燃气炉窑计算机智能模糊控制系统节能方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业炉窑自动化过程控制中的智能控制领域，具体属于计算机智能模 糊控制技术，具体涉及燃气炉窑计算机智能模糊控制系统节能方法。
【背景技术】
[0002] 目前，燃气炉窑所采用的节能技术如下：
[0003] 1.采用空气、煤气换热器及蓄热式燃烧技术等实现高温烟气的余热回收；
[0004] 2.采用隔热、轻质、耐火保温的炉衬材料，通常选用节能的硅酸铝纤维棉；
[0005] 3.采用节能型燃烧器技术，即选用节能烧嘴；
[0006] 4.采用红外辐射涂料技术可提高传热速度；
[0007] 5.通过空气过剩系数对空燃比进行自动调节，保证燃气充分燃烧；
[0008] 6.采用计算机集散控制方式提高系统控制精度。
[0009] 上述节能技术相对成熟，被广泛应用于燃气炉窑的现代化改造项目中，并且取得 了较好的节能效果。在以上节能技术单独使用或组合使用后，对燃气炉窑的炉膛温度控制 算法以及炉膛压力控制算法进行改进，通过改进炉膛温度控制算法可实现燃气输出量的最 优化控制，在满足系统控制性能要求的情况下，实现燃气输出量最少，从而减少高温烟气排 放时所带走的热量损失，同时，通过减小燃气的瞬时输出量可降低高温烟气垂直方向上的 上升速度，延长高温烟气与工件之间的热交换时间，使热交换更加充分；通过改进炉膛压 力控制算法促使炉膛压力P始终保持在所允许的正偏差p|e范围内，炉膛平均压力P增大， 高温烟气的平均密度P随之增大，从而加快高温烟气与工件之间的对流传热和辐射传热速 度。通过改进炉膛温度控制算法以及炉膛压力控制算法，可进一步降低燃气炉窑的能耗。
[0010] 传统炉膛温度控制示意图如图1所示，通过控制算法对各点温度实施精确控制， 但该算法没有考虑炉膛内高温烟气与工件之间的热交换时间以及热交换程度，热交换时间 过短会造成热交换不充分，大部分热量来不及与工件进行热交换就从烟道流失，热量损失 严重，不利于降低燃气炉窑的能耗。
[0011] 传统炉膛压力控制示意图如图2所示，为了防止执行机构频繁动作，传统的炉膛 压力控制算法通常减弱或去掉微分环节而采用PI控制算法，该算法属于滞后性控制，炉膛 压力在平衡点附近容易出现来回震荡现象，因此，当炉膛压力设定值为〇仏时，容易出现炉 膛负压状态，炉膛负压状态会导致冷空气被吸入炉膛内而降低炉温，不利于节能，同时，由 于炉膛内处于负压状态，因此炉膛内的高温烟气密度相对较小，降低了高温烟气与工件之 间的热交换速度，从而降低了燃气炉窑的热效率。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是为了在单独使用或组合使用上述节能技术之后，通过改进燃气炉 窑的温度控制算法和压力控制算法，进一步降低燃气炉窑的能耗，而提供一种燃气炉窑计 算机智能模糊控制系统节能方法。本发明通过智能模糊控制算法实现了对炉膛温度的精确 控制；通过节能控制策略实现了燃气输出量的最优化控制也就是最少量输出；通过同周期 多脉冲烧嘴均匀间隔式交叉输出方法延长了高温烟气与工件之间的热交换时间，确保热量 被充分吸收；通过设计压力超前智能模糊控制算法不仅提高了炉膛压力控制的稳定性，而 且可使炉膛压力P始终保持在所允许的正偏差pie范围内，通过提高炉膛的平均压力来增 大炉内高温烟气的平均密度P，从而加快高温烟气与工件之间的对流传热和辐射传热速度， 其理论依据是：根据对流传热及辐射传热理论，当其它条件相同的情况下，热流体密度越 小，热流体与工件之间的传热速度越慢，热流体密度越大，热流体与工件之间的传热速度越 快。采用上述节能方法，可进一步降低燃气炉窑的能耗。
[0013] 本发明技术方案：
[0014] 燃气炉窑计算机智能模糊控制系统节能方法，其特征是按以下步骤进行：首先是 将温度偏差和温度偏差变化模糊化后，通过智能模糊控制算法得出控制量的模糊量值，对 控制量的模糊量值解模糊也就是清晰化处理得到理论控制输出值，然后通过节能控制策略 对理论控制输出值进行调整，得到实际控制输出值，接着通过同周期多脉冲烧嘴均匀间隔 式交叉输出方法对实际控制输出值进行输出并作用于被控对象，被控对象为燃气炉窑各控 温点所对应的大燃气阀和小燃气阀，最后对所有控制点的温度实际控制输出值之和求平均 值，将该平均值与压力偏差模糊化后，通过压力超前智能模糊控制算法得出压力控制量的 模糊量值，对压力控制量的模糊量值解模糊也就是清晰化处理得到压力控制输出值，压力 控制输出值经过D/A转换后输出4~20mA的位置控制信号，将位置控制信号与位置反馈信 号相比较后输出正、反转控制信号作用于执行机构，执行机构为燃气炉窑的电动执行器。
[0015] 所述的智能模糊控制算法包括基于控制规则自调整的模糊算法和智能积分两部 分，其表达式为：U = aE-d-cOEC+KX E，其中，E为偏差，EC为偏差变化，U为控制量 的模糊量值，E、EC、U e[-6,6]，a为自寻优权值，其取值规则如下：设基本权值a1 = (|E|+6)/12,修正权值a2=((|E|+6)/12+|E|A|E| + |EC|))/2,当|E| + |EC|= 0 时：a =0· 5 ;当|E| + |EC|乒0时：如果|EC|>|E|并且|EC-E|增大或不变，那么a=Min(aρ a2)，否则如果|EC|〈|E|并且|EC_E|增大或不变，那么aa2)，否则a= (a 1+ a 2) /2,其中Min、Max分别为取最小值和取最大值函数，IE I、I EC I分别为E和EC的绝 对值，α取值不同，则可得到不同的控制规则，以实现对控制规则的自调整，&为智能积分 系数，积分条件为：当|E| >2时停止积分；当|E| <2且|E|增大或不变时积分，否则停止 积分，该智能积分方式可进一步缩短系统的稳定时间，通过上述智能模糊控制算法，使系统 具备了良好的动静态特性。
[0016] 所述的节能控制策略是将智能模糊控制算法得出的理论控制输出值作为实际输 出的最大值，并将理论控制输出值划分为固定输出和可调输出两部分，固定输出部分是为 了保证系统的升温特性及系统温度控制的稳定性，可调输出部分是为了节约能源，通过炉 内温度变化或温度偏差变化来判断高温烟气与工件之间的热交换程度，热交换程度包括热 交换不充分即烟气温度〉工件温度、热交换充分即烟气温度=工件温度以及工件放热即烟 气温度〈工件温度三种状态，通过高温烟气与工件之间的热交换程度对理论输出值的可调 输出部分进行实时调整，调整规则为：温度升高，热交换不充分，减小输出，可调输出值为 ο;温度不变，热交换充分，防止温度降低，增大输出，可调输出值为原来可调输出值的1/2; 温度降低，工件将释放热量，增大输出，可调输出值不变。
[0017] 所述的同周期多脉冲烧嘴均匀间隔式交叉输出方法是按以下步骤进行：①对烧嘴 编号，从炉前开始，炉窑两侧的烧嘴编号分别为奇数编号依次递增和偶数编号依次递增；② 对烧嘴的输出顺序进行排序，从炉前开始，炉窑同侧烧嘴依次间隔递增排序，并且炉窑异侧 相邻编号烧嘴依次顺序递增排序；③计算同一控制周期Τ内任意时刻烧嘴的理论输出个数 nt
N为控制点数，且N为偶数，η为自然数，un为各控制点的实际控制输出 值，une[0，1];④通过理论输出个数nt解析同一控制周期T内各时段烧嘴的实际输出个 数，在周期T内各时段，将烧嘴输出个数做如下分配：t。时刻烧嘴的实际输出个数为X，t#寸 刻烧嘴的实际输出个数为y，剩余烧嘴个数（N-x-y)在周期T内均匀分布，t。、、分别为周 期的起始时刻和结束时刻，则X、y取值如下：当nt>N/2时，X=y=N/2,N-x-y= 0 ;当 nt〈N/2时：如果nt为整数，那么X=y=nt，N-x-y=N-2nt;如果nt为小数，则将nt分为整 数a和小数b两部分：当 0〈b〈0. 25 时，x=y=a，Ν-χ-y=N_2a;当 0· 25 <b< 0· 75 时， x=a，y=a+1，Ν-χ-y=N_2a_l;当 0· 75〈b〈l时，x=y=a+1，Ν-χ-y=N_2a_2 ;⑤根据 x、y的取值，计算各个烧嘴在周期T内的输出起始时间值并以PWM方式输出，输出顺序号为 1~X的烧嘴输出起始时间值为t。;输出顺序号为（x+1)~（N-y)的烧嘴输出起始时间值 为V-X)X(l-un)XT+ (N-x-y+1)，X'为烧嘴输出顺序号，X'e[x+1，N-y]，un是输出 顺序号为W的烧嘴所对应的实际控制输出值；输出顺序号为（Ν-y+l)~N的烧嘴输出起 始时间值为（1_1〇1'，11"是输出顺序号为（Ν-y+l)~N的烧嘴所对应的实际控制输出值。
[0018] 所述的压力超前智能模糊控制算法包括基于控制规则自调整的模糊控制算法和 智能积分两部分，其表达式为
，其中，EP、U、Up分 别为压力偏差、所有控制点的温度实际控制输出值之和的平均值和控制量的模糊量值，Ep、Upe[-6,6]
Ku为模糊化系数，u"为各点温度实际控制输出值，une[0, 1]，n为控制点数，αρ为自寻优权值，其取值规则如下：设基本权值αρ1= (|Ερ|+6)/12,修正权值 , 、、.，. ， , ...... … , [ρ= 0· 5 ;当
丨寸：如果:并且Ερ增大，如果II增大或不变，那么ap=MaX(aρ1，ap2)，否则ap=(apl+ap2)/2;如果Ep2U并且Ep不变，如果?增大，那么ap=Max(apl， 0|52)，如果11不变，那么（1|：)=((1 |：)1+(1|：)2)/2，否则（1|：)=]\^11((1|：)1，（1 |：)2);如果￡|3>1]并 且Ερ减小，如果U增大，那么αΡ=ΟΡι+αρ2)/2,否则ap=Min(apl，aρ2);如災Ep <U 并且Ερ增大，如果?增大或不变，那么aP=Min(aρ1，αρ2)，否则αρ=(αρ1+αρ2)/2;如 果Ερ <??汴且Ερ不变，如果?增大，那么ap=Min(aρ1，αρ2)，如果f不变，那么αρ = (αΡι+α