生物質固化成型機控制系統的綜述

杜鵬東

（國家林業局哈爾濱林業機械研究所，哈爾濱 150086）

隨著全世界能源問題日益加劇，我國開始向生物質能源方面進行研究，在不久的將來我國將面臨著能源短缺的嚴重問題，隨著不可再生資源的不斷開采，能夠開采的資源越來越少，世界能源問題已經成為世界會議的重點，要改變當前能源短缺的問題，就必須開辟新的途徑，所以生物質能源的利用越來越受到人們的關注，充分的開發和合理的利用生物質可再生能源對能源系統的可持續發展有著重大的意義，對世界經濟發展和全球環境保護也有著很重要的意義［1］。

1 生物質能源的利用的意義

（1）在世界戰略安全中的意義是發展生物質能源可以對我國能源安全有著很好的保障，預計到2020年，我國將面臨著非常嚴峻的能源安全問題，屆時我國的消耗能源的總量折合成標煤可能會大于30億t［2］。充分開發和合理的利用生物質能源，可以降低對環境的污染和破壞，降低對不可再生資源的嚴重的過度開采，從而彌補其他資源的短缺，如石油和天然氣，生物質能源的利用可以有效的增加我國所擁有的能源的總量，可以有效的對能源結構進行調整，從而對我國能源安全進行強有力的保障［3］。

（2）作為新型能源的生物質能源，它的研究對當前我國正在加快實施的農村城鎮化建設有著非常深遠的意義。全國第六次人口普查顯示，在我國，鄉村人口為六億七千四百多萬人，在農村生活中燃料是農業廢棄的秸稈和林木薪材，這些農業廢棄物在燃燒時會排放出了大量的二氧化碳等溫室氣體以及有害煙塵，而且這些農業廢棄的秸稈和林木薪材的燃燒利用率只有5%～10%，這樣就造成了能源的大量浪費［4］。在農村普遍推廣生物質能源，使其發展成為當地產業，不僅可以是生物質能源得到充分開發，還可以吸收農村大量的閑散農民，使農村經濟多元化發展，有效的提高農民收入，并且可以有效的提高資源的利用率，減少二氧化碳溫室氣體及有害煙塵的排放量，使農村環境得以改善，使農民生活質量得到提高［5］。

（3）生物質能源對于生態環境有著深遠的影響與意義，能源結構在我國主要是燃煤，煤炭燃燒造成了嚴重的空氣污染，空氣污染物種煤炭燃燒產生了大約七成的漂浮性煙塵和二氧化碳、大約九成的二氧化硫，大約七成氮氧化物［6］。然而生物質燃料燃燒產生的氣體只有少量的二氧化硫和氮氧化合物，污染小，深入開發和充分利用生物質能源能夠有效的降低對森林的消耗，可以有效地提高人類生活環境質量［7］。

2 生物質固化成型機

在我國生物質能源轉化方式主要有4種:①直接燃燒;②生物質固化成型;③生物質氣化;④生物質液化［8］。

生物質固化成型燃料，指由生物質固化成型機將生物質壓縮成型的燃料，將生物質原料粉碎得到生物質碎末，通過模具的壓縮形成固體燃料，這種固體燃料的能源密度與中質煙煤相仿，燃燒時火力可以保持很久，生物質燃料的燃燒性較好，在農村生活燃料中、在工廠的鍋爐中以及特定在電廠中基本可以用生物質燃料代替煤炭［9］。以秸稈固化燃料為例，它的燃燒熱值約為3 700～4 200Kcal/kg，密度為0.8～1.1g/cm3，灰分為 6～20%，水分≤12%，二氧化碳為0，二氧化氮為14mg/m3，二氧化硫為 46mg/m3，煙塵為≤127mg/m3［10］。

目前，我國的生物質固化成型理論基礎薄弱導致成型設備的成本高，能耗大，模具使用壽命短，損耗大，而且沒有精確的智能控制系統，致使能源大量的浪費，使其難于產業化［11］。本論其生物質固化成型機的現狀進行分析總結，希望對研究者提供一些研究方向。

3 工業控制研究現狀

國內的生物質成型控制的研究還很少，目前大多研究主要集中于成型模具的失效機理的研究，而且國內研究生物質成型機控制系統的科研人員很少，又分布在不同院校。當前的國內市場情況是生產成本過高，再加上宣稱力度不夠造成市場化程度較低，而且技術支持不到位導致無法規模化生產。以上原因直接導致了生物質燃料產品價格過高，難于推廣［12］。

溫度控制在工業生產中普遍存在的非線性，時變，大慣性的特點，純滯后控制系統，容易產生很高的超調量和系統在設定點附近持續震蕩，因為溫度控制對象的參數是不確定的，被控對象參數的控制通常有較大的變化，對象的變化將直接導致其參數的數學模型的改變，這就造成被控對象參數的變化是隨機的變化，無法預測，這就大大增加了溫度控制的難度［13］。在實際工業生產溫度控制系統中，應用最廣的是比例積分微分控制［14］。20世紀30年代科學家提出了PID控制器，該控制器具有很多優點，成功解決了傳統控制所不能解決的問題，其優點有良好的穩定性、簡單的結構、可靠的工作性能和便于調整［15］。

PID控制技術可以不用精確地數學模型，也可以不掌握被控對象的參數及結構，就能夠依據操作人員的操作經驗現場調試完成，這是其他控制理論難以達到的。PID控制技術可以取代控制其他手段來解決其控制問題，如通過其他途徑不能解決控制系統的參數等。PID控制器工作原理是將系統的反饋與設定值進行對比產生偏差量，利用比例加積分加微分的方法得出輸出值對被控對象進行控制。它是在工業溫度控制中應用范圍最廣應用時間最長的一種控制形式，將實際的運行效果與理論進行對比分析，通過大量的實際應用數據可以得出，PID控制規律在工業生產過程中基本達到控制目的。PID控制在當今社會很多工業過程控制中得到了非常廣泛的應用［16］。控制系統的性能影響因素很多，其中參數整定的質量直接影響PID控制器的控制質量。控制器的參數整定的問題，實質就是找到與被控對象的參數特征相匹配的數據，然后將控制器的某個或多個參數通過特定的規則使其與找到的數據匹配。

傳統的PID控制參數是經過大量的實驗，采集到大量的數據通過對數據的分析，加上初步數學模型對數據的試湊實現人工的參數整定。人工非在線參數的整定方法，在現有的工業生產針對溫度對象控制器的實現方法當中，仍然得到較多的采用，即使采用某些自整定的方法，大都是用一些開環的整定方法［17］。物理意義非常明確的參數整定方法，在實際的工業生產控制系統中被人們長期使用，被控對象的參數特征相匹配的數據，將控制器的某個或多個參數通過特定的規則使其與找到的數據匹配，適用于人工非在線參數整定，然而當控制對象的某些參數發生變化后，就需再次根據變化后的數據進行人工的參數整定，費時費力［18］。

Fuzzy－PID控制和參數模糊整定PID控制方法是模糊控制與PID相結合的控制方法中主要的形式［19］。Fuzzy－PID控制的系統有自動轉換開關“switch”，可以根據不用的情況選擇不同的控制方法，系統偏差e較小時采用PID控制，使系統具有好的靜態性能［20］;當系統反饋與系統給定值的偏差e較大時“switch”開關自動轉換到模糊控制檔位，這樣系統就會具有較短的響應時間以及優秀的動態系統性能。參數模糊整定PID控制方法是通過模糊規則調節的，模糊推理器根據反饋與設定的偏差和系統的偏差的變化率（偏差變化率）ec推理出PID 參數［21－23］。

4 我國生物質固化成型技術存在的問題

從1938年國外的學者開始生物質固化成型技術至今，已經過去了近80 a，國內外的學者為成型技術的發展做了巨大貢獻，為以后的進一步研究提供了良好的理論基礎和實驗數據［24］，但目前仍有一些技術難題，制約著我國生物質固化成型技術的發展，總結如下兩方面:

（1）模具的使用壽命短造價高，目前解決模具失效問題的研究大多是局限于模具的設計，缺少對成型機過程控制的研究。

（2）自動化控制程度低，沒有形成完整的參數數據庫，在加工過程中造成能量的浪費。

5 結論

針對成型機智能化控制程度低的問題，結合計算機及智能控制技術對成型機控制系統進行研究，建議針對以下內容競相研究。對生物質固化成型進行試驗研究，得到影響生物質固化成型的主要因素，對主要影響因素進行研究得出精確的采集方法［25］;建立數據采集系統對相關參數進行采集，建立相關的數據庫;分析數據庫信息，建立被控對象數學模型，依據數學模型確定控制方案;對控制方案進行仿真實驗，得到最優控制方法;構建計算機控制系統，實現對成型機的自動控制。

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