巫 茜

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

城鎮(zhèn)化步伐加快使城市垃圾處理問(wèn)題變得越來(lái)越突出，將垃圾焚燒發(fā)電無(wú)疑是理想的無(wú)害化、減量化和資源化處理手段。但由于我國(guó)垃圾分類處理環(huán)節(jié)比較粗糙，垃圾熱值普遍較低，焚燒爐出口煙溫度一般在800 ℃左右，不能有效分解二噁英，而在200～600 ℃范圍更營(yíng)造了二噁英大量生成的有利環(huán)境，其直接污染達(dá)5 km范圍，因而使垃圾焚燒環(huán)保項(xiàng)目往往變成了污染的集中排放項(xiàng)目。二噁英屬于氯代環(huán)三芳烴類化合物，是一種非常穩(wěn)定而又難以分解、毒性強(qiáng)度是氰化鉀毒性約100倍以及砒霜毒性約900倍的一級(jí)致癌物質(zhì)，世界衛(wèi)生組織更是將其視為危害環(huán)境的大敵之一。人體一旦受到二噁英污染，在體內(nèi)不能降解、不能排出,會(huì)對(duì)人體的免疫和生殖功能造成重大損傷，出現(xiàn)大面積的畸形、癌癥等病癥，因此在發(fā)達(dá)國(guó)家二噁英生態(tài)污染危害已達(dá)到了談及色變的程度[1]。鑒于垃圾焚燒煙氣污染的嚴(yán)重性與普遍性，不少學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)控制垃圾焚燒污染進(jìn)行了探討[2-4]，特別是對(duì)避免燃燒煙氣溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致的二噁英二次污染做了許多研究[5-8]，但是在控制策略方面仍然存在某些問(wèn)題[9]，因此有必要從控制工程角度對(duì)垃圾焚燒產(chǎn)生的二次污染控制進(jìn)行探討。

1 控制難點(diǎn)與燃燒穩(wěn)定性控制

1.1 二噁英控制難點(diǎn)

垃圾焚燒時(shí)即使焚燒爐爐溫在850～1 000 ℃，二噁英也難于完全分解，因此各國(guó)環(huán)境保護(hù)部門(mén)都給予了高度的關(guān)注。但是對(duì)二噁英的排放標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)國(guó)家的規(guī)定有很大差別，其中，歐盟、日本等規(guī)定是最嚴(yán)格的，要求垃圾焚燒設(shè)備二噁英排放限值為0.1ng TEQ/Nm3以下。值得注意的是二噁英在高溫下產(chǎn)生，也在更高溫下(1 200 ℃)被除掉。由于國(guó)情不同，各國(guó)對(duì)高溫焚燒凈化標(biāo)準(zhǔn)要求也不同，還與焚爐燒處理規(guī)模有關(guān)。以日本和挪威為例，日本處理規(guī)模小于2 t/h的垃圾焚燒爐，二噁英控制標(biāo)準(zhǔn)為5 ng TEQ/Nm3；而挪威為滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求，在2002年將1990年規(guī)定的二噁英控制標(biāo)準(zhǔn)由2 ng TEQ/Nm3提高到0.1 ng TEQ/Nm3。二噁英二次污染的控制難點(diǎn)是由垃圾焚燒過(guò)程的控制論特性決定的：① 垃圾成分復(fù)雜多變，具有極大的不確定性，由于變量眾多關(guān)系復(fù)雜，因此難以建立數(shù)學(xué)模型實(shí)施有效控制；② 高度非線性難以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)手段進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，因計(jì)算過(guò)分復(fù)雜很難在工程上應(yīng)用；③ 半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題突出，傳統(tǒng)控制屬定量控制范疇,基于定量數(shù)學(xué)方法描述過(guò)程，對(duì)半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化過(guò)程控制顯然無(wú)能為力；④ 燃燒過(guò)程各要素間高度耦合,互相制約,難以進(jìn)行解耦控制?？傊紵^(guò)程的控制論特性表現(xiàn)為：過(guò)程參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性；過(guò)程時(shí)滯的未知性和時(shí)變性；過(guò)程變量間的關(guān)聯(lián)性與非線性以及外部干擾的隨機(jī)性、多樣性和未知性。因此，采用傳統(tǒng)控制策略是不可能與上述控制論特性相匹配的，必須尋找新的控制策略。

1.2 燃燒穩(wěn)定性控制

在垃圾成分多變、熱值低的條件下，穩(wěn)定性燃燒有利于維持必要的溫度，達(dá)到垃圾無(wú)害化、減量化和資源化目標(biāo)，使熱能得以有效利用，保證垃圾能充分燃盡，并避免燃燒煙氣生成的二噁英二次污染。影響穩(wěn)定性燃燒的因素包括垃圾性質(zhì)、爐溫、空氣過(guò)剩系數(shù)、煙氣停留時(shí)間、湍流度等，較高的爐溫有利于垃圾揮發(fā)成分快速析出和熱解過(guò)程充分，提高垃圾燃盡程度，同時(shí)減少二次污染物如二噁英的排放。通常情況下，在300～750 ℃極易生成二噁英，而溫度達(dá)到850 ℃，如煙氣在爐膛內(nèi)停留2 s后再排出，那么約占99.9%的二噁英將會(huì)被分解，從而可以使二噁英的排放量急劇減少。國(guó)外垃圾焚燒爐膛溫度一般維持在900～1 200 ℃，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：如爐膛溫度在1 200 ℃以上，二噁英后期的重新合成幾率極低；如果煙氣在850 ℃左右停留2 s,或在1 000 ℃左右停留1 s,那么二噁英就可完全分解。由此可見(jiàn)，只要控制垃圾焚燒在爐膛的燃燒溫度和燃燒煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間就可有效控制二次污染物二噁英的產(chǎn)生。以CFB(circulatory fluidized bed)垃圾焚燒爐為例，當(dāng)煙氣溫度高于1 000 ℃時(shí)就沒(méi)有二噁英產(chǎn)生；當(dāng)煙氣溫度高于780 ℃，并在爐內(nèi)停留超過(guò)2 s,同樣沒(méi)有二噁英產(chǎn)生。上述實(shí)驗(yàn)表明：消除或降低焚燒過(guò)程二次污染物二噁英有賴于對(duì)燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性控制，如有足夠的空氣(氧氣)確保垃圾燃料的充分燃燒，并保持穩(wěn)定地燃燒，那么在滿足正確空氣與燃物比的前提下，是可以杜絕或大幅度降低焚燒導(dǎo)致的二噁英二次污染。

2 控制策略與控制參數(shù)的優(yōu)化

2.1 控制策略

垃圾焚燒過(guò)程具有不確定、耦合、時(shí)滯、非線性、時(shí)變等難以控制的特性，不可能采用傳統(tǒng)控制策略，只能采用基于知識(shí)模型的智能控制策略對(duì)被控過(guò)程實(shí)施控制。這里的所謂“智能”，事實(shí)上就是指“理解和認(rèn)識(shí)各種適應(yīng)性行為的能力”或者“觀察、學(xué)習(xí)、理解和認(rèn)識(shí)的能力”，智能控制策略的基本特征就是模仿人在控制結(jié)構(gòu)和控制功能方面的智能行為，強(qiáng)調(diào)的是自主的驅(qū)動(dòng)控制，在無(wú)人干預(yù)的情況下，控制器可自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)控制并達(dá)到控制目標(biāo)。其中，仿人智能控制[10]就是典型的模仿人類控制專家的控制行為，如控制專家對(duì)控制過(guò)程的在線特征辨識(shí)、控制過(guò)程狀態(tài)的特征記憶以及對(duì)感知結(jié)果的推理邏輯等,其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于：可以借助產(chǎn)生式規(guī)則描述人的控制智慧、控制經(jīng)驗(yàn)和控制的直覺(jué)推理與控制行為以及人在控制方面所獲得的啟發(fā)，模仿控制專家的多模態(tài)控制行為，因此采用仿人智能控制策略是更明智的選擇，因其具有極強(qiáng)的魯棒性[11-12]。

2.2 基本控制算法

圖1 HSIC控制過(guò)程模型

圖2 誤差相平面

歸納上述2種基本控制模式，其基本控制算法如式(1)所示。

(1)

(2)

2.3 控制參數(shù)的優(yōu)化

式(2)中控制參數(shù)整定的工作量是很大的，不可能采用人工方法整定，即使采用人工方法可以整定，其控制參數(shù)也不可能是最優(yōu)化的控制參數(shù)。因此，有必要對(duì)算法中的控制參數(shù)選擇進(jìn)行改進(jìn)，以整定出優(yōu)化的控制參數(shù)[13-16]。粒子群優(yōu)化算法PSO(particle swarm optimization)通用性強(qiáng)，收斂速度快，是一種隨機(jī)全局的參數(shù)優(yōu)化搜索算法，但存在后期迭代效率低、早熟收斂、搜索精度低等缺陷，如能將遺傳算法易于進(jìn)行交叉變異運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)引入PSO算法中，可增加粒子的多樣性，從而避免局部最優(yōu)的早熟現(xiàn)象，并加快粒子的收斂速度。本文采用非線性遞減方式實(shí)現(xiàn)慣性權(quán)重以改善原始PSO算法的收斂性能，其慣性權(quán)重選擇如式(3)所示。

(3)

式(3)中：wstart、wend分別為初始權(quán)重的最大與最小值；ti、tmax分別是當(dāng)前和群體最大的迭代次數(shù)，由于權(quán)重是非線性遞減的，因此其全局和局部的搜尋能力是均衡的，從而確保了所選擇控制參數(shù)是優(yōu)化的。圖3給出了控制參數(shù)優(yōu)選的流程。

圖3 控制參數(shù)優(yōu)化流程

3 實(shí)驗(yàn)仿真及其分析

3.1 過(guò)程仿真

為了比較與驗(yàn)證上述HSIC控制算法的控制品質(zhì)，實(shí)驗(yàn)仿真中以PID控制算法為參照，將改進(jìn)的HSIC控制和PID控制2種算法分別用于同一過(guò)程的控制，然后比較其過(guò)程的階躍響應(yīng)，考察2種控制算法的魯棒性，顯然強(qiáng)魯棒性的算法是可取的。實(shí)驗(yàn)仿真過(guò)程中設(shè)PID控制算法如式(4)所示。HSIC控制算法如式(2)所示；控制過(guò)程模型如式(5)所示。

(4)

(5)

借助上述控制參數(shù)優(yōu)化算法，如取K=7.812 5，τ= 20,T=74,可以確定出PID控制算法的3個(gè)參數(shù)分別為KP=0.398 4，KI=0.001 7，KD=3.240 2；HSIC控制算法的6個(gè)參數(shù)分別為KP1=6.339 5，KD1=8.854 0，KP2=-6.706 5，KD2=0.148 1，KP3=26.468 0,KD3= 3.053 0。在過(guò)程中輸入幅度為2的階躍激勵(lì)作用下，2種算法的階躍響應(yīng)如圖4所示。對(duì)比響應(yīng)可知，PID算法存在超調(diào)與振蕩，而HSIC算法不存在振蕩與超調(diào)，顯然HSIC優(yōu)于PID控制。

圖4 階躍響應(yīng)曲線對(duì)比

考慮過(guò)程內(nèi)部參數(shù)擾動(dòng),如果時(shí)間常數(shù)由T=74變?yōu)門(mén)=150時(shí)，在過(guò)程中輸入幅度為2的階躍激勵(lì)作用，則2種算法的過(guò)程階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。分析響應(yīng)曲線可知，很明顯PID控制算法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，并且有大幅度超調(diào)；HSIC控制算法過(guò)程響應(yīng)非常平穩(wěn)，沒(méi)有產(chǎn)生超調(diào)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性能。

當(dāng)時(shí)滯參數(shù)由τ=10變?yōu)棣?50，在過(guò)程中輸入幅度為2的階躍激勵(lì)作用下，2種算法的過(guò)程階躍響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：PID控制算法的過(guò)程階躍響應(yīng)曲線產(chǎn)生大幅度超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩頻率很高的強(qiáng)烈振蕩，不可能控制到穩(wěn)定的期望狀態(tài)；而HSIC控制過(guò)程響應(yīng)非常平穩(wěn)，無(wú)超調(diào)產(chǎn)生，響應(yīng)曲線表明即使在時(shí)滯參數(shù)增加5倍的情況下，HSIC控制仍然表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性與優(yōu)秀的控制品質(zhì)。

圖5 時(shí)間常數(shù)改變響應(yīng)對(duì)比

圖6 時(shí)延參數(shù)改變響應(yīng)對(duì)比

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖4可知：HSIC控制響應(yīng)曲線平穩(wěn)，不存在超調(diào)與振蕩，而PID控制有超調(diào)，很明顯，采用HSIC控制優(yōu)于PID控制。圖5表明：HSIC控制算法在時(shí)間常數(shù)T增加1倍的情況下，其穩(wěn)態(tài)性能改變并不大，但PID控制則呈現(xiàn)較大超調(diào)。圖6表明：當(dāng)時(shí)滯參數(shù)擴(kuò)展5倍時(shí)，PID幾乎已經(jīng)失去控制作用，但HSIC控制仍然具有比較好的控制品質(zhì)，只是增加了50 s的過(guò)程時(shí)滯，各個(gè)控制指標(biāo)都是比較理想的。

4 結(jié)束語(yǔ)

焚燒發(fā)電燃燒溫度越高越有利于垃圾的無(wú)害化、減量化和資源化處理，其控制難點(diǎn)在于對(duì)二噁英的二次污染控制。鑒于垃圾焚燒過(guò)程的復(fù)雜不確定性，選擇與燃燒過(guò)程控制論特性相匹配的控制策略顯得非常重要?；赑SO改進(jìn)控制參數(shù)的智能優(yōu)化算法實(shí)驗(yàn)仿真表明：即使過(guò)程參數(shù)產(chǎn)生大幅度變化，該控制算法仍表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性與優(yōu)秀控制品質(zhì)。應(yīng)用研究結(jié)果表明：將改進(jìn)的PSO智能控制算法用于焚燒發(fā)電燃燒過(guò)程溫度控制是合理、可行的，對(duì)控制垃圾焚燒過(guò)程的二次污染有一定的參考意義。