20T/h循環硫化床鍋爐螺旋給煤機模糊控制應用

王百達（大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司，山西　大同　037000）

20T/h循環硫化床鍋爐螺旋給煤機模糊控制應用

王百達（大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司，山西大同037000）

1　立項背景及原因

循環硫化床鍋爐是一種燃燒效率高，煤種適應性強，對熱負荷變化適應范圍大，污染物排放量較小的鍋爐爐型SHX-20-2.5/400-H（AII）中壓鍋爐（以下簡稱20T/h鍋爐）是同煤集團為年產5萬噸/年甲醇而設計的鍋爐，為5萬噸/年甲醇和煤氣廠供汽，至投運以來螺旋給煤機的控制為人工操作，給煤量難以保證，設備運行不穩定，存在很大的安全隱患。

螺旋給煤機是20T/h鍋爐系統的關鍵設備之一，直接關系到鍋爐蒸汽的安全可靠生產。螺旋給煤機的給煤系統主要由給煤電機、漏斗型煤倉、螺旋軸輪、運煤皮帶等組成。系統運行時螺旋軸輪在給煤電機的帶動下，將煤倉漏斗里的燃煤刮入爐膛從而提供燃燒用煤。其中給煤機的給煤量是該系統主要的控制對象：給煤量過多會造成爐膛溫度高甚至結焦事故；給沒量過少會造成溫度下降或熄火事故。目前該給煤機設備由工人手動操作，工人的操作對該設備的穩定運行產生很大影響。由于工人工作環境粉塵濃度大、設備運行環境差，爐膛溫度過高、結焦、溫度下降、熄火等事故時有發生。因此，2012年9月經我廠專題會議研究在螺旋給煤機進行控制系統進行模糊控制應用實踐。

2　研究或革新內容及創新點

螺旋給煤機系統具有大時滯、非線性、時變且建模困難的特點，常規的控制方法很難保證被控系統正常運行。而目前給煤機的給煤量主要通過現場工人根據操作經驗和調度室的指示進行控制，受操作經驗等因素影響較大，為此引進模糊控制技術，以PLC為控制器，對給煤機控制進行改進。

模糊控制技術是在模糊數學基礎上產生的一種控制技術。與傳統PID控制方法相比，模糊控制具有更好的適應被控對象變化的能力，不需要建立對于被控對象精確的數學模型等優點。對于此種控制方式影響最大的是模糊控制規則的確定及其可調整性。對比傳統控制方式模糊控制技術有如下特點：

（1）被控對象不需要建立精確的數學模型，只需要現場操作人員或相關專家的知識經驗或操作數據；

（2）模糊控制技術可與經典控制方法相結合，使用靈活，適用范圍廣；

（3）被控制系統具有較強魯棒性，對于非線性、時變、大滯后系統具有更好控制能力；

（4）模糊控制技術同時可用于模型精確的被控對象；

3　模糊控制器方案研究及確定過程

20T/h循環流化床鍋爐在實際運行中存在非線性、時變、大滯后等特點，要實現給煤系統的自動控制，傳統PID控制方法是很難做到，因此選擇模糊控制方法。在實際生產過程中，煤倉漏斗下煤不均勻，造成給煤電機電流產生變化，電流變化與煤倉漏斗漏煤量成正比，同時單位時間的給煤量與電機轉速和負載量的乘積成正比。設單位時間給煤量為C，電機電流為I，轉速為U，則有下列關系:C=K IU（其中K為常數）。要對給煤機的給煤量C進行控制，這里采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器。

3.1確定模糊控制器的輸入、輸出語言變量及結構

本例使用雙輸入單輸出的二維模糊控制器，該控制器以給煤量的偏差e和偏差變化率ec為輸入語言變量，以螺旋給煤機的轉速u為輸出語言變量。

其中C為給煤量的設定值，c為給煤量的測量值。模糊控制原理圖如下圖2-1

圖3-1　模糊控制原理圖

3.2輸入語言變量偏差E、偏差變化率EC和輸出語言變量U的語言值確定

系統偏差e的基本論域：［-120，+120］，輸入語言變量偏差E的模糊論域為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，偏差E的量化因子Ke：Ke=6/120=0.05。輸入語言變量偏差E的語言值為：｛NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB｝=｛負大、負中、負小、零、正小、正中、正大｝。確定在模糊論域的模糊子集NB…PB的隸屬度函數，建立語言變量E的賦值表如表3-1。表3-1輸入語言變量E的隸屬度函數表

模糊論域隸屬度語言變　量PB PM PS Z NS NM NB -6　0 0 0 0 0 0 . 6　1 . 0 -5　0 0 0 0 0 . 2　0 . 8　0 . 8 -4　0 0 0 0 0 . 5　1 . 0　0 . 5 -3　0 0 0 0 0 . 8　0 . 7　0 . 2 -2　0 0 0 0 . 3　1 . 0　0 . 5　0 -1　0 0 0 0 . 7　0 . 8　0 . 2　0 0 0　0 0 . 2　1 . 0　0 . 5 0　0 1 0　0 0 . 7　0 . 7　0 . 2 0　0 2 0 0. 3 1. 0. 4 0 0 0 3 0. 1 0. 8 0. 8 0. 1 0 0 0 4 0. 5 1. 0 0. 4 0 0 0 0 5 0. 8 0. 8 0. 2 0 0 0 0 6 1. 0 0. 4 0 0 0 0 0

系統偏差變化率ec的基本論域：［-150，+150］，輸入語言變量偏差變化率EC的模糊論域為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，則偏差變化率EC的量化因子Kc：Kc=6/150=0.04。輸入變量偏差變化率EC的語言值為：｛NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB｝=｛負大、負中、負小、零、正小、正中、正大｝。確定在模糊論域的模糊子集NB…PB的隸屬度函數，建立語言變量EC的賦值表如表3-2。

表3-2　輸入語言變量EC的隸屬度函數表

輸出控制變量u的基本論域：［-20，+20］，輸出語言變量U的模糊論域：Z=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，則控制量u的比例因子Ku:Ku=6/20=0.3。輸出語言變量U的語言值為：｛NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB｝=｛負大、負中、負小、零、正小、正中、正大｝。根據操作者和相關工程技術人員的知識經驗確定在模糊論域上用模糊子集NB…PB的隸屬度函數，建立語言變量U的賦值表如表3-3

表3-3　輸出語言變量U的隸屬度函數表

3.3模糊控制規則的確定

EC U E PB PM PS Z NS NM NB PB NB NB NB NM NM NS Z M NB NM NM NS NS Z PS PS NM NM NS NS Z Z P M Z NM NS Z Z P S PS PB NS NS Z Z P S PM PM PB NM Z Z P S PM PB PB PB NB Z PS PM PB PB PB PB

3.4解模糊與模糊控制表的生成

e*，ec*kuu*采用最大隸屬度法對模糊輸出語言變量進行解模糊。對模糊輸入語言變量E和EC的模糊論域的所有元素的組合進行模糊化、模糊推理、模糊判決、去模糊，得到與輸出語言變量U上的元素與之一一對應的元素，把這些對應關系編制成表格，生成模糊控制表。在實際生產過程中，控制系統在每一個控制周期都將實測偏差和偏差變化率分別進行量化，將所得量化值通過查找模糊控制表得到對應的輸出語言變量（如表3-4），再將說得輸出語言變量值與比例因子相乘，得到被控對象實際控制量的變化值。

表3-4　模糊控制表

3.5硬件的實現

S7－200PLC系統是緊湊型可編程控制系統。它不僅具有功能強大的指令集和通信功能，而且具有豐富的配套拓展模塊，拓展性好，價格低廉。這使得S7－200PLC在連成網絡的控制系統和獨立運行的控制系統中都能滿足所需的控制任務。采用S7－200PLC控制器，PLC為CPU224（AC/DC/Relay，120～240V電源輸入，14DI/10DO）擴展模塊為模擬量輸入輸出模塊EM235（4AI/1AO）。模糊控制的程序流程圖如圖2-2所示：

圖2-2　模糊控制程序流程圖

模糊控制在PLC上的主要工作是PLC梯形程序圖設計。利用EM235模擬量輸入輸出模塊對螺旋給煤機的電流和轉速進行采樣并輸出對螺旋給煤機轉速的控制信號。在PLC內部模擬量輸入模塊EM235在采樣時間對給煤機電流和轉速進行采樣，采樣地址分別是AIW0、AIW4。將采樣后后的電流、轉速模擬量存入VW20、VW22。利用PLC的計算功能將給定量與實際值進行計算的到偏差e、ec，e，ec的地址是VW20、VW22。將e、ec分別與Ke、Kc進行計算，其中Ke、Kc分別置于地址VW44、VW46中。將模糊化后E和EC分別置入VW50、VW52。計算得出模糊控制量U放置于VW 54，解模糊得到的精確控制量u放入VW64中。模糊控制量表的查詢是程序設計的關鍵。本設計采用基址尋址+變址尋址的尋址方式將模糊控制量表中U的控制結果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC的數據寄存（保持）區VB72—VB142。，通過模糊控制量表的查詢得到模糊控制量U，經過解模糊運算、乘以位于VBW43的Ku可得到精確的控制量u。通過模擬通量輸出通道AQW0輸出，從而控制執行機構輸出。

4　應用情況及經濟效益

系統投入運行半年以來非常穩定，爐膛溫度過高、溫度下降、熄火、結焦的故障明顯減少。因熄火重新點燃鍋爐次數明顯減少，節約費用約2萬多元，燃煤費用減少了13多萬元。運行一年來節約材料費、人工費共計用17萬元。不僅提高了鍋爐的燃燒效率，而且減少了煤炭用量，達到了節能、經濟、環保運行的目的。

5　總體性能指標與國內外、集團公司內其他單位技術的比較

模糊控制是一種人工智能的控制方式，其控制策略為模擬人工智能的控制方法，屬于國內先進的控制技術。

6　存在問題及推廣應用前景

對于我廠控制點不多、建模困難的一些工段，相比傳統DCS-PID控制，模糊控制具有更好的魯棒性和適應性。對于被控變量多、被控變量具有非線性、時滯、時變和建模困難等特點的控制，模糊控制的控制效果明顯好于傳統的PID控制，是的一種較為理想、適用的控制方式。PLC控制系統與模糊技術相結合，這控制系統不僅具有簡便可靠、適應能力強智能化程度高的特點，同時又以小成本構建系統完成了DCS系統的控制任務，此項技術在涉及到模糊控制的各個生產領域具有極強的推廣應用前景。