基于雙閉環的生物質氣化爐控制初探

方黎明　肖曉明

摘 要：生物質氣化過程具有非線性、不穩定性和負荷干擾等特點，現提出了一種雙閉環控制方法，它主要是通過變論域和模糊控制算法控制氣化爐的一次風量，從而達到降低可燃氣體含氧量、維持氣化爐溫度穩定性的目的。通過仿真和現場運行結果來證明該技術的有效性。

關鍵詞：生物質氣化爐；雙閉環；變論域；模糊控制

中圖分類號：TK61 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.009

隨著各行各業的快速發展，對能源的需求量也在大幅提升，但是，石油燃料的大量開采、使用，使得生態環境污染狀況加劇，石化燃料資源緊張與經濟發展之間的矛盾越來越激烈。由于生物質能源具有可再生、清潔、無污染的特征，并且能源豐富，所以，對它的研究和利用逐漸受到了社會各界的關注。從整體利用情況來看，生物質氣化能夠帶來一定的經濟效益和環境效益，但是，其生產存在著許多不確定因素，例如，氣化爐溫度波動大、不穩定性較強且負荷干擾等，所以，無法使用數學模型準確表達。這樣，不但會影響控制效果，還限制了生物質能的廣泛應用。目前，我國生物質氣化爐控制的研究尚處于起步階段，氣化爐仍以手工調節為主，這就對保持生物質氣化爐內溫度波動和氣化產物成分的穩定性造成了一定的影響，所以，必須要使用先進的控制算法提高氣化爐的控制效果。本文以下流式固定床氣化爐為研究主體，以秸稈作為主要原料，根據干燥、熱解、氧化和還原的流程來進行氣化反應。經過研究發現，當爐內溫度為300 ℃、含氧量<1%時，其轉換效率和氣體的質量較高。

1 工藝分析

生物質氣化的具體過程是，生物質原料（比如鋸末、麥秸、稻草等）經過壓制或破碎加工處理后，在缺氧的情況下，將其送入氣化爐內氣化裂解，從而獲得凈化的可燃氣體。生物質氣化的原理是在一定熱力學條件下，利用空氣和水蒸氣使生物質的高聚物發生熱解、氧化、還原和重整反應，最終生成小分子碳氫化合

物，以獲得含H2、CO、CH4等可燃性氣體。根據實踐分析可知，影響生物質氣爐內溫度的主要因素有生物質熱值、生物質給料量和一次風量，這些因素會對準確測算生物質的熱值變化情況產生不利的影響。因此，本文提出了一種基于雙閉環的生物質氣化爐控制系統，它的外環選用模糊遺傳控制器，內環選用免疫PID控制器，其設計原理是利用雙閉環來控制生物質燃料和風量，從而使得爐內的溫度處于穩定的狀態，降低可燃氣體的含氧量。

2 系統硬件配置

在生物質氣化爐中，一般是通過調節風量來控制氣化爐內的含氧量，但是，考慮到氣化溫度控制系統具有非線性、滯后的弊端，所以，在實際應用過程中，一般采用模糊控制器來控制。本文設計的系統主要是采用雙閉系統硬件來控制生物質氣化爐的含氧量，具體配置如圖1所示。在該氣化爐控制室內設置A，B兩個操作站，A為主機，B為輔機，一般情況下，由A負責監控，B負責提示報警。在系統運行的過程中，如果A發生故障，那么，該系統自動將B切換為主機，負責監視，從而實現對系統的有效控制和管理。

3 雙閉環設計

3.1 外環控制器設計

受到傳統控制方法的局限和在溫度控制系統中壓差、風量等因素的影響，無法有效提高氣體質量，控制溫度變化的穩定性。同時，受環境、日夜和季節等因素的影響，生物質氣化爐外環控制系統中的溫度傳感器檢測值會出現波動，無法自動調整隸屬函數等參數，因而，檢測值的準確性受到了很大的影響。由于模糊控制器響應速度較快，并且抗干擾性較強，所以，在系統的設計中，主要是利用模糊控制器預測溫度和含氧量的變化情況，然后再利用遺傳算法自動調整以控制給料量。

模糊控制器是根據模糊規則，參考生物質氣化爐的溫度值與設定值間的偏差變化率推理出給料量。溫度模糊控制模塊的輸入變量為溫度檢測值與設定值之間的偏差e和變化率ec，輸出變量為給料量的增量Δu。在該控制器中，溫度偏差e介于-50～50之間，濃度偏差變化率ec介于-3～3之間，給料增量輸出Δu介于-2～2之間。實踐操作表明，只有當溫度偏差較大時，才能體現出生物質氣化爐溫度的變化趨勢。由此可見，控制增量U與偏差E有密切的關系，EC僅作為一個輔助參考變量。因此，可以根據經驗建立模糊規則表，然后再利用模糊推理規則和隸屬度制訂模糊控制查詢表。系統對濃度偏差e、變化率ec模糊處理后，得到了E、EC，然后再利用模糊控制查詢表算出輸出U，之后再通過清晰化接口得出給料量的增量Δu。

遺傳算法具有搜索速度快、計算效率高、適應性強等優點，因而被廣泛應用于生物質氣化爐溫度控制系統中。它是根據進化過程中獲取的信息自動組織并搜索出最科學的模糊算法結構，

以此來有效地應對系統運行過程中出現的異常情況，提高系統的環境適應力。本文在進行模糊算法時，采用了梯形隸屬度函數，根據檢測環境的差異選擇不同的適應度函數，再根據變異搜索獲得最優的模糊算法結構。在確定算法適應度時，必須要考慮生物質氣化爐溫度控制系統設定的準確性和模糊推理系統的合理性，因而算法的適應度分為溫度控制準確性指標和模糊隸屬度函數解釋性指標。

3.2 免疫PID控制器

由于給料量對生物質氣化爐的壓差有一定的干擾作用，并且生物質氣化對參數精度也有較高的要求，所以，生物質氣化爐的內環一般選用精度較高的免疫PID控制器。在使用生物質氣化爐雙閉環控制系統前，一般會通過PID達到控制的目的。通常情況下，根據相關經驗將氣化爐內干燥層溫度調節到標準設定值±75 ℃的范圍內，調節時間不得少于1 min。

4 應用情況與結論

在生物質氣化爐中，現場操作級控制設備選用美國的SLCS/OS，程序設計及上位機人機畫面設計則采用ROCKWELL公司的組態軟件來實現。該軟件基于混合粒子群算法的數據歷史模糊控制算法，采用VC++編制，然后通過OPC通信與下位機相連，從而實現數據的采集、處理和操控。本文是在生物質氣化爐能夠實現自我調節，氧化反應能夠正常進行的情況下，以1 000組爐內溫度數據為樣本，在同等條件下選取了500組數據，然后在此基礎上利用雙閉環和灰色預測算法GM（1，1）學習和擬合，具體仿真實驗結果如圖2所示。

另外，在應用雙閉環控制算法后，生物質氣化爐內的平均溫度誤差、含氧量、燃氣含量和產量這幾項指標有明顯的改變，爐內溫度一般能夠與設定值相持平，穩定波動較小，而可燃氣體的產量則大幅度提升。

5 結束語

基于生物質氣化過程的非線性特征，本文主要研究了生物質氣化爐的雙閉環控制算法，并通過工藝結構、系統硬件配置和內外環設計等一系列分析。經過對其應用狀況的詳細分析后發現，該系統在有效控制爐內溫度的穩定性和可燃性氣體的含氧量方面具有一定的優越性。同時，從仿真實驗結果中也能發現，雙閉環控制系統與傳統控制系統相比，當相關參數發生變化時，該系統的控制質量能夠大幅度提升，調節速度也會更快，具有較強的抗干擾能力。希望本文能夠為提高該系統的應用水平提供一些建議，從而為提高生物質氣化效率和質量作出貢獻。

參考文獻

[1]劉紅波，李少遠，柴天佑.一種基于模糊切換的模糊負荷控制器及其應用[J].控制與決策，2003（5）：615-618.

〔編輯：白潔〕