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熱風爐燃燒控制系統(tǒng)設計與應用
閱讀：1609 發(fā)布時間：2013-4-19
Foodjx導讀：
作為熱動力機械的熱風爐于20世紀70年代末在我國開始廣泛應用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動力熱源的換代產(chǎn)品。通過長時間的生產(chǎn)實踐，人們已經(jīng)認識到，只有利用熱風作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動力在輸送過程中往往配置多臺循環(huán)風機，使之zui終還是間接形成熱風進行烘干或供暖操作。這種過程顯然存在大量浪費能源及造成附屬設備過多、工藝過程復雜等諸多缺點。而更大的問題是，這種熱源對于那種需要較高溫度干燥或烘烤作業(yè)的要求，則束手無策。針對這些實際問題經(jīng)過多年潛心研究，終于研制出深受國內(nèi)外用戶歡迎的JDC系列螺旋翅片管換熱間接式熱風爐和JDC系列高凈化直接式熱風爐。
目前，我國絕大多數(shù)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(jīng)驗手動調(diào)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。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，但是由于不能及時改變空燃比，不易實現(xiàn)熱風爐的*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(shù)學模型法能將換爐、送風結合為一體，但由于檢測點多，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風爐中不易實現(xiàn)；人工智能方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制對熱風爐燃燒過程有*的自學習能力，但抗*力較弱，而模糊控制不需數(shù)學模型，有較強的抗*力且易于實現(xiàn)，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。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(zhì)量和壓力波動的影響。實現(xiàn)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(zhì)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(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zui大空氣流量進行加熱，據(jù)此來調(diào)整合適的煤氣流量或者以zui大煤氣流量進行加熱，并調(diào)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(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*空燃比模糊控制器
此階段的*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(diào)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(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?。∟S）、中速減?。∟M）、高速減?。∟L）。
1.4拱頂溫度管理期*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，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(diào)節(jié)增量
分為7個等級?？刂埔?guī)則與加熱期*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(zhuǎn)入到管理期*煤氣流量模糊控制器。
1.5拱頂溫度管理期*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(shù)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。以zui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*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，zui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(diào)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
模糊控制技術是近代控制理論中的一種策略和新穎技術。模糊控制技術基于模糊數(shù)學理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應性和合理性提高，成為智能控制技術的一個重要分支。
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(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)。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(nèi)不進行控制調(diào)節(jié)。當煙氣殘氧的體積分數(shù)低于0.4%或大于0.8%時啟動空燃比調(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)平臺的運行環(huán)境和操作平臺，利用可與之相兼容的VisualC++語言進行參數(shù)檢測和燃燒模型程序的編寫，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,從而實現(xiàn)對現(xiàn)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(shù)學模型。確定k及T的值。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(diào)量為σp=1.5%,調(diào)節(jié)時間為ts=550s,PID控制算法作用時，其超調(diào)量為σp=4.1%,調(diào)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(diào)現(xiàn)象明顯減小。
4結論
模糊控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用電器等各個方面已經(jīng)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(jù)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(nèi)熱風爐基礎自動化的現(xiàn)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*空燃比和煤氣流量，以達到*燃燒控制的目的。
本文設計的*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(xiàn)場實際比較，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(shù)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。
作為熱動力機械的熱風爐于20世紀70年代末在我國開始廣泛應用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動力熱源的換代產(chǎn)品。通過長時間的生產(chǎn)實踐，人們已經(jīng)認識到，只有利用熱風作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動力在輸送過程中往往配置多臺循環(huán)風機，使之zui終還是間接形成熱風進行烘干或供暖操作。這種過程顯然存在大量浪費能源及造成附屬設備過多、工藝過程復雜等諸多缺點。而更大的問題是，這種熱源對于那種需要較高溫度干燥或烘烤作業(yè)的要求，則束手無策。針對這些實際問題經(jīng)過多年潛心研究，終于研制出深受國內(nèi)外用戶歡迎的JDC系列螺旋翅片管換熱間接式熱風爐和JDC系列高凈化直接式熱風爐。
目前，我國絕大多數(shù)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(jīng)驗手動調(diào)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。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，但是由于不能及時改變空燃比，不易實現(xiàn)熱風爐的*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(shù)學模型法能將換爐、送風結合為一體，但由于檢測點多，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風爐中不易實現(xiàn)；人工智能方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制對熱風爐燃燒過程有*的自學習能力，但抗*力較弱，而模糊控制不需數(shù)學模型，有較強的抗*力且易于實現(xiàn)，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。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(zhì)量和壓力波動的影響。實現(xiàn)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(zhì)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(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zui大空氣流量進行加熱，據(jù)此來調(diào)整合適的煤氣流量或者以zui大煤氣流量進行加熱，并調(diào)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(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*空燃比模糊控制器
此階段的*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(diào)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(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?。∟S）、中速減?。∟M）、高速減?。∟L）。
1.4拱頂溫度管理期*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，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(diào)節(jié)增量
分為7個等級?？刂埔?guī)則與加熱期*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(zhuǎn)入到管理期*煤氣流量模糊控制器。
1.5拱頂溫度管理期*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(shù)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。以zui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*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，zui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(diào)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
模糊控制技術是近代控制理論中的一種策略和新穎技術。模糊控制技術基于模糊數(shù)學理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應性和合理性提高，成為智能控制技術的一個重要分支。
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(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)。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(nèi)不進行控制調(diào)節(jié)。當煙氣殘氧的體積分數(shù)低于0.4%或大于0.8%時啟動空燃比調(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)平臺的運行環(huán)境和操作平臺，利用可與之相兼容的VisualC++語言進行參數(shù)檢測和燃燒模型程序的編寫，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,從而實現(xiàn)對現(xiàn)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(shù)學模型。確定k及T的值。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(diào)量為σp=1.5%,調(diào)節(jié)時間為ts=550s,PID控制算法作用時，其超調(diào)量為σp=4.1%,調(diào)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(diào)現(xiàn)象明顯減小。
4結論
模糊控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用電器等各個方面已經(jīng)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(jù)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(nèi)熱風爐基礎自動化的現(xiàn)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*空燃比和煤氣流量，以達到*燃燒控制的目的。
本文設計的*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(xiàn)場實際比較，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(shù)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。