王博華

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

工業(yè)爐是工業(yè)領(lǐng)域提供熱能的關(guān)鍵載體，其應(yīng)用普遍，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻。由于工業(yè)爐類型繁多，相關(guān)控制過程也大不相同，因此工業(yè)爐想要穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，需以完善的過程控制系統(tǒng)為載體，以提升工業(yè)爐效率，減少燃料損失，確保經(jīng)濟健康穩(wěn)定運行，最大程度上滿足負荷要求，避免生態(tài)環(huán)境污染[1]。在國家十一五、十二五規(guī)劃中均明確指出了節(jié)能減排、提高能源利用率相關(guān)要求，在此形勢下，改善工業(yè)爐自動化控制水平，充分發(fā)掘內(nèi)在潛力，延長使用壽命，響應(yīng)節(jié)能減排要求，便顯得異常重要。所以，研究工業(yè)爐自動化控制系統(tǒng)則具有良好的市場前景與價值[2]。據(jù)此，本文以廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域與大型火電機組控制系統(tǒng)的模糊控制法為載體，研究分析了工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)的模糊解耦控制。

1 工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)模糊解耦控制方案

以工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)劃分為輸出與輸入系統(tǒng)，其中輸出量分別為主爐膛負壓、蒸汽壓力、爐膛溫度，輸入量分別為引風(fēng)量、給煤量、送風(fēng)量，輸出量與輸入量等相關(guān)參數(shù)之間彼此作用[3]，見圖1。

圖1 輸出量與輸入量相關(guān)參數(shù)間的作用關(guān)系

模糊解耦控制系統(tǒng)原理具體為，對比被控制量理想值與某時刻測量值，以獲取偏差，同時計算偏差變化率，將偏差與偏差變化率量化為模糊量，然后通過模糊量與模糊控制規(guī)則，基于推理合成規(guī)則實現(xiàn)模糊決策，獲取模糊控制量，最終將模糊控制量進行反模糊化處理，轉(zhuǎn)換為精確量，以作用于被控制對象，以此循環(huán)，從而實現(xiàn)對于被控對象的模糊控制。其中模糊控制對象模糊度越高，則控制方法越是可以反映出其優(yōu)越性，所以相較而言更加適合工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)控制。

在實際運行系統(tǒng)中，各個變量間存在耦合關(guān)系，以此基于引進解耦參數(shù)，削減耦合性[4]，具體即

F1=af1+b1f2+c1f3

F2=bf2+a1f1+c2f3

F3=cf3+a2f1+b2f2

式中：F為模糊量；a1、a2、b1、b2、c1、c2為解耦參數(shù)；f為偏差。

2 工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)模糊解耦控制思路

基于燃燒系統(tǒng)控制可知，被控制對象雖然可以劃分為許多獨立控制子系統(tǒng)回路，而各回路間彼此耦合[5]。具體而言，主爐膛負壓控制系統(tǒng)中負壓變化直接受汽機調(diào)門開度與工業(yè)爐燃燒率影響；主蒸汽壓力控制系統(tǒng)中主氣壓變化直接受給煤量、送風(fēng)量、機組負荷變化影響；爐膛溫度控制系統(tǒng)中溫度變化直接受送風(fēng)量、給煤量、引風(fēng)量變化影響。一般來講，爐膛負壓調(diào)節(jié)基于引風(fēng)量單回路調(diào)節(jié)便可實現(xiàn)良好效果。

通常常規(guī)控制策略具體即基于各系統(tǒng)被控對象選擇PID調(diào)節(jié)器單獨控制即可，以Ziegler-Nichols控制器參數(shù)整定方式與手動調(diào)試方式明確調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)。而給煤量回路和送風(fēng)量回路間具有一定的耦合性，送風(fēng)量回路和引風(fēng)量回路間也具備耦合性，一般情況下，為適度降低耦合，模糊控制器會先進行前饋補償解耦[6]。

3 工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)模糊解耦控制器設(shè)計

作為模糊解耦控制系統(tǒng)核心組成部分，模糊控制器是以模糊知識表示與規(guī)則推理為載體的語言型控制器，所以不同于其他類型自動控制系統(tǒng)。而模糊控制系統(tǒng)性能的主要影響因素為模糊控制器結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、合成推理算法、模糊決策方法等[7]。模糊控制器具體見圖2。

圖2 模糊控制器示意圖

3.1 量模糊化

工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)模糊解耦控制器的輸入與輸出變量模糊子集選擇[負大、負中、負小、零、正小、正中、正大]，以[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]表示，并將變量論域量化成13個層次，以[-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6]表示。

3.2 規(guī)則構(gòu)建

模糊控制決策表基于模糊條件語句表征成規(guī)則，面向鼓風(fēng)機頻率創(chuàng)建規(guī)則表[8]，具體見表1。

表1 控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則直接構(gòu)成了闡述整個工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)控制流程的模糊算法，即離散式模糊模型，以分段條件式語言控制模型為載體。

3.3 模糊推理

作為模糊解耦控制核心環(huán)節(jié)，模糊推理基于知識庫信息模擬真實推理決策過程，給定合適控制量。系統(tǒng)選擇Mamdani模糊模型推理方式，就時刻模糊控制輸入變量量化值獲取隸屬度值，然后找出模糊控制規(guī)則，便可獲得控制量輸出模糊集[9]?；谳斎胱兞颗c輸出變量隸屬度函數(shù)獲取模糊變量賦值表，具體見表2。

表2 賦值表

3.4 控制決策

以最大隸屬度法實現(xiàn)解耦模糊判決，即于輸出模糊集合內(nèi)選擇隸屬度最大的論域元素判決結(jié)果，若在多論域元素內(nèi)同步出現(xiàn)最大隸屬度，則以均值為最終判決結(jié)果[10]。結(jié)果需取整處理，以獲取相應(yīng)量化等級值，就量化等級和精確值之間的相對應(yīng)關(guān)系進行控制量計算。

4 仿真分析

計算機仿真需創(chuàng)建系統(tǒng)模型，并于各種不同環(huán)境下通過計算機動態(tài)化運行模型。以模糊解耦控制算法面向工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)進行Matlab仿真分析。爐膛負壓設(shè)置為-10 Pa，蒸汽壓力設(shè)置為1 000 Pa，爐膛溫度設(shè)置為800 ℃，此環(huán)境下，通過反復(fù)調(diào)試，選擇解耦參數(shù)a2為0.1，b2為0.05。

在基于前饋補償解耦的模糊控制與常規(guī)PID控制下工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)的控制性能參數(shù)對比結(jié)果具體見表3。

表3 性能參數(shù)對比結(jié)果

由表3可知，基于模糊解耦控制算法的工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)的爐膛負壓、主汽壓力、爐膛溫度在超調(diào)量、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)時間層面的表現(xiàn)均優(yōu)于常規(guī)PID控制算法。

5 結(jié) 論

綜上所述，作為工業(yè)主要動力設(shè)備，工業(yè)爐是把一次能源煤炭轉(zhuǎn)換成動力的關(guān)鍵載體，本文面向工業(yè)爐生產(chǎn)過程中的燃燒系統(tǒng)解耦控制進行了深入研究，燃燒系統(tǒng)模糊解耦控制基于模糊控制靈活性較強且無需精確化數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢，促使系統(tǒng)擁有了良好性能參數(shù)。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)PID控制算法，基于模糊解耦控制算法的工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)的爐膛負壓、主汽壓力、爐膛溫度在超調(diào)量、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)時間層面的表現(xiàn)優(yōu)異，不僅調(diào)節(jié)時間與響應(yīng)時間大大縮短，而且超調(diào)量明顯縮小。