模糊理論在均質(zhì)爐燃燒控制的應(yīng)用價(jià)值范文
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摘要：對(duì)均質(zhì)爐的燃燒控制原理進(jìn)行了分析，提出了一種基于模糊控制策略的均質(zhì)爐燃燒系統(tǒng)控制模型，對(duì)爐溫和空燃比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，實(shí)現(xiàn)爐溫均衡穩(wěn)定控制，保證燃?xì)獬浞秩紵纳屏巳紵阅埽瑴p少了鋼材的氧化燒損及提高了熱處理的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：模糊控制；空燃比；燃燒控制；均質(zhì)爐
均質(zhì)爐是生產(chǎn)中常見(jiàn)的一種加熱爐，其主要任務(wù)是按生產(chǎn)工藝要求，對(duì)爐內(nèi)的鋼坯進(jìn)行加熱和控制。在滿足熱軋所需要的鋼坯溫度的前提下，實(shí)現(xiàn)最小的鋼坯表面燒損；在提高加熱質(zhì)量及產(chǎn)量的前提下，節(jié)省能源[1]。均質(zhì)爐具有慢時(shí)變、高耦合、純滯后、大慣性等非線性特點(diǎn)。爐氣、鋼坯、爐壁之間的熱傳導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，還有很多影響燃燒控制的不確定因素，比如壓力、溫度的滯后效應(yīng)、燃燒熱值的波動(dòng)等，因此想建立精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的，幾乎是不可能。目前均質(zhì)爐溫度控制普遍采用傳統(tǒng)的雙交叉限幅PID控制，對(duì)燃燒過(guò)程的控制有一定的作用，但也存在一些問(wèn)題，比如無(wú)法抑制燃?xì)鉄嶂蹬c壓力的波動(dòng)，造成爐溫控制不均衡，負(fù)載變化大時(shí)響應(yīng)速度慢，所以整個(gè)燃燒過(guò)程很難達(dá)到理想的效果。針對(duì)存在的問(wèn)題，對(duì)均質(zhì)爐的燃燒特性進(jìn)行了深入分析，提出了一種基于模糊控制策略的燃燒系統(tǒng)控制模型，對(duì)均質(zhì)爐的燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將自動(dòng)尋優(yōu)策略與模糊控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)爐燃燒過(guò)程燃?xì)饬髁亢涂杖急鹊膬?yōu)化控制，有效提高均質(zhì)爐的熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，對(duì)整個(gè)鋼鐵工業(yè)具有重要的意義。
1模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)造方法
模糊控制系統(tǒng)以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行決策的一種高級(jí)控制策略，利用操作人員或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識(shí)制定控制規(guī)則，然后利用這些規(guī)則對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制[2]。它適用于難以建立數(shù)學(xué)模型、復(fù)雜時(shí)變非線性系統(tǒng)的被控對(duì)象，被廣泛應(yīng)用與工業(yè)過(guò)程控制。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括規(guī)則庫(kù)、模糊化、模糊推理及解模糊四部分。規(guī)則庫(kù)也稱(chēng)知識(shí)庫(kù)，主要包括模糊控制器參數(shù)與模糊控制規(guī)則，一般根據(jù)操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定，也可以在試驗(yàn)過(guò)程中不斷地獲取信息，通過(guò)自學(xué)習(xí)專(zhuān)家控制器進(jìn)行調(diào)整和完善。模糊化主要是將精確的輸入量偏差和偏差變化率轉(zhuǎn)化為模糊量，其輸出值與輸入值相對(duì)應(yīng)的各語(yǔ)言值的隸屬度，即e、ec進(jìn)行模糊化后，得到相應(yīng)的模糊變量分別為E、Ec。模糊推理是根據(jù)輸入的語(yǔ)言變量，針對(duì)各條規(guī)則進(jìn)行推理，然后將各個(gè)推理結(jié)果總合而得到最終的推理結(jié)果，得出輸出語(yǔ)言變量U。解模糊將推理得到的輸出語(yǔ)言變量U轉(zhuǎn)換為精確值，以得到最終控制量輸出u。
根據(jù)以上分析，一般按照以下步驟來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器：
（1）確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，即根據(jù)具體的系統(tǒng)確定其輸入、輸出變量；
（2）輸入變量的模糊化，即把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)語(yǔ)言變量的模糊集合；
（3）設(shè)計(jì)模糊推理算法，即根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，決策算出輸出模糊量；
（4）對(duì)輸出模糊量進(jìn)行模糊判決，完成其模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。
2控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)及工作原理
針對(duì)傳統(tǒng)控制方式存在的問(wèn)題，利用現(xiàn)代控制理論的方法，建立了均質(zhì)爐的燃燒過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)，對(duì)爐溫進(jìn)行精確跟蹤控制，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)的核心組成部分是溫度模糊控制器與空燃比控制器，整個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)回路：內(nèi)環(huán)控制回路與外環(huán)控制回路。外環(huán)控制回路也稱(chēng)爐溫控制回路，根據(jù)均質(zhì)爐的爐溫設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，在考慮燃?xì)饬髁康那闆r下，結(jié)合溫度模糊控制器及空燃比尋優(yōu)控制器，計(jì)算出燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁康脑O(shè)定值；內(nèi)環(huán)控制回路也稱(chēng)流量閥門(mén)控制回路，通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥與空氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，并實(shí)時(shí)檢測(cè)燃?xì)饬髁颗c控制流量的實(shí)際反饋值，控制燃?xì)饬髁颗c空氣流量穩(wěn)定在設(shè)定值，使燃?xì)獬浞秩紵＿@樣便構(gòu)成了基于溫度與流量反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爐溫跟蹤的優(yōu)化控制，保證控溫的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，提高燃?xì)饬髁吭O(shè)定精度與系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)爐的最佳燃燒過(guò)程控制。
3系統(tǒng)控制策略分析
3.1溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)
均質(zhì)爐的溫度控制是整個(gè)燃燒系統(tǒng)控制的核心。在實(shí)際應(yīng)用中，模糊控制算法先是根據(jù)PLC采集實(shí)際溫度值，通過(guò)計(jì)算得到溫度變化率，然后將溫度偏差ΔT及其偏差變化率ΔTc作為模糊控制器的輸入量，輸入量經(jīng)過(guò)模糊化之后，得到模糊量，再用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，形成溫度偏差的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集E和溫度偏差變化率Ec，根據(jù)E、Ec和模糊控制規(guī)則R推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量U，最后通過(guò)解模糊算出燃?xì)饬髁靠刂屏康妮敵鲋郸。
根據(jù)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合均質(zhì)爐操作工的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)與專(zhuān)家的知識(shí)，溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟如下：
（1）確定溫度模糊控制器的輸入與輸出對(duì)均質(zhì)爐燃燒系統(tǒng)分析后，確定輸入變量為溫度的偏差ΔT及其偏差變化率ΔTc，輸出變量為燃?xì)饬髁康男拚郸。
（2）確定模糊變量、模糊狀態(tài)及論域?qū)?yīng)ΔT、ΔTc、Δu的模糊變量分別為E、Ec、U。每個(gè)模糊變量可分為若干個(gè)模糊狀態(tài)，模糊狀態(tài)數(shù)量又取決于實(shí)際應(yīng)用的要求，如控制精度、變量種類(lèi)等。根據(jù)實(shí)際情況，本文將每個(gè)模糊變量的模糊狀態(tài)定義如下：E的模糊變量為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；Ec的模糊變量為{NB,NS,ZO,PS,PB}；U的模糊變量為{NB,NS,ZO,PS,PB}。每個(gè)模糊變量在其論域內(nèi)又分成以下等級(jí)：E={<=-30,>-30,>-20,>-10,>0,>10,>20,>30}；Ec={-5，-3,-1，0，1,3,5};U={-10%，-7%，-5%，-3%，-2%，-1%，0，1%，2%，3%，5%，7%，10%}。
（3）模糊控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則是操作工通過(guò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)及長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，存在于操作工頭腦里的一種技術(shù)集合，利用模糊集合論和語(yǔ)言變量，將語(yǔ)言歸納的控制策略變成數(shù)值運(yùn)算，方便用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制[3]。由控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊控制規(guī)則，如表1所示。
（4）隸屬度函數(shù)的確定隸屬函數(shù)反映了論域中的元素屬于該集合的程度，用于模糊概念的定量描述。常用的有三角形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、高斯形隸屬函數(shù)、Sigmoid形隸屬函數(shù)。由于三角形隸屬函數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，且性能優(yōu)良，在實(shí)際工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，本文采用三角形隸屬函數(shù)作為設(shè)計(jì)的隸屬度函數(shù)。
（5）模糊推理、解模糊及計(jì)算模糊控制查詢(xún)表模糊控制器的主要工作是依據(jù)語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，通過(guò)模糊推理，決策出控制變量。本文采用工業(yè)過(guò)程模糊控制常用的Mamdani推理法，即加權(quán)平均法。解模糊是根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度函數(shù)計(jì)算得出確定的輸出數(shù)值。本文先根據(jù)模糊邏輯運(yùn)算規(guī)則計(jì)算出模糊查詢(xún)表，再結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，修改該模糊查詢(xún)表，如表2所示。通過(guò)溫度模糊控制器，將溫度設(shè)定值與實(shí)際值的偏差ΔT及其偏差變化率ΔTc模糊化后，計(jì)算出E和Ec，通過(guò)查詢(xún)表得出控制輸出變量U，并將此值經(jīng)過(guò)解模糊后，得到燃?xì)饬髁康男拚郸，再根據(jù)燃?xì)饬髁吭鹊闹担纯蓛?yōu)化出該溫度下的燃?xì)饬髁吭O(shè)定值。
3.2空燃比尋優(yōu)策略
空燃比是均質(zhì)爐燃燒控制的重要參數(shù)，根據(jù)燃燒理論，空燃比是否合理，將反映在爐溫上，合理的空燃比將使?fàn)t溫快速的到達(dá)設(shè)定值。當(dāng)燃?xì)饬髁恳欢〞r(shí)，空燃比的調(diào)節(jié)實(shí)際上是對(duì)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，若空氣過(guò)量，將會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的廢氣，不僅損失了大量的熱量，而且會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氧氣過(guò)多，造成鋼坯表面嚴(yán)重?zé)龘p；若空氣缺少，燃?xì)膺^(guò)量，則會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全，降低了熱效率，且會(huì)產(chǎn)生大量的黑煙，污染環(huán)境。均質(zhì)爐燃燒過(guò)程復(fù)雜，一般很難建立爐溫與燃?xì)饬髁俊⒖諝饬髁康臄?shù)學(xué)模型。目前使用的交叉限幅控制，只能保證空燃比在設(shè)定的范圍內(nèi)，不能根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，影響了均質(zhì)爐燃燒過(guò)程的熱效率。本文采用模糊控制理論來(lái)進(jìn)行空燃比的優(yōu)化，將均質(zhì)爐的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差作為輸入，通過(guò)空燃比模糊尋優(yōu)控制器計(jì)算出空氣流量，從而控制閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)空燃比的優(yōu)化。
4結(jié)語(yǔ)
針對(duì)均質(zhì)爐燃燒過(guò)程的復(fù)雜性，本文提出了基于溫度模糊控制策略和空燃比尋優(yōu)控制策略的燃燒系統(tǒng)控制模型，通過(guò)優(yōu)化控制軟件，使均質(zhì)爐溫度控制趨于穩(wěn)定，有效降低了溫度的波動(dòng)，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)定的技術(shù)要求；避免了空氣過(guò)量或者燃?xì)膺^(guò)量，使空燃比更趨于合理化，保證了燃?xì)獾某浞秩紵瑴p少了鋼坯表面的氧化燒損，有效地提高了燃燒效率，節(jié)約了能源，減少了環(huán)境污染。
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作者：黃堅(jiān) 趙木來(lái) 謝鑫 單位：中國(guó)聯(lián)合工程有限公司
