基于模糊PID算法的热风炉燃烧系统设计及仿真

李 旭, 杨 熠，王 辉，乔延辉，王雅宾

(1.华能吉林发电有限公司九台电厂，吉林 长春 130501 2.北京华能新锐控制技术有限公司，北京 102209)

随着社会经济的不断发展，促使热风炉在高炉炼铁生产过程中占有的地位逐渐增长。热风炉是高炉冶炼生产过程中必不可少的设备之一，可为高炉生产提供所需温度，并为高炉生产持续供应稳定的热风，具有一定鼓风功能。除此之外，该设备具有提升高炉炼铁生产效率、质量等方面的作用。但传统生产工艺存在一定局限性，不利于操作人员对热风炉实现精准调节。而模糊PID算法已成为解决热风炉燃烧问题的重要手段之一，将该算法应用于热风炉燃烧系统中，对于热风炉的燃烧具有重要作用。

1 热风炉燃烧流程分析

热风炉在工作过程中主要按照“蓄热”的原理维持自身运转，其主要作用为：利用热风炉的鼓风功能，使热风炉可达到与要求相符合的温度，以此提高热风炉整体的燃烧效率及效益。而热风炉“蓄热”原理为：在热风炉内的燃烧室进行煤气燃烧，煤气在燃烧过程中会产生大量高温废气，将该废气排放至热风炉的格子砖内，并且格子砖具有一定蓄热功能，在格子砖得到充分加热后，热风炉将自身的送风阀门全部打开。除此之外，全部燃烧阀门全部关闭，此时的热风炉处于输送冷风状态[1]。

热风炉在运转之前，需要热风炉为整个燃烧期供应全部热量，热风炉将对自身燃烧过程中的总供热量进行设定与调节。总供热量调节过程中，将热风炉的温度升高至1 350 ℃，并保证热风炉具有一定的蓄热量，使炉内温度可持续供应。在热风炉温度升高的过程中，为最大限度地提升炉内空气流量，使炉内煤气流量数值处于不变状态，并降低热风炉的温度。在热风炉的温度降为零后，使热风炉内的废气温度再次升高，至350 ℃后停止升温，此时为避免热风炉燃烧系统因温度超过阈值，而出现系统被破坏的现象，应使煤气流量与空气流量的数值处于降低状态，以此保证热风炉燃烧系统的安全，热风炉燃烧流程如图1所示[2]。

图1 热风炉燃烧流程图

2 基于模糊PID算法的热风炉自动燃烧控制系统结构设计

2.1 拱顶温度自动控制系统基本原理

热风炉在燃烧过程中空气流量调节阀周围的环境处于不断变化的状态，对于热风炉内部的空气流量数值可产生一定影响。为实时监控空气流量调节阀的环境变化情况，本研究将温度传感器安装至拱顶温度自动控制系统中，并将c(t)作为代表，对空气流量变化情况进行监控。对监控结果进行分析可知，若空气流量内杂质过多，可造成热风炉顶部的温度出现变化，不利于炉顶温度的准确测量，该差距可表示为：e=r(t)-b(t)。除此之外，n(t)表示扰动量，该扰动量的出现实际上是由于系统输出量出现较大偏差，从而形成对系统的干扰，拱顶温度自动控制系统基本原理框图如图2所示[3]。

图2 拱顶温度自动控制系统基本原理框图

为获取系统输出量造成的偏差数值，首先利用控制器获取相应的电信号，通过对比分析即可获取系统存在的偏差值。偏差值与空气流量数值之间存在两种关系：

(1)偏差值>0：该现象表示系统内空气流量数值较低，应将数值调大；

(2)偏差值<0：该现象表示系统内空气流量数值较高，应将数值降低，以此达到改变空燃比的目的[4]。

2.2 模糊PID控制器的基本结构设计

由于模糊PID控制结构在功能上具有安全性高、可靠性强等优势，将该结构应用于热风炉燃烧系统中，并利用PC对热风炉燃烧系统进行动态控制，可有效解决热风炉存在的燃烧问题。动态控制过程要求PC结合热风炉燃烧系统的实际相应状况进行精准判断，该方式在一定程度可使热风炉燃烧系统的参数不受影响，并且具有改善热风炉燃烧系统性能的作用，模糊PID控制器的基本结构如图3所示[5]。

图3 模糊PID控制器的基本结构图

对热风炉燃烧系统进行实际控制过程中，首先对控制参数进行要求设置，在热风炉燃烧系统控制的初始阶段，不可同时扩大或减小控制参数Kp和Kd，并令常数Ki=0；当系统处于调节的中间环节时，应最大限度地降低常数Kp，并确保系统的响应速度。除此之外，系统调节后期应重点关注比例与积分常数之间数值的变化，确保系统的稳定运行；若系统偏差变化率较低，应调大Kd值[6]。

3 热风炉自动燃烧控制系统的模糊PID控制器设计

3.1 确定模糊PID控制器变量

为保证系统的稳定运行，对该系统进行控制器设计时，应将该控制器分为两部分：煤气调节模糊PID控制器、空气调节模糊PID控制器。对煤气调节模糊PID控制器的输入变量T和ΔT进行确定时，可利用采样周期内拱顶温度的变化量以及变化率对炉内煤气流量进行判断，输出变量为控制信号U。而空气调节模糊PID控制器的输入变量为：实际炉内废气含氧量以及充分燃烧时标准含氧量的差值E以及废气含氧量变化速率EC，输出变量为控制信号U[7]。

3.2 总结模糊PID控制器控制规则

模糊PID控制器控制规则实际上指的是：工作人员采用手动方式对热风炉燃烧系统进行控制过程中积累的控制策略。该策略需要工作人员长时间的修正与完善后方可获得。因此，对煤气调节模糊PID控制器以及空气调节模糊PID控制器的控制规则进行总结时，应长期观察工作人员的手动燃烧方法，并进行如下分析[8]。

1)煤气调节模糊控制器控制规则

对煤气调节模糊控制器控制规则进行研究可知，拱顶温度与煤气流量存在一定关系。从某种意义上讲，拱顶温度的快速上升，主要由煤气流量供给量的增长情况进行决定。结合上述内容，可将煤气调节模糊PID控制器的控制过程指定为：当输入变量T为正，且变化率ΔT数值较高时，可代表拱顶温度存在进一步上升趋势，此时应利用控制器将煤气的供给量进行降低，用条件语句可表示为

“ifT=PB+ andΔT=PB+，thenU=NB+.”

煤气调节PID模糊控制器的控制规则如表1所示。

表1 煤气调节模糊PID控制器的控制规则

2)空气调节模糊PID控制器控制规则

热风炉内的含氧量可直接表示煤气与空气的燃烧效果，若废气中的含氧量较高，可表明参与燃烧的空气流量数值过高，应适当降低该含量；当废气中的含氧量较低，可表明参与燃烧的空气流量数值过低，应保证煤气流量的原本参与量，并适当增加空气流量，可用条件语句表示为

“ifE=PB+ andEC=PB+，thenU=NB+.”

空气调节模糊PID控制器的控制规则如表2所示[9]。

表2 空气调节模糊PID控制器的控制规则

3.3 确定模糊PID控制器相关参数

参数的确定应围绕控制器的变量进行研究。煤气调节模糊PID控制器的论域范围：输入变量T为(-4,4)、变化率ΔT为(-4,+0.4)、输出量U为(-400,400)；空气调节模糊PID控制器的论域范围：差值E(-4,0.4)、变化速率EC为(-4,0.4)、输出量(-400,400)，而量化因子与比例因子皆确定为1。除此之外，确定模糊PID控制器的模糊方法时，首先应对隶属函数的形状及参数进行确定，本研究为保证系统的稳定运行，主要采用三角隶属函数的方式进行赋值。

4 基于模糊PID算法的热风炉自动燃烧控制系统仿真测试

为维持热风炉燃烧控制系统的稳定性，本研究采用将模糊控制与PID充分结合形成模糊PID控制器的方式进行实现。为控制热风炉拱顶的温度，对该系统进行仿真测试，测试过程中，应找出变量EC和E的对应关系，并计算出输出量Kp、Ki、Kd的数值。其中EC和E的论域可设置为[-3,3]。结合该测试的结果进行分析可知，Kp、Ki、Kd的值分别为：0.031、0.000 4、0.062，拱顶温度模糊PID控制仿真波形如图4所示[10]。

图4 拱顶温度模糊PID控制仿真波形图

超调量σp=4%、上升时间tr=230 s，调节时间ts=500 s。除此之外，时间为580 s时，拱顶的温度可达1 350 ℃，该现象可证明基于PID算法的热风炉控制系统具有较强的控制性。

5 结 语

为避免热风炉燃烧系统因温度超过阈值，而出现系统被破坏的现象，本研究利用模糊PID算法，对热风炉燃烧系统进行设计与仿真测试，测试结果表明，基于模糊PID算法的热风炉燃烧系统具有较强的控制性。在未来发展中，应加强对热风炉燃烧系统中技术的提升，为提高高炉生产效率奠定基础。