滤袋式除尘器温度控制

丛赫阳 陈长征

摘 要：随着环保意识增强，工业生产中的粉尘控制受到广泛关注。滤袋式除尘器的是重要的处理方式之一。文章根据实际电熔镁生产为基础建立滤袋式除尘器的模型，并进行仿真模拟其烟气温度控制。通过采用PID和模糊化控制两种方法对比，结果显示PID控制方法在2.5s左右便达到温度变化的应激峰值，模糊化控制方法在4s达到峰值。但是模糊化控制温度的变化偏差是PID控制方法的一半。仿真结论为：在真实情况下，模糊化控制方法更加合理。

关键词：粉尘污染；滤袋式除尘器；PID控制；模糊控制

中图分类号：TK17 文献标志码：A 文章编号：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，随着我国工业化进程的加快以及环境污染的加重，导致雾霾天气频频出现，而雾霾的主要成分就是工业粉尘，这些粉尘大部分来自工矿企业所排放的烟尘。目前除尘的主要手段靠静电除尘和滤袋式除尘，而且滤袋式除尘效率比静电除尘高得多[1]。电熔镁生产也是重要的排烟工业之一。电熔镁生产的烟尘回收效率低下，而影响回收率的主要因素是除尘系统的处理能力不足。早在1997年King等就对工业生产中的模糊控制系统做过类似研究[2]。除尘器系统是朝着小型化[3]、智能化[4]的方向发展，但是国内在这个方面的研究比较滞后，谷艳玲等对除尘器的温度、清灰机制以及压力等进行研究[5]。为了更加准确的调节滤袋式的反馈控制，针对电熔镁滤袋式除尘系统自动控制中的应用研究具有积极的现实应用价值。

1 滤袋式除尘器特点

为了模拟仿真出更加接近实际的滤袋式除尘器的气流流动状态，采用合适的网格划分的基础上，使仿真结果在相同数据的情况下不会有显著的变化。以此基础出发设计的袋式除尘器进风箱结构如图1所示。

假设气体从上入分口流进箱体，流经箱体内竖直的滤袋边界，右下口为出口边界条件，其余的边界条件为箱体边界。含尘气体流量Q大约设置在30000m3/h左右，除尘器的个数为20个，每个除尘器处理的含尘气体流量为1500m3/h。现设定进气压力为0.3MPa的情况为例，对此除尘器进风箱结构模型进行数值模拟。

本文设计的滤袋式除尘器系统中，设备与管道配置如图1所示，管道系统配置应考虑到风气流通合理性，既不能太过紧凑，也不能太过疏松，需要保证管道布置顺直以减小阻力对烟气温度变化的影响。

在电熔镁滤袋式除尘器系统中，需要控制温度差值比例来达到反馈目的，从而让系统中被控制对象的温度维持一个稳定的数值。电熔镁滤袋式除尘器通过烟气的温度与吸入常温空气的差值和目标烟气温度的比值来控制。因此PID控制方法适用于电熔镁滤袋式除尘器系统的温度控制。

2.2 模糊化控制方法

模糊控制器在整个系统中起到关键的作用。在电熔镁滤袋式除尘器中同样也能起到至关重要的作用。整个电熔镁滤袋式除尘系统中的输入信号为温差，然后通过电子系统传输至模糊控制器中。输出结果表现为温度差调节，最终达到理想的控制结果。实现方式如下图：

通过图3可知，电熔镁滤袋式除尘系统中模糊控制器通过三部分完成工作。并且三个部分相互影响，输入信号与输出信号相互反馈调节，经过调节后而达到最佳控制输出。

3 PID控制方法和模糊化控制方法在滤袋式除尘器中的运用

在这个温度控制系统里，把粉尘流体温度降低到除尘器除尘效率最佳范围是重点，在电熔镁粉尘流过管道的时候，通过混风阀向管道内部混入自然冷风来给400℃（假定值）的粉尘流体来降温，并使粉尘温度达到布袋除尘器所能接受的范围。对于这个变量多而复杂的系统，虽然没有精确的数学模型，但是根据实际经验，可以得到粉尘温度的变化趋势：增大混风阀流量，粉尘温度降低的快，减小混风阀流量，粉尘温度降低的慢；同时，冷的空气流体和粉尘流体在管带内部达到充分混合需要一定的时间，因此造成粉尘温度变化滞后。该温度控制系统是非线性、多参数、时变的复杂系统，对于本文所研究的电熔镁粉尘流体来讲，粉尘流量大，表现出一定的惯性，因此有惯性滞后环节，本文中用一阶惯性和一个延迟环节来近似电熔镁粉尘流体温度变化的传递函数：

糊控制方法的本质是根据不同的语言变量构成的约束条件，把目标变量约束在一定范围里面。其中约束条件在模糊控制系统中为隶属函数（表示某个被控对象具有的模糊性质或者表示某个被控对象的模糊概念程度），被约束的范围叫做论域。一般而言，模糊化控制根据经验来选择语言变量的。模拟时需要对其设定模糊子集，并利用确定的隶属函数计算个量化等级在对应的模糊子集上的隶属度。

滤袋式除尘器烟气温度模糊控制的最终目的是将烟气温度维持在最佳工作范围内，而烟气温度偏差变化率又能够很好地反映系统中的烟气温度变化情况，从而在整个调节系统中能够更好地反映调节效果。因此烟气温度偏差也是该系统中的重要输入参数之一。影响烟气温度的关键因素是冷却气体量，具体到实际运用中就是混风阀开度。

本系统采用温度偏差量E、温度偏差变化率EC作为输入；混风阀阀门开度U作为输出。其中温度偏差（E）：温度给定值设为T0，温度偏差定义为E（t）=T（t）-T0。温度偏差的变化率（EC）：温度偏差的变化为温度偏差对时间的微分。混风阀开度（U）：混风阀开度的基本论域为[0°，90°]。

（1）温差E的隶属函数。设系统温差E的论域为E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，预设合适的控制精度要求，采用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七个模糊量来描述。

（2）温差变化率EC的隶属函数。设系统温差变化率EC的论域为EC={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}采用NB，NS，0，PS，PB五个模糊量来描述。

（3）输出变量U的隶属函数。设系统输出变量U基本论域为[0，1]，论域为U={0，1，2，3，4，5}，用NB，NS，O，PS，PB五个模糊量来述。

此外，经模糊控制算法输出的控制量，不能直接控制对象，必须根据基本论域中的相应范围将输出的控制对象转化。不同量化因子对模糊控制器有较大的影响。

对上述控制规则表中的每条控制语句，都可用一个模糊量来表示。至此，就可以根据采样得到的两输入量E和T以及另一输入量温度变化率EC，计算出相应的控制量U，对所有的E、T中元素的所有组合全部计算出相应的控制量变化值，形成一个矩阵形式的控制查询表（见表1）及其规则表面图（如图5所示）。

电熔镁滤袋式除尘器温度模糊控制系统是依据以上控制规则，按照语言变量的控制范围和程度来控制这个复杂系统，对于模糊温度控制方法还沿用同样的经验性电熔镁粉尘流体温度变化的传递函数。同时在仿真中加入阶跃信号作为系统的外部扰动。模糊控制方法来控制滤袋中烟气温度的流程图如图6所示。

为了确定控制方法的时效性，先假设从理想状态出发，模拟从200℃的烟气温度瞬间升高至400℃的阶跃函数状态下控制其温度变化。根据PID控制和模糊化控制方法研究温度变化的结果，就两种方法优劣进行分析。图7（a）中不同的线分别表示的是PID、模糊化控制阶跃的仿真结果。PID控制方法在2s内便达到了应激温度，2.5s左右便达到应激峰值，并且在12s左右把温度维持在400℃左右的。模糊化控制方法在2.5s左右达到了目标温度，在4s左右达到应激峰值，并且在15s左右维持温度稳定。PID控制方法应激反应迅速，模糊化控制方法控制的温度变化幅度的波动较小。

现实温度变化情况是非线性、时变性的。因此有必要对更加复杂的变化情况进行模拟。根据以上确定的传递函数模拟进行仿真计算。如图7（b）所示，信号源温度在不停地上升时，PID方法控制反应激励温度迅速追赶信号源温度，并且快速超过了信号源温度。然后以更快的速度下降去贴合信号源温度。PID控制方法来控制系统温度的波动迅速，反应灵敏。而模糊化方法显得反应速度较平缓。这是因为PID控制方法反馈的信号为温度差值比例，这是一个直接的信号输入，结果显而易见，系统对此信号就能够做出迅速的调节反馈。而模糊化控制方法输入的信号是温差，系统通过对论域范围中的语句参数进行比对，做出更加合适的反馈结果来，因此显得系统反应迟缓。

从图7（b）对比来看，PID控制方法控制的温度变化要比模糊化控制方法要激烈，温度应激峰值超出目标温度的范围更为明显，是模糊化控制方法的2倍左右。这是因为PID方法对温度差值比例的信号迅速做出反馈调节，而模糊化控制方法会找到一个合适的反馈调节让系统做出反馈。由于算法的原因，更加细化论域范围可以得到改善，但是更加细化的论域会增加系统计算量。因此在控制方面，合理的模糊化控制方法对温度变化的调节更加有效。

4 结束语

本文概述了电熔镁滤袋式除尘器系统中的烟气温度控制模型。根据除尘相关知识和经验，结合相关除尘系统检测与控制，设计出了电熔镁烟气除尘器烟气温度模糊控制器。采用了PID和模糊化控制方法进行对比，对系统中输入单信号阶跃函数激励和模拟真实信号输入。通过对比两种控制方法的结果，并且根据实际情况得出合理的模糊化控制温度的方法对该系统更加有效。

参考文献：

[1]Noorpoor AR， Sadeghi M. Experimental & numerical simulation the effect of distribution plates in a mobile electrostatic precipitator[J].2003，13（54A）：71-80.

[2]King P J， Mamdani E H. The application of fuzzy control systems to industrial processes[M]. Pergamon Press， Inc. 1977，13（3）：235-242.

[3]Kickert WJM， Lemke HRVN. Application of a fuzzy controller in a warm water plant[J]. Automatica， 1976，12（4）：301-308.

[4]Pappis C P， Mamdani E H. A Fuzzy Logic Controller for a Trafc Junction[J]. Systems Man & Cybernetics IEEE Transactions

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[5]谷艳玲，陈长征，谷晓娇.袋式除尘器高温烟气控制技术研究[J]. 重型机械，2015（2）：17-21.

[6]王胜平，陈鹏.电除尘器和布袋除尘器的综合比较[J].科技創新与应用，2013（23）：54-55.

[7]韩伟，李震.袋式除尘器常见故障分析及处理[J].科技创新与应用，2017（12）：149.