叢赫陽(yáng) 陳長(zhǎng)征

摘 要：隨著環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，工業(yè)生產(chǎn)中的粉塵控制受到廣泛關(guān)注。濾袋式除塵器的是重要的處理方式之一。文章根據(jù)實(shí)際電熔鎂生產(chǎn)為基礎(chǔ)建立濾袋式除塵器的模型，并進(jìn)行仿真模擬其煙氣溫度控制。通過(guò)采用PID和模糊化控制兩種方法對(duì)比，結(jié)果顯示PID控制方法在2.5s左右便達(dá)到溫度變化的應(yīng)激峰值，模糊化控制方法在4s達(dá)到峰值。但是模糊化控制溫度的變化偏差是PID控制方法的一半。仿真結(jié)論為：在真實(shí)情況下，模糊化控制方法更加合理。

關(guān)鍵詞：粉塵污染；濾袋式除塵器；PID控制；模糊控制

中圖分類號(hào)：TK17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0134-04

Abstract： With the increasing awareness of environmental protection， dust control in industrial production has been widely concerned. Filter bag filter is one of the most important treatment methods. Based on the actual production of fused magnesium， the model of filter bag dust collector is established， and the temperature control of its flue gas is simulated. By comparing the two methods of PID and fuzzy control， the results show that the PID control method reaches the peak value of temperature change in about 2.5 seconds， and the fuzzy control method reaches the peak value in 4 seconds. But the variation deviation of fuzzy control temperature is half of that of PID control method. The simulation results show that the fuzzy control method is more reasonable in the real situation.

Keywords： dust pollution； filter bag filter； PID control； fuzzy control

前言

當(dāng)前，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快以及環(huán)境污染的加重，導(dǎo)致霧霾天氣頻頻出現(xiàn)，而霧霾的主要成分就是工業(yè)粉塵，這些粉塵大部分來(lái)自工礦企業(yè)所排放的煙塵。目前除塵的主要手段靠靜電除塵和濾袋式除塵，而且濾袋式除塵效率比靜電除塵高得多[1]。電熔鎂生產(chǎn)也是重要的排煙工業(yè)之一。電熔鎂生產(chǎn)的煙塵回收效率低下，而影響回收率的主要因素是除塵系統(tǒng)的處理能力不足。早在1997年King等就對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的模糊控制系統(tǒng)做過(guò)類似研究[2]。除塵器系統(tǒng)是朝著小型化[3]、智能化[4]的方向發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)在這個(gè)方面的研究比較滯后，谷艷玲等對(duì)除塵器的溫度、清灰機(jī)制以及壓力等進(jìn)行研究[5]。為了更加準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)濾袋式的反饋控制，針對(duì)電熔鎂濾袋式除塵系統(tǒng)自動(dòng)控制中的應(yīng)用研究具有積極的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

1 濾袋式除塵器特點(diǎn)

為了模擬仿真出更加接近實(shí)際的濾袋式除塵器的氣流流動(dòng)狀態(tài)，采用合適的網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，使仿真結(jié)果在相同數(shù)據(jù)的情況下不會(huì)有顯著的變化。以此基礎(chǔ)出發(fā)設(shè)計(jì)的袋式除塵器進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

假設(shè)氣體從上入分口流進(jìn)箱體，流經(jīng)箱體內(nèi)豎直的濾袋邊界，右下口為出口邊界條件，其余的邊界條件為箱體邊界。含塵氣體流量Q大約設(shè)置在30000m3/h左右，除塵器的個(gè)數(shù)為20個(gè)，每個(gè)除塵器處理的含塵氣體流量為1500m3/h。現(xiàn)設(shè)定進(jìn)氣壓力為0.3MPa的情況為例，對(duì)此除塵器進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

本文設(shè)計(jì)的濾袋式除塵器系統(tǒng)中，設(shè)備與管道配置如圖1所示，管道系統(tǒng)配置應(yīng)考慮到風(fēng)氣流通合理性，既不能太過(guò)緊湊，也不能太過(guò)疏松，需要保證管道布置順直以減小阻力對(duì)煙氣溫度變化的影響。

在電熔鎂濾袋式除塵器系統(tǒng)中，需要控制溫度差值比例來(lái)達(dá)到反饋目的，從而讓系統(tǒng)中被控制對(duì)象的溫度維持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。電熔鎂濾袋式除塵器通過(guò)煙氣的溫度與吸入常溫空氣的差值和目標(biāo)煙氣溫度的比值來(lái)控制。因此PID控制方法適用于電熔鎂濾袋式除塵器系統(tǒng)的溫度控制。

2.2 模糊化控制方法

模糊控制器在整個(gè)系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用。在電熔鎂濾袋式除塵器中同樣也能起到至關(guān)重要的作用。整個(gè)電熔鎂濾袋式除塵系統(tǒng)中的輸入信號(hào)為溫差，然后通過(guò)電子系統(tǒng)傳輸至模糊控制器中。輸出結(jié)果表現(xiàn)為溫度差調(diào)節(jié)，最終達(dá)到理想的控制結(jié)果。實(shí)現(xiàn)方式如下圖：

通過(guò)圖3可知，電熔鎂濾袋式除塵系統(tǒng)中模糊控制器通過(guò)三部分完成工作。并且三個(gè)部分相互影響，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相互反饋調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后而達(dá)到最佳控制輸出。

3 PID控制方法和模糊化控制方法在濾袋式除塵器中的運(yùn)用

在這個(gè)溫度控制系統(tǒng)里，把粉塵流體溫度降低到除塵器除塵效率最佳范圍是重點(diǎn)，在電熔鎂粉塵流過(guò)管道的時(shí)候，通過(guò)混風(fēng)閥向管道內(nèi)部混入自然冷風(fēng)來(lái)給400℃（假定值）的粉塵流體來(lái)降溫，并使粉塵溫度達(dá)到布袋除塵器所能接受的范圍。對(duì)于這個(gè)變量多而復(fù)雜的系統(tǒng)，雖然沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，但是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以得到粉塵溫度的變化趨勢(shì)：增大混風(fēng)閥流量，粉塵溫度降低的快，減小混風(fēng)閥流量，粉塵溫度降低的慢；同時(shí)，冷的空氣流體和粉塵流體在管帶內(nèi)部達(dá)到充分混合需要一定的時(shí)間，因此造成粉塵溫度變化滯后。該溫度控制系統(tǒng)是非線性、多參數(shù)、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)于本文所研究的電熔鎂粉塵流體來(lái)講，粉塵流量大，表現(xiàn)出一定的慣性，因此有慣性滯后環(huán)節(jié)，本文中用一階慣性和一個(gè)延遲環(huán)節(jié)來(lái)近似電熔鎂粉塵流體溫度變化的傳遞函數(shù)：

糊控制方法的本質(zhì)是根據(jù)不同的語(yǔ)言變量構(gòu)成的約束條件，把目標(biāo)變量約束在一定范圍里面。其中約束條件在模糊控制系統(tǒng)中為隸屬函數(shù)（表示某個(gè)被控對(duì)象具有的模糊性質(zhì)或者表示某個(gè)被控對(duì)象的模糊概念程度），被約束的范圍叫做論域。一般而言，模糊化控制根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇語(yǔ)言變量的。模擬時(shí)需要對(duì)其設(shè)定模糊子集，并利用確定的隸屬函數(shù)計(jì)算個(gè)量化等級(jí)在對(duì)應(yīng)的模糊子集上的隸屬度。

濾袋式除塵器煙氣溫度模糊控制的最終目的是將煙氣溫度維持在最佳工作范圍內(nèi)，而煙氣溫度偏差變化率又能夠很好地反映系統(tǒng)中的煙氣溫度變化情況，從而在整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中能夠更好地反映調(diào)節(jié)效果。因此煙氣溫度偏差也是該系統(tǒng)中的重要輸入?yún)?shù)之一。影響煙氣溫度的關(guān)鍵因素是冷卻氣體量，具體到實(shí)際運(yùn)用中就是混風(fēng)閥開(kāi)度。

本系統(tǒng)采用溫度偏差量E、溫度偏差變化率EC作為輸入；混風(fēng)閥閥門開(kāi)度U作為輸出。其中溫度偏差（E）：溫度給定值設(shè)為T0，溫度偏差定義為E（t）=T（t）-T0。溫度偏差的變化率（EC）：溫度偏差的變化為溫度偏差對(duì)時(shí)間的微分?；祜L(fēng)閥開(kāi)度（U）：混風(fēng)閥開(kāi)度的基本論域?yàn)閇0°，90°]。

（1）溫差E的隸屬函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)溫差E的論域?yàn)镋={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，預(yù)設(shè)合適的控制精度要求，采用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個(gè)模糊量來(lái)描述。

（2）溫差變化率EC的隸屬函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)溫差變化率EC的論域?yàn)镋C={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}采用NB，NS，0，PS，PB五個(gè)模糊量來(lái)描述。

（3）輸出變量U的隸屬函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)輸出變量U基本論域?yàn)閇0，1]，論域?yàn)閁={0，1，2，3，4，5}，用NB，NS，O，PS，PB五個(gè)模糊量來(lái)述。

此外，經(jīng)模糊控制算法輸出的控制量，不能直接控制對(duì)象，必須根據(jù)基本論域中的相應(yīng)范圍將輸出的控制對(duì)象轉(zhuǎn)化。不同量化因子對(duì)模糊控制器有較大的影響。

對(duì)上述控制規(guī)則表中的每條控制語(yǔ)句，都可用一個(gè)模糊量來(lái)表示。至此，就可以根據(jù)采樣得到的兩輸入量E和T以及另一輸入量溫度變化率EC，計(jì)算出相應(yīng)的控制量U，對(duì)所有的E、T中元素的所有組合全部計(jì)算出相應(yīng)的控制量變化值，形成一個(gè)矩陣形式的控制查詢表（見(jiàn)表1）及其規(guī)則表面圖（如圖5所示）。

電熔鎂濾袋式除塵器溫度模糊控制系統(tǒng)是依據(jù)以上控制規(guī)則，按照語(yǔ)言變量的控制范圍和程度來(lái)控制這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)于模糊溫度控制方法還沿用同樣的經(jīng)驗(yàn)性電熔鎂粉塵流體溫度變化的傳遞函數(shù)。同時(shí)在仿真中加入階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的外部擾動(dòng)。模糊控制方法來(lái)控制濾袋中煙氣溫度的流程圖如圖6所示。

為了確定控制方法的時(shí)效性，先假設(shè)從理想狀態(tài)出發(fā)，模擬從200℃的煙氣溫度瞬間升高至400℃的階躍函數(shù)狀態(tài)下控制其溫度變化。根據(jù)PID控制和模糊化控制方法研究溫度變化的結(jié)果，就兩種方法優(yōu)劣進(jìn)行分析。圖7（a）中不同的線分別表示的是PID、模糊化控制階躍的仿真結(jié)果。PID控制方法在2s內(nèi)便達(dá)到了應(yīng)激溫度，2.5s左右便達(dá)到應(yīng)激峰值，并且在12s左右把溫度維持在400℃左右的。模糊化控制方法在2.5s左右達(dá)到了目標(biāo)溫度，在4s左右達(dá)到應(yīng)激峰值，并且在15s左右維持溫度穩(wěn)定。PID控制方法應(yīng)激反應(yīng)迅速，模糊化控制方法控制的溫度變化幅度的波動(dòng)較小。

現(xiàn)實(shí)溫度變化情況是非線性、時(shí)變性的。因此有必要對(duì)更加復(fù)雜的變化情況進(jìn)行模擬。根據(jù)以上確定的傳遞函數(shù)模擬進(jìn)行仿真計(jì)算。如圖7（b）所示，信號(hào)源溫度在不停地上升時(shí)，PID方法控制反應(yīng)激勵(lì)溫度迅速追趕信號(hào)源溫度，并且快速超過(guò)了信號(hào)源溫度。然后以更快的速度下降去貼合信號(hào)源溫度。PID控制方法來(lái)控制系統(tǒng)溫度的波動(dòng)迅速，反應(yīng)靈敏。而模糊化方法顯得反應(yīng)速度較平緩。這是因?yàn)镻ID控制方法反饋的信號(hào)為溫度差值比例，這是一個(gè)直接的信號(hào)輸入，結(jié)果顯而易見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)此信號(hào)就能夠做出迅速的調(diào)節(jié)反饋。而模糊化控制方法輸入的信號(hào)是溫差，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)論域范圍中的語(yǔ)句參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，做出更加合適的反饋結(jié)果來(lái)，因此顯得系統(tǒng)反應(yīng)遲緩。

從圖7（b）對(duì)比來(lái)看，PID控制方法控制的溫度變化要比模糊化控制方法要激烈，溫度應(yīng)激峰值超出目標(biāo)溫度的范圍更為明顯，是模糊化控制方法的2倍左右。這是因?yàn)镻ID方法對(duì)溫度差值比例的信號(hào)迅速做出反饋調(diào)節(jié)，而模糊化控制方法會(huì)找到一個(gè)合適的反饋調(diào)節(jié)讓系統(tǒng)做出反饋。由于算法的原因，更加細(xì)化論域范圍可以得到改善，但是更加細(xì)化的論域會(huì)增加系統(tǒng)計(jì)算量。因此在控制方面，合理的模糊化控制方法對(duì)溫度變化的調(diào)節(jié)更加有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文概述了電熔鎂濾袋式除塵器系統(tǒng)中的煙氣溫度控制模型。根據(jù)除塵相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)除塵系統(tǒng)檢測(cè)與控制，設(shè)計(jì)出了電熔鎂煙氣除塵器煙氣溫度模糊控制器。采用了PID和模糊化控制方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)系統(tǒng)中輸入單信號(hào)階躍函數(shù)激勵(lì)和模擬真實(shí)信號(hào)輸入。通過(guò)對(duì)比兩種控制方法的結(jié)果，并且根據(jù)實(shí)際情況得出合理的模糊化控制溫度的方法對(duì)該系統(tǒng)更加有效。

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