基于模糊控制的熱風爐燃燒控制系統

摘要：針對熱風爐燃燒系統的復雜性、非線性、參數的不確定性和我國熱風爐燃燒控制系統的現狀，分析了拱頂溫度、空燃比、煤氣流量這三者的關系，開發了基于模糊控制的熱風爐燃燒控制系統模型。仿真結果表明，該系統確實比傳統控制系統使燃燒過程更加穩定，提高了熱交換效率。
關鍵詞：熱風爐；燃燒；模糊控制；空燃比

0 引言
熱風爐是高爐冶煉過程中重要的熱交換設備。建立熱風爐燃燒控制模型的目標是實現燃燒過程的自動控制，其核心是優化空燃比和煤氣流量的實時調整，保證燃燒過程的高效、節能、穩定，延長熱風爐使用壽命。
目前，我國絕大多數熱風爐的燃燒控制主要還是采用手動控制，煤氣流量和空氣流量的大小由人工憑經驗手動調節，因此，供熱溫度波動較大，對熱風爐的壽命也有很大影響，并造成煤氣的巨大浪費。國內外熱風爐的空燃比控制主要有傳統控制方法、數學模型方法、人工智能方法。傳統控制方法主要有比例極值調節法和煙氣氧含量串級比例控制法，但是由于不能及時改變空燃比，不易實現熱風爐的最佳燃燒，且測氧儀器成本高、難以維護，因此，實際使用效果不太理想；數學模型法能將換爐、送風結合為一體，實現全閉環自動控制，但由于檢測點多，在生產條件不夠穩定、裝備水平較低的熱風爐中不易實現；人工智能方法主要有神經網絡和模糊控制，神經網絡控制對熱風爐燃燒過程有極強的自學習能力，但抗干擾能力較弱，而模糊控制不需數學模型，有較強的抗干擾能力且易于實現，因此尤其適用于熱風爐這類難以確切描述的非線性系統。

1 熱風爐燃燒控制系統
1．1 熱風爐的燃燒過程
燃燒過程對應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，蓄熱室拱頂的溫度很低，廢氣的熱量大部分被拱頂吸收，拱項的溫度上升迅速，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。當拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個定值，此時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，說明熱風爐的熱交換效率比較高，反之，熱交換效率比較低。因此，在拱項溫度達到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對熱風爐的燃燒顯得尤其重要。
1．2 熱風爐燃燒控制的基本思想
加熱期拱頂溫度的上升速率和進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，同時還受煤氣、空氣質量和壓力波動的影響。因此，實現熱風爐燃燒過程自動控制的關鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質量的波動及熱風爐燃燒狀態的變化對煤氣
流量和空氣流量進行實時調整，空氣流量的調整可以轉化為對空燃比的調整。故在加熱期，可以最大空氣流量進行加熱，據此來調整合適的煤氣流量或者以最大煤氣流量進行加熱，并調整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達拱頂溫度管理期，適當減小煤氣流量，并調整合適的空燃比，保證拱頂溫度不變的情況下，提高廢氣的升溫速率。熱風爐燃燒控制系統結構如圖1所示。

利用狀態辨識器可以判斷熱風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到設定值，以此選擇不同燃燒階段的模糊控制器(FC)。