基于模糊控制的生物質節能灶控制器的研究

呂成龍 洪鎮南 任志興

摘要：生物質灶是以生物質作為燃料的一種節能爐灶，是一個純滯后、熱慣性時變的多變量輸入輸出控制系統。針對生物質燃燒效率低和有害氣體排放量大的問題，本文采用模糊控制器的設計規則和方法，設計了一種PID控制和模糊控制相結合的混合控制器。最終現場實驗表明：在生物質灶的控制中采用這種混合控制器的效果優于一般的PID控制。

關鍵詞：生物質灶；PID控制；模糊控制；燃燒效率

傳統灶臺產生的氣體對環境危害嚴重，本論文本著節能環保的精神，設計了基于模糊控制的燃燒熱效率的控制器，提高了生物質的利用率，節約能源并且減少了燃燒不充分的CO等有害氣體的排放，生物質節能灶是煤的價格，燃氣的品質，是我國農村或邊遠地區大力推廣的爐灶。[1]

1 模糊控制系統

在常規的PID基礎上，選擇引入以灶內熱量信號為被控量的模糊控制算法對生物質灶燃燒過程進行控制。用熱量信號代表生物質燃料的燃燒量，當燃燒狀態變化時，此時系統燃燒最佳效率須調整，采用模糊控制自尋優控制，調節鼓風風量，使其重新處在最佳空燃比。

模糊控制器的設計。（1）輸入輸出語言的模糊狀態及隸屬函數。模糊控制器的輸入分別為熱量信號和上步鼓風機的頻率，輸出為鼓風機的當前頻率。輸入量經過模糊化處理得輸入量的模糊子集，再經模糊推理模糊規則，最后由反模糊化得出輸出量精確值。

隸屬函數是表示輸入與輸出的精確值與模糊集合之間的隸屬關系，本研究所有輸入量輸出量的論域均取{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

（2）模糊規則的建立。生物質節能灶模糊規則建立兩條規則：①熱量為正，維持原來送風頻率變化方向不變；②熱量為負，改變原來送風頻率變化方向。

依據上述兩條原則，應用模糊推理合成，在通過實驗人工修整。

2 現場實驗

本文以湖南宏大鍋爐設備有限公司生產的某型號的兩臺生物質灶為研究對象，兩臺灶具結構、參數相同，僅控制方式不同。在相同環境下，A臺采用常規PID控制，B臺采用PID和模糊自尋優混合控制。實驗燃料為液壓成型稻稈，顆粒燃料的直徑為6mm，長度為30～40mm，密度為1t/m3，含水率為8%，應用基低位發熱量為13498KJ/Kg。

根據國內外農村室內空氣質量的相關研究采用CO和SO2作為主要的氣體檢測指標。國家標準為CO<10mg/m3， SO2< 0.5mg/m3。實驗時的CO檢測采用T/GXH3050紅外線分析儀，SO2檢測采用QC1（B）型大氣采樣儀，溫度檢測采用干濕球溫度計。

生物質的熱效率是評價燃燒控制效果的指標，計算公式如下：

（1）

其中為終止水溫（℃），為進水水溫（℃），為進水量（Kg）， 為生物質成型顆粒燃料量（Kg），P為生物質顆粒的發熱量（KJ/Kg）。

2.1 負荷不變，控制方法不同

實驗步驟：

（1）鍋體預熱：向A、B鍋內加入一定量的水，點火加熱，當溫度達到95℃時，停止加熱，放出A、B鍋內水和料斗內燃料，為下一步實驗做準備。

（2）稱重一定量的燃料放入料斗內，當鍋體溫度降至接近90℃時，向A、B鍋內注入水60Kg，并記錄進水溫度（18℃），送料點火，開始實驗并計時，直到最終溫度（90℃）終止計時，檢測生物質燃料用料量。

2.2 負荷變化相同，控制方法不同

實驗步驟：

（1）鍋體預熱與2.1的步驟（1）相同。

（2）稱重一定量的燃料放入料斗內，當A、B鍋體溫度降至接近90℃時，向A，B兩鍋內注水20Kg并記錄進水溫度（18℃），送料點火，計時開始實驗。

（3）當水溫到40℃時，再向A，B兩鍋內注水20Kg，連續加熱升溫。

（4）當水溫到60℃時，再向A，B兩鍋內注水20Kg，連續加熱升溫，直到90℃實驗終止，計時結束，稱重剩余的燃燒量。

3 結論

①在負荷不變化時，燃料量，燃燒效率及有害氣體排放量變化不明顯，可認為控制效果幾乎相同；②當負荷變化時，混合控制時燃料量減少3.8 %，熱效率提高1.9 %，CO排放減少22.8 %，SO2排放減少16.7 %，動態響應速度快；③負荷變化與負荷不變相比，熱效率略低，有害氣體排量略高，但采用PID和模糊自尋優控制時，兩者變化很少。

參考文獻：

[1]于果.我國生物質能技術發展研究[J].資源與產業，2016，（05）：3843.

[2]楊貞富.基于Matlab Simulink的模糊控制算法仿真方法[J].科技展望，2016，（12）：155.

[3]竇艷艷，錢蕾，馮金龍.基于Matlab的模糊PID控制系統設計及仿真[J].電子科技，2015，（02）：119122.

[4]吳創之，陰秀麗，劉華財，陳勇.生物質能分布式利用發展趨勢分析[J].中國科學院院刊，2016，（02）：191198.

項目：南華大學2017年度大學生研究性學習與創新性實驗計劃資助項目：生物質灶的新型控制裝置的研制（項目編號：2017XJXZ007）