基于模糊控制的熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)

摘要：針對熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性、參數(shù)的不確定性和我國熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析了拱頂溫度、空燃比、煤氣流量這三者的關(guān)系，開發(fā)了基于模糊控制的熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)確實(shí)比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)使燃燒過程更加穩(wěn)定，提高了熱交換效率。
關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐；燃燒；模糊控制；空燃比

0 引言
熱風(fēng)爐是高爐冶煉過程中重要的熱交換設(shè)備。建立熱風(fēng)爐燃燒控制模型的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)燃燒過程的自動(dòng)控制，其核心是優(yōu)化空燃比和煤氣流量的實(shí)時(shí)調(diào)整，保證燃燒過程的高效、節(jié)能、穩(wěn)定，延長熱風(fēng)爐使用壽命。
目前，我國絕大多數(shù)熱風(fēng)爐的燃燒控制主要還是采用手動(dòng)控制，煤氣流量和空氣流量的大小由人工憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，供熱溫度波動(dòng)較大，對熱風(fēng)爐的壽命也有很大影響，并造成煤氣的巨大浪費(fèi)。國內(nèi)外熱風(fēng)爐的空燃比控制主要有傳統(tǒng)控制方法、數(shù)學(xué)模型方法、人工智能方法。傳統(tǒng)控制方法主要有比例極值調(diào)節(jié)法和煙氣氧含量串級比例控制法，但是由于不能及時(shí)改變空燃比，不易實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的最佳燃燒，且測氧儀器成本高、難以維護(hù)，因此，實(shí)際使用效果不太理想；數(shù)學(xué)模型法能將換爐、送風(fēng)結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)自動(dòng)控制，但由于檢測點(diǎn)多，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風(fēng)爐中不易實(shí)現(xiàn)；人工智能方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對熱風(fēng)爐燃燒過程有極強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，但抗干擾能力較弱，而模糊控制不需數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的抗干擾能力且易于實(shí)現(xiàn)，因此尤其適用于熱風(fēng)爐這類難以確切描述的非線性系統(tǒng)。

1 熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)
1．1 熱風(fēng)爐的燃燒過程
燃燒過程對應(yīng)著蓄熱室的蓄熱過程，它分為加熱期和拱頂溫度管理期。在加熱期，蓄熱室拱頂?shù)臏囟群艿停瑥U氣的熱量大部分被拱頂吸收，拱項(xiàng)的溫度上升迅速，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。當(dāng)拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個(gè)定值，此時(shí)拱頂幾乎不再吸收廢氣的熱量，而廢氣的熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。從廢氣管道排出的廢氣，它的溫度比較低時(shí)，說明熱風(fēng)爐的熱交換效率比較高，反之，熱交換效率比較低。因此，在拱項(xiàng)溫度達(dá)到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對熱風(fēng)爐的燃燒顯得尤其重要。
1．2 熱風(fēng)爐燃燒控制的基本思想
加熱期拱頂溫度的上升速率和進(jìn)入拱頂溫度管理期廢氣溫度的上升速率，主要取決于燃燒過程的空燃比和煤氣流量，同時(shí)還受煤氣、空氣質(zhì)量和壓力波動(dòng)的影響。因此，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒過程自動(dòng)控制的關(guān)鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質(zhì)量的波動(dòng)及熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的變化對煤氣
流量和空氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，空氣流量的調(diào)整可以轉(zhuǎn)化為對空燃比的調(diào)整。故在加熱期，可以最大空氣流量進(jìn)行加熱，據(jù)此來調(diào)整合適的煤氣流量或者以最大煤氣流量進(jìn)行加熱，并調(diào)整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達(dá)拱頂溫度管理期，適當(dāng)減小煤氣流量，并調(diào)整合適的空燃比，保證拱頂溫度不變的情況下，提高廢氣的升溫速率。熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用狀態(tài)辨識器可以判斷熱風(fēng)爐是處于加熱期還是拱頂溫度管理期，并且跟蹤判斷廢氣的溫度是否達(dá)到設(shè)定值，以此選擇不同燃燒階段的模糊控制器(FC)。