燃燒室模糊自動控制系統(tǒng)的實踐

朱英浩

摘 要

該應(yīng)用主要研究分析實踐了豎爐燃燒控制的原理及其特點，確立了基于VisualBasic6.0語言編程環(huán)境下模糊數(shù)學矩陣模型和PID結(jié)合的豎爐燃燒控制策略。最終提高了燃料的利用率，同時也達到了提高燃料空燃比的目的，實現(xiàn)燃料在燃燒過程中的基礎(chǔ)自動化和多變量聯(lián)合控制，使得豎爐然自動控制和生產(chǎn)指標進一步優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】IndustrialIT OPC 模糊

1 系統(tǒng)概述

冶金行業(yè)燃燒室自動燃燒控制過程影響因素較多，比如：采用傳統(tǒng)的PID控制自動燃燒室，則自動燃燒室的燒成質(zhì)量波動比較大，也直接影響到煉鐵系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。為了進一步提高燃燒室燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對燃燒室的燃燒控制原理和相應(yīng)特點進行分析研究，最終確立了基于VisualBasic6.0語言編程環(huán)境下模糊數(shù)學矩陣模型和PID結(jié)合的豎爐燃燒控制策略。該程序功能在ABB公司的IndustrialIT AC800F系統(tǒng)外掛OPC網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，程序根據(jù)豎爐燃燒室的工藝特點，既提高了燃燒室燃料的利用效率，又達到了燃燒室維持合理空燃比的目的，確保燃燒室在燃燒期間將自動化與多變量聯(lián)合控制，實現(xiàn)豎爐燃燒自動控制和生產(chǎn)指標的優(yōu)化。

2 程序功能設(shè)計和算法說明

通過采用模糊控制、PID控制相結(jié)合的方法來達到豎爐溫度的最優(yōu)化控制。首先，采用模糊PID控制方法來控制燃燒室的溫度，換言之為自動調(diào)節(jié)燃燒室的溫度，即燃燒室的溫度偏差較大時，模糊控制就會在短時間內(nèi)調(diào)節(jié)溫度的偏差；如果燃燒室的溫度偏差比較小時，則利用PID進行積極調(diào)整，進而確保燃燒室溫度的穩(wěn)定性。由于燃燒室的空氣量與溫度成反比，而在燃燒室建立模糊規(guī)則模型調(diào)控溫度，則燃燒室的空氣量與溫度成正比，即燃氣量增大，空燃比就增加，燃燒室的溫度就會升高，因此在控制燃燒室豎爐溫度期間可以用空氣量乘以合理的空燃比系數(shù)。

當系統(tǒng)模糊外圍決策變量（如：煤氣總管流量和壓力等）偏離時，將系統(tǒng)調(diào)整到無偏差穩(wěn)定狀態(tài)非常重要，然后將調(diào)整后的系統(tǒng)控制量定位為模糊決策的輸出。當系統(tǒng)調(diào)整到誤差狀態(tài)時，主要由PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)，最終對其狀態(tài)的穩(wěn)定與否進行判斷，為了提高判斷的準確性，主要通過在一定時間范圍內(nèi)檢測誤差范圍，最后根據(jù)模糊決策公式，修正相應(yīng)的參數(shù)使模糊決策得以修正。由于燃燒室模糊自動控制系統(tǒng)由多個燃燒室組成，因此在自動化系統(tǒng)控制過程中，需要結(jié)合已有參數(shù)包括煤氣閥位、煤氣流量、煤氣壓力等來確定配風量條件的充分性，同時還要結(jié)合相應(yīng)的實驗，才能獲得較為客觀的結(jié)果。經(jīng)過一定時間對配風量的細致研究，確定了最佳配風量的影響因素，從而確定了煤氣閥位、煤氣流量、煤氣壓力與配風量的對應(yīng)關(guān)系。這步實質(zhì)是將我們技術(shù)人員的控制經(jīng)驗加以總結(jié)得出的一條條模糊條件控制的集合表述，最終能確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即進行模糊化。由于部分參數(shù)可以由技術(shù)人員根據(jù)實際情況做適當調(diào)整，因此其配風量相對比較合理。

模糊推理軟件的主體程序建立在上位機OS上，根據(jù)時間和事件的不斷發(fā)生，因而被周期性的啟動運行。控制參數(shù)也是建立在對離線分析（包括數(shù)學模型和實物模型的實驗）、在線分析的基礎(chǔ)上，最終結(jié)合崗位工人師傅的操作經(jīng)驗才確定的。在具體研究期間，由于一部分控制參數(shù)固化在模糊推理軟件中，它不需要改變，而另一部分參數(shù)與外界因素有非常緊密的聯(lián)系，因此當這些因素的變化對燃燒控制影響較大時，現(xiàn)場的技術(shù)人員需要對參數(shù)進行調(diào)整，才能確保模糊推理軟件主體程序的合理運行。

3 程序設(shè)計和技術(shù)關(guān)鍵

3.1 模擬量數(shù)據(jù)抗干擾設(shè)計

在此程序的模擬量輸入信號（如溫度、壓力、流量）環(huán)節(jié)經(jīng)過OPC網(wǎng)關(guān)采集的工程單位轉(zhuǎn)換后增加一個微分器環(huán)節(jié)功能塊，當數(shù)值從輸出OUT端輸出時間延后時，該微分器環(huán)節(jié)功能塊可以濾除信號的異常變化，為了能夠正常合理運行，一班設(shè)置滯后時間微分常數(shù)為3s。在模擬信號經(jīng)過微分器環(huán)節(jié)功能塊延遲過濾處理后，模擬量信號的干擾點被排除，因而獲得的信號比較平穩(wěn)，主要源于模擬量信號經(jīng)過微分模塊計算后得出了抗干擾信號最終送到模糊控制程序的邏輯中，因而信號獲得過程抗干擾能力強。

3.2 確定燃燒室燃燒控制變量偏差和偏差率

確定煤氣和空氣流量、壓力、廢氣量和燃燒室溫度等控制模糊控制器的輸入、輸出變量的偏差，同時還要確定其偏差的變化率，在二者結(jié)合的情況下才能確定模糊控制器的加權(quán)系數(shù)。在燃燒室實際運用過程中，要清晰各個數(shù)據(jù)的實際輸入、輸出變量變化范圍，最終才能確定它們的量化等級、量化因子和比例系數(shù)。

3.3 制作出燃燒室控制模糊矩陣控制表

模糊數(shù)學矩陣模型我們選取了7個，然后對所選的7個數(shù)學矩陣模型的模糊集定義其隸屬函數(shù)，然后根據(jù)燃燒室問題的不同其間隔呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。在此現(xiàn)象基礎(chǔ)上，確定煤氣流量模糊控制規(guī)則的同時，還要確保下一步使用傳統(tǒng)PID控制器的輸出能夠使得系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)性達到最佳狀態(tài)。經(jīng)模糊數(shù)學矩陣模型回路計算后快速作用在煤氣流量調(diào)節(jié)閥上輸出閥位開閥百分比，注意的是程序中我們對閥位的輸出是有變化速率限制的，一般設(shè)置為5%的變化。

3.4 燃燒室PID微調(diào)控制

根據(jù)模糊矩陣模型調(diào)節(jié)，當選取的煤氣、空氣、溫度等變量偏差變化率的值在負小和正小范圍內(nèi)時，燃燒室控制系統(tǒng)調(diào)用傳統(tǒng)PID進行燃燒室溫度和煤氣流量的精確調(diào)整，需對比例因子P和細調(diào)因子I進行調(diào)整、觀察和再調(diào)整以達到理想的控制空燃比效果。

4 結(jié)束語

該項研究成果已經(jīng)在某煉鐵廠球團3#、4#豎爐燃燒室自動燃燒控制應(yīng)用系統(tǒng)實際應(yīng)用中，實現(xiàn)了ABB公司的IndustrialIT AC800F系統(tǒng)通過外掛OPC網(wǎng)關(guān)和VisualBasic語言模糊控制程序控制系統(tǒng)的無逢集成。豎爐燃燒自動運行率達到97%，由此可見燃燒室的豎爐燃燒的可靠性更高、性能更加完善，同時運用也非常方便。并且由于豎爐燃燒期間情況穩(wěn)定，因此燃燒效果和豎爐的溫度都非常穩(wěn)定，最終提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，也節(jié)約了大量的能源資源，從整體上提高了經(jīng)濟效益，該項成果還可以廣泛應(yīng)用于冶金、水泥等涉及密閉燃燒室控制的領(lǐng)域。

參考文獻

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作者單位

河鋼集團宣鋼公司 河北省張家口市 075100endprint