備更多的先驗(yàn)知識(shí)就可對(duì)控制系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿人智能控制算法具有極強(qiáng)的魯棒性能，同時(shí)仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該控制策略的合理與可行性。因此，對(duì)城市垃圾焚燒過程控制而言，仿人智能控制策略是一種可供參考借鑒的優(yōu)秀控制策略。