基于模糊PID算法的熱風爐燃燒系統設計及仿真

李 旭, 楊 熠，王 輝，喬延輝，王雅賓

(1.華能吉林發電有限公司九臺電廠，吉林 長春 130501 2.北京華能新銳控制技術有限公司，北京 102209)

隨著社會經濟的不斷發展，促使熱風爐在高爐煉鐵生產過程中占有的地位逐漸增長。熱風爐是高爐冶煉生產過程中必不可少的設備之一，可為高爐生產提供所需溫度，并為高爐生產持續供應穩定的熱風，具有一定鼓風功能。除此之外，該設備具有提升高爐煉鐵生產效率、質量等方面的作用。但傳統生產工藝存在一定局限性，不利于操作人員對熱風爐實現精準調節。而模糊PID算法已成為解決熱風爐燃燒問題的重要手段之一，將該算法應用于熱風爐燃燒系統中，對于熱風爐的燃燒具有重要作用。

1 熱風爐燃燒流程分析

熱風爐在工作過程中主要按照“蓄熱”的原理維持自身運轉，其主要作用為：利用熱風爐的鼓風功能，使熱風爐可達到與要求相符合的溫度，以此提高熱風爐整體的燃燒效率及效益。而熱風爐“蓄熱”原理為：在熱風爐內的燃燒室進行煤氣燃燒，煤氣在燃燒過程中會產生大量高溫廢氣，將該廢氣排放至熱風爐的格子磚內，并且格子磚具有一定蓄熱功能，在格子磚得到充分加熱后，熱風爐將自身的送風閥門全部打開。除此之外，全部燃燒閥門全部關閉，此時的熱風爐處于輸送冷風狀態[1]。

熱風爐在運轉之前，需要熱風爐為整個燃燒期供應全部熱量，熱風爐將對自身燃燒過程中的總供熱量進行設定與調節。總供熱量調節過程中，將熱風爐的溫度升高至1 350 ℃，并保證熱風爐具有一定的蓄熱量，使爐內溫度可持續供應。在熱風爐溫度升高的過程中，為最大限度地提升爐內空氣流量，使爐內煤氣流量數值處于不變狀態，并降低熱風爐的溫度。在熱風爐的溫度降為零后，使熱風爐內的廢氣溫度再次升高，至350 ℃后停止升溫，此時為避免熱風爐燃燒系統因溫度超過閾值，而出現系統被破壞的現象，應使煤氣流量與空氣流量的數值處于降低狀態，以此保證熱風爐燃燒系統的安全，熱風爐燃燒流程如圖1所示[2]。

圖1 熱風爐燃燒流程圖

2 基于模糊PID算法的熱風爐自動燃燒控制系統結構設計

2.1 拱頂溫度自動控制系統基本原理

熱風爐在燃燒過程中空氣流量調節閥周圍的環境處于不斷變化的狀態，對于熱風爐內部的空氣流量數值可產生一定影響。為實時監控空氣流量調節閥的環境變化情況，本研究將溫度傳感器安裝至拱頂溫度自動控制系統中，并將c(t)作為代表，對空氣流量變化情況進行監控。對監控結果進行分析可知，若空氣流量內雜質過多，可造成熱風爐頂部的溫度出現變化，不利于爐頂溫度的準確測量，該差距可表示為：e=r(t)-b(t)。除此之外，n(t)表示擾動量，該擾動量的出現實際上是由于系統輸出量出現較大偏差，從而形成對系統的干擾，拱頂溫度自動控制系統基本原理框圖如圖2所示[3]。

圖2 拱頂溫度自動控制系統基本原理框圖

為獲取系統輸出量造成的偏差數值，首先利用控制器獲取相應的電信號，通過對比分析即可獲取系統存在的偏差值。偏差值與空氣流量數值之間存在兩種關系：

(1)偏差值>0：該現象表示系統內空氣流量數值較低，應將數值調大；

(2)偏差值<0：該現象表示系統內空氣流量數值較高，應將數值降低，以此達到改變空燃比的目的[4]。

2.2 模糊PID控制器的基本結構設計

由于模糊PID控制結構在功能上具有安全性高、可靠性強等優勢，將該結構應用于熱風爐燃燒系統中，并利用PC對熱風爐燃燒系統進行動態控制，可有效解決熱風爐存在的燃燒問題。動態控制過程要求PC結合熱風爐燃燒系統的實際相應狀況進行精準判斷，該方式在一定程度可使熱風爐燃燒系統的參數不受影響，并且具有改善熱風爐燃燒系統性能的作用，模糊PID控制器的基本結構如圖3所示[5]。

圖3 模糊PID控制器的基本結構圖

對熱風爐燃燒系統進行實際控制過程中，首先對控制參數進行要求設置，在熱風爐燃燒系統控制的初始階段，不可同時擴大或減小控制參數Kp和Kd，并令常數Ki=0；當系統處于調節的中間環節時，應最大限度地降低常數Kp，并確保系統的響應速度。除此之外，系統調節后期應重點關注比例與積分常數之間數值的變化，確保系統的穩定運行；若系統偏差變化率較低，應調大Kd值[6]。

3 熱風爐自動燃燒控制系統的模糊PID控制器設計

3.1 確定模糊PID控制器變量

為保證系統的穩定運行，對該系統進行控制器設計時，應將該控制器分為兩部分：煤氣調節模糊PID控制器、空氣調節模糊PID控制器。對煤氣調節模糊PID控制器的輸入變量T和ΔT進行確定時，可利用采樣周期內拱頂溫度的變化量以及變化率對爐內煤氣流量進行判斷，輸出變量為控制信號U。而空氣調節模糊PID控制器的輸入變量為：實際爐內廢氣含氧量以及充分燃燒時標準含氧量的差值E以及廢氣含氧量變化速率EC，輸出變量為控制信號U[7]。

3.2 總結模糊PID控制器控制規則

模糊PID控制器控制規則實際上指的是：工作人員采用手動方式對熱風爐燃燒系統進行控制過程中積累的控制策略。該策略需要工作人員長時間的修正與完善后方可獲得。因此，對煤氣調節模糊PID控制器以及空氣調節模糊PID控制器的控制規則進行總結時，應長期觀察工作人員的手動燃燒方法，并進行如下分析[8]。

1)煤氣調節模糊控制器控制規則

對煤氣調節模糊控制器控制規則進行研究可知，拱頂溫度與煤氣流量存在一定關系。從某種意義上講，拱頂溫度的快速上升，主要由煤氣流量供給量的增長情況進行決定。結合上述內容，可將煤氣調節模糊PID控制器的控制過程指定為：當輸入變量T為正，且變化率ΔT數值較高時，可代表拱頂溫度存在進一步上升趨勢，此時應利用控制器將煤氣的供給量進行降低，用條件語句可表示為

“ifT=PB+ andΔT=PB+，thenU=NB+.”

煤氣調節PID模糊控制器的控制規則如表1所示。

表1 煤氣調節模糊PID控制器的控制規則

2)空氣調節模糊PID控制器控制規則

熱風爐內的含氧量可直接表示煤氣與空氣的燃燒效果，若廢氣中的含氧量較高，可表明參與燃燒的空氣流量數值過高，應適當降低該含量；當廢氣中的含氧量較低，可表明參與燃燒的空氣流量數值過低，應保證煤氣流量的原本參與量，并適當增加空氣流量，可用條件語句表示為

“ifE=PB+ andEC=PB+，thenU=NB+.”

空氣調節模糊PID控制器的控制規則如表2所示[9]。

表2 空氣調節模糊PID控制器的控制規則

3.3 確定模糊PID控制器相關參數

參數的確定應圍繞控制器的變量進行研究。煤氣調節模糊PID控制器的論域范圍：輸入變量T為(-4,4)、變化率ΔT為(-4,+0.4)、輸出量U為(-400,400)；空氣調節模糊PID控制器的論域范圍：差值E(-4,0.4)、變化速率EC為(-4,0.4)、輸出量(-400,400)，而量化因子與比例因子皆確定為1。除此之外，確定模糊PID控制器的模糊方法時，首先應對隸屬函數的形狀及參數進行確定，本研究為保證系統的穩定運行，主要采用三角隸屬函數的方式進行賦值。

4 基于模糊PID算法的熱風爐自動燃燒控制系統仿真測試

為維持熱風爐燃燒控制系統的穩定性，本研究采用將模糊控制與PID充分結合形成模糊PID控制器的方式進行實現。為控制熱風爐拱頂的溫度，對該系統進行仿真測試，測試過程中，應找出變量EC和E的對應關系，并計算出輸出量Kp、Ki、Kd的數值。其中EC和E的論域可設置為[-3,3]。結合該測試的結果進行分析可知，Kp、Ki、Kd的值分別為：0.031、0.000 4、0.062，拱頂溫度模糊PID控制仿真波形如圖4所示[10]。

圖4 拱頂溫度模糊PID控制仿真波形圖

超調量σp=4%、上升時間tr=230 s，調節時間ts=500 s。除此之外，時間為580 s時，拱頂的溫度可達1 350 ℃，該現象可證明基于PID算法的熱風爐控制系統具有較強的控制性。

5 結 語

為避免熱風爐燃燒系統因溫度超過閾值，而出現系統被破壞的現象，本研究利用模糊PID算法，對熱風爐燃燒系統進行設計與仿真測試，測試結果表明，基于模糊PID算法的熱風爐燃燒系統具有較強的控制性。在未來發展中，應加強對熱風爐燃燒系統中技術的提升，為提高高爐生產效率奠定基礎。