濾袋式除塵器溫度控制

叢赫陽 陳長征

摘 要：隨著環保意識增強，工業生產中的粉塵控制受到廣泛關注。濾袋式除塵器的是重要的處理方式之一。文章根據實際電熔鎂生產為基礎建立濾袋式除塵器的模型，并進行仿真模擬其煙氣溫度控制。通過采用PID和模糊化控制兩種方法對比，結果顯示PID控制方法在2.5s左右便達到溫度變化的應激峰值，模糊化控制方法在4s達到峰值。但是模糊化控制溫度的變化偏差是PID控制方法的一半。仿真結論為：在真實情況下，模糊化控制方法更加合理。

關鍵詞：粉塵污染；濾袋式除塵器；PID控制；模糊控制

中圖分類號：TK17 文獻標志碼：A 文章編號：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

當前，隨著我國工業化進程的加快以及環境污染的加重，導致霧霾天氣頻頻出現，而霧霾的主要成分就是工業粉塵，這些粉塵大部分來自工礦企業所排放的煙塵。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]。電熔鎂生產也是重要的排煙工業之一。電熔鎂生產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的處理能力不足。早在1997年King等就對工業生產中的模糊控制系統做過類似研究[2]。除塵器系統是朝著小型化[3]、智能化[4]的方向發展，但是國內在這個方面的研究比較滯后，谷艷玲等對除塵器的溫度、清灰機制以及壓力等進行研究[5]。為了更加準確的調節濾袋式的反饋控制，針對電熔鎂濾袋式除塵系統自動控制中的應用研究具有積極的現實應用價值。

1 濾袋式除塵器特點

為了模擬仿真出更加接近實際的濾袋式除塵器的氣流流動狀態，采用合適的網格劃分的基礎上，使仿真結果在相同數據的情況下不會有顯著的變化。以此基礎出發設計的袋式除塵器進風箱結構如圖1所示。

假設氣體從上入分口流進箱體，流經箱體內豎直的濾袋邊界，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大約設置在30000m3/h左右，除塵器的個數為20個，每個除塵器處理的含塵氣體流量為1500m3/h。現設定進氣壓力為0.3MPa的情況為例，對此除塵器進風箱結構模型進行數值模擬。

本文設計的濾袋式除塵器系統中，設備與管道配置如圖1所示，管道系統配置應考慮到風氣流通合理性，既不能太過緊湊，也不能太過疏松，需要保證管道布置順直以減小阻力對煙氣溫度變化的影響。

在電熔鎂濾袋式除塵器系統中，需要控制溫度差值比例來達到反饋目的，從而讓系統中被控制對象的溫度維持一個穩定的數值。電熔鎂濾袋式除塵器通過煙氣的溫度與吸入常溫空氣的差值和目標煙氣溫度的比值來控制。因此PID控制方法適用于電熔鎂濾袋式除塵器系統的溫度控制。

2.2 模糊化控制方法

模糊控制器在整個系統中起到關鍵的作用。在電熔鎂濾袋式除塵器中同樣也能起到至關重要的作用。整個電熔鎂濾袋式除塵系統中的輸入信號為溫差，然后通過電子系統傳輸至模糊控制器中。輸出結果表現為溫度差調節，最終達到理想的控制結果。實現方式如下圖：

通過圖3可知，電熔鎂濾袋式除塵系統中模糊控制器通過三部分完成工作。并且三個部分相互影響，輸入信號與輸出信號相互反饋調節，經過調節后而達到最佳控制輸出。

3 PID控制方法和模糊化控制方法在濾袋式除塵器中的運用

在這個溫度控制系統里，把粉塵流體溫度降低到除塵器除塵效率最佳范圍是重點，在電熔鎂粉塵流過管道的時候，通過混風閥向管道內部混入自然冷風來給400℃（假定值）的粉塵流體來降溫，并使粉塵溫度達到布袋除塵器所能接受的范圍。對于這個變量多而復雜的系統，雖然沒有精確的數學模型，但是根據實際經驗，可以得到粉塵溫度的變化趨勢：增大混風閥流量，粉塵溫度降低的快，減小混風閥流量，粉塵溫度降低的慢；同時，冷的空氣流體和粉塵流體在管帶內部達到充分混合需要一定的時間，因此造成粉塵溫度變化滯后。該溫度控制系統是非線性、多參數、時變的復雜系統，對于本文所研究的電熔鎂粉塵流體來講，粉塵流量大，表現出一定的慣性，因此有慣性滯后環節，本文中用一階慣性和一個延遲環節來近似電熔鎂粉塵流體溫度變化的傳遞函數：

糊控制方法的本質是根據不同的語言變量構成的約束條件，把目標變量約束在一定范圍里面。其中約束條件在模糊控制系統中為隸屬函數（表示某個被控對象具有的模糊性質或者表示某個被控對象的模糊概念程度），被約束的范圍叫做論域。一般而言，模糊化控制根據經驗來選擇語言變量的。模擬時需要對其設定模糊子集，并利用確定的隸屬函數計算個量化等級在對應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，而煙氣溫度偏差變化率又能夠很好地反映系統中的煙氣溫度變化情況，從而在整個調節系統中能夠更好地反映調節效果。因此煙氣溫度偏差也是該系統中的重要輸入參數之一。影響煙氣溫度的關鍵因素是冷卻氣體量，具體到實際運用中就是混風閥開度。

本系統采用溫度偏差量E、溫度偏差變化率EC作為輸入；混風閥閥門開度U作為輸出。其中溫度偏差（E）：溫度給定值設為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時間的微分。混風閥開度（U）：混風閥開度的基本論域為[0°，90°]。

（1）溫差E的隸屬函數。設系統溫差E的論域為E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，預設合適的控制精度要求，采用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個模糊量來描述。

（2）溫差變化率EC的隸屬函數。設系統溫差變化率EC的論域為EC={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}采用NB，NS，0，PS，PB五個模糊量來描述。

（3）輸出變量U的隸屬函數。設系統輸出變量U基本論域為[0，1]，論域為U={0，1，2，3，4，5}，用NB，NS，O，PS，PB五個模糊量來述。

此外，經模糊控制算法輸出的控制量，不能直接控制對象，必須根據基本論域中的相應范圍將輸出的控制對象轉化。不同量化因子對模糊控制器有較大的影響。

對上述控制規則表中的每條控制語句，都可用一個模糊量來表示。至此，就可以根據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，計算出相應的控制量U，對所有的E、T中元素的所有組合全部計算出相應的控制量變化值，形成一個矩陣形式的控制查詢表（見表1）及其規則表面圖（如圖5所示）。

電熔鎂濾袋式除塵器溫度模糊控制系統是依據以上控制規則，按照語言變量的控制范圍和程度來控制這個復雜系統，對于模糊溫度控制方法還沿用同樣的經驗性電熔鎂粉塵流體溫度變化的傳遞函數。同時在仿真中加入階躍信號作為系統的外部擾動。模糊控制方法來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效性，先假設從理想狀態出發，模擬從200℃的煙氣溫度瞬間升高至400℃的階躍函數狀態下控制其溫度變化。根據PID控制和模糊化控制方法研究溫度變化的結果，就兩種方法優劣進行分析。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果。PID控制方法在2s內便達到了應激溫度，2.5s左右便達到應激峰值，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左右達到了目標溫度，在4s左右達到應激峰值，并且在15s左右維持溫度穩定。PID控制方法應激反應迅速，模糊化控制方法控制的溫度變化幅度的波動較小。

現實溫度變化情況是非線性、時變性的。因此有必要對更加復雜的變化情況進行模擬。根據以上確定的傳遞函數模擬進行仿真計算。如圖7（b）所示，信號源溫度在不停地上升時，PID方法控制反應激勵溫度迅速追趕信號源溫度，并且快速超過了信號源溫度。然后以更快的速度下降去貼合信號源溫度。PID控制方法來控制系統溫度的波動迅速，反應靈敏。而模糊化方法顯得反應速度較平緩。這是因為PID控制方法反饋的信號為溫度差值比例，這是一個直接的信號輸入，結果顯而易見，系統對此信號就能夠做出迅速的調節反饋。而模糊化控制方法輸入的信號是溫差，系統通過對論域范圍中的語句參數進行比對，做出更加合適的反饋結果來，因此顯得系統反應遲緩。

從圖7（b）對比來看，PID控制方法控制的溫度變化要比模糊化控制方法要激烈，溫度應激峰值超出目標溫度的范圍更為明顯，是模糊化控制方法的2倍左右。這是因為PID方法對溫度差值比例的信號迅速做出反饋調節，而模糊化控制方法會找到一個合適的反饋調節讓系統做出反饋。由于算法的原因，更加細化論域范圍可以得到改善，但是更加細化的論域會增加系統計算量。因此在控制方面，合理的模糊化控制方法對溫度變化的調節更加有效。

4 結束語

本文概述了電熔鎂濾袋式除塵器系統中的煙氣溫度控制模型。根據除塵相關知識和經驗，結合相關除塵系統檢測與控制，設計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行對比，對系統中輸入單信號階躍函數激勵和模擬真實信號輸入。通過對比兩種控制方法的結果，并且根據實際情況得出合理的模糊化控制溫度的方法對該系統更加有效。

參考文獻：

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