基于模糊控制法的工業爐燃燒系統模糊解耦控制研究

王博華

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

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

1 工業爐燃燒系統模糊解耦控制方案

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

圖1 輸出量與輸入量相關參數間的作用關系

模糊解耦控制系統原理具體為，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則，基于推理合成規則實現模糊決策，獲取模糊控制量，最終將模糊控制量進行反模糊化處理，轉換為精確量，以作用于被控制對象，以此循環，從而實現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越性，所以相較而言更加適合工業爐燃燒系統控制。

在實際運行系統中，各個變量間存在耦合關系，以此基于引進解耦參數，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；f為偏差。

2 工業爐燃燒系統模糊解耦控制思路

基于燃燒系統控制可知，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中負壓變化直接受汽機調門開度與工業爐燃燒率影響；主蒸汽壓力控制系統中主氣壓變化直接受給煤量、送風量、機組負荷變化影響；爐膛溫度控制系統中溫度變化直接受送風量、給煤量、引風量變化影響。一般來講，爐膛負壓調節基于引風量單回路調節便可實現良好效果。

通常常規控制策略具體即基于各系統被控對象選擇PID調節器單獨控制即可，以Ziegler-Nichols控制器參數整定方式與手動調試方式明確調節器相關參數。而給煤量回路和送風量回路間具有一定的耦合性，送風量回路和引風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 工業爐燃燒系統模糊解耦控制器設計

作為模糊解耦控制系統核心組成部分，模糊控制器是以模糊知識表示與規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。而模糊控制系統性能的主要影響因素為模糊控制器結構、模糊規則、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

工業爐燃燒系統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 規則構建

模糊控制決策表基于模糊條件語句表征成規則，面向鼓風機頻率創建規則表[8]，具體見表1。

表1 控制規則表

模糊控制規則直接構成了闡述整個工業爐燃燒系統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節，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則，便可獲得控制量輸出模糊集[9]。基于輸入變量與輸出變量隸屬度函數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解耦模糊判決，即于輸出模糊集合內選擇隸屬度最大的論域元素判決結果，若在多論域元素內同步出現最大隸屬度，則以均值為最終判決結果[10]。結果需取整處理，以獲取相應量化等級值，就量化等級和精確值之間的相對應關系進行控制量計算。

4 仿真分析

計算機仿真需創建系統模型，并于各種不同環境下通過計算機動態化運行模型。以模糊解耦控制算法面向工業爐燃燒系統進行Matlab仿真分析。爐膛負壓設置為-10 Pa，蒸汽壓力設置為1 000 Pa，爐膛溫度設置為800 ℃，此環境下，通過反復調試，選擇解耦參數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PID控制下工業爐燃燒系統的控制性能參數對比結果具體見表3。

表3 性能參數對比結果

由表3可知，基于模糊解耦控制算法的工業爐燃燒系統的爐膛負壓、主汽壓力、爐膛溫度在超調量、響應時間、調節時間層面的表現均優于常規PID控制算法。

5 結 論

綜上所述，作為工業主要動力設備，工業爐是把一次能源煤炭轉換成動力的關鍵載體，本文面向工業爐生產過程中的燃燒系統解耦控制進行了深入研究，燃燒系統模糊解耦控制基于模糊控制靈活性較強且無需精確化數學模型的優勢，促使系統擁有了良好性能參數。通過仿真分析發現，相較于常規PID控制算法，基于模糊解耦控制算法的工業爐燃燒系統的爐膛負壓、主汽壓力、爐膛溫度在超調量、響應時間、調節時間層面的表現優異，不僅調節時間與響應時間大大縮短，而且超調量明顯縮小。