鍋爐燃燒系統(tǒng)的仿人智能控制

鍋爐燃燒系統(tǒng)的仿人智能控制高巖，龔至豪，黃鴻（北京理工大學(xué)自動(dòng)控制系，北京100081）制器的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)傳統(tǒng)控制方法難以適應(yīng)鍋爐負(fù)荷大幅度變化的缺點(diǎn)，給出了基于規(guī)則的專家式控制方法，并針對(duì)風(fēng)煤配比的自尋最優(yōu)控制的缺點(diǎn)，給出了按照經(jīng)驗(yàn)實(shí)施的固定比例風(fēng)煤配比的簡單實(shí)用方法。鍋爐燃燒系統(tǒng)仿人控制方法已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明該方案可行，提高了系統(tǒng)的燃燒效率，優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。

　　收穡日期：2002-01-17：高巖（1967-），男，副研究員-工業(yè)鍋爐燃煤量占全國耗煤量的1/4，可見燃燒過程控制是節(jié)能控制的重要組成部分-燃煤鍋爐作為一種重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成蒸汽熱能-一方面要保證供汽，按供汽量調(diào)節(jié)蒸發(fā)過程，另一方面，又要保證燃料的充分燃燒和熱量的有效利用。與燃燒過程有關(guān)的因素主要是煤量和風(fēng)量。表征燃燒狀況的參量主要有爐膛溫度、爐膛壓力和煙氣殘氧量-而鍋爐生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量指標(biāo)是蒸汽壓力穩(wěn)定和產(chǎn)氣量充足-鍋爐特別是鏈條爐從燃煤進(jìn)入爐膛到蒸汽量發(fā)生變化燃燒過程延遲大參數(shù)時(shí)變，是一個(gè)多變量系統(tǒng)-其輸入輸出關(guān)系如所示-由可見，各輸入輸出變量間耦合關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)負(fù)荷頻繁變化時(shí)，采用單一的控制器很難滿足生產(chǎn)要求-燃燒過程控制的特點(diǎn)要求根據(jù)多元參數(shù)現(xiàn)狀和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和推理，以取得合理的控制決策-作者提到的鍋爐負(fù)荷變化范圍從零到最大負(fù)荷量，并且是不定時(shí)變負(fù)荷，用PID算法難以控制-智能控制方法對(duì)于存在嚴(yán)重非線性時(shí)變和不確定性的系統(tǒng)具有較大活力，采用該方法不需對(duì)對(duì)象模型做精細(xì)分析，不需對(duì)多種控制干擾解耦，只需加入一定的自學(xué)習(xí)功能，模擬專家及操作人員的經(jīng)驗(yàn)，就能使控制達(dá)到快速、高精度、極小超調(diào)。該方法適應(yīng)范圍廣，魯棒性強(qiáng)。

　　給煤蒸汽壓力鼓風(fēng)爐膛負(fù)壓引風(fēng)鍋爐爐膛溫度上水蒸汽流量殘氧量爐渣損失鍋爐控制輸入輸出關(guān)系1仿人智能控制器的設(shè)計(jì)方法自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展是從模仿人的控制行為開始的，由開環(huán)控制到閉環(huán)控制，并向著自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)控制發(fā)展，表明了機(jī)器智能化不斷提高的過程。經(jīng)典的和現(xiàn)代的控制理論要求被控對(duì)象和環(huán)境的不確定性有明確的數(shù)學(xué)模型描述，控制目標(biāo)也是清晰的，可以量化的�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)是建立在被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的。智能控制則是基于知識(shí)的（包括數(shù)學(xué)模型）自主性控制。如果控制器的設(shè)計(jì)（控制問題的求解）是模擬人類專家的控制行為，通過計(jì)算機(jī)自主地解決復(fù)雜的控制，則可稱為專家式控制系統(tǒng)或智能控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如所示。智能控制研究的基本途徑是在宏觀控制結(jié)構(gòu)和行為功能上對(duì)專家進(jìn)行模擬和實(shí)現(xiàn)。

　　負(fù)壓設(shè)定值推理機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣義對(duì)象負(fù)壓采樣反饋控制器結(jié)構(gòu)圖各類專家的操作經(jīng)驗(yàn)表明，控制決策的主要依據(jù)是被控對(duì)象的偏差及其變化率。而層燃式鏈條鍋爐的燃燒控制一般是以蒸汽壓力作為主控量（保持恒定），同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)流量和煤流量按比例供應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，體現(xiàn)了以滿足負(fù)荷要求為目標(biāo)的能量平衡。仿人智能控制器的主要特征是控制蒸汽壓力的偏差及其變化率，協(xié)調(diào)燃燒工況的相關(guān)條件，在專家系統(tǒng)組織下，自動(dòng)分層次地改變控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性控制。

　　2系統(tǒng)主要功能塊數(shù)據(jù)庫中控制系統(tǒng)各種指標(biāo)，包括控制界限、警報(bào)界限、控制目標(biāo)值、控制增益等。前幾個(gè)參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)及安全需要確定，可隨時(shí)在線修改。控制增益根據(jù)控制要求確定，或在自學(xué)習(xí)過程中整定。

　　規(guī)則集主要是用產(chǎn)生式規(guī)則描述的知識(shí)和控制作用，包括位式控制、變增益控制pi控制等�？刂埔�(guī)則集內(nèi)容為其中：M1，M2，M3為設(shè)定常數(shù)；F為與負(fù)荷量和煤品種有關(guān)的可變系數(shù)；ep為氣壓偏差；u為控制量；n為步長；Umax為最大控制量。

　　3自尋最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)燃燒控制與燃燒過程有關(guān)的參數(shù)如煤量風(fēng)量（空氣流量）等不能完全反映經(jīng)濟(jì)燃燒指標(biāo)，即不能在線計(jì)算燃燒效率。通常采用煙道殘氧量間接表示風(fēng)煤的配比合理性和完全燃燒程度。爐膛溫度能快速反映煤的燃燒熱效率，理論上燃煤的溫度與燃煤的熱質(zhì)四次方成比例。一般地，一定的煤量燃燒最充分時(shí)其溫度也最高。因此，一定給煤量對(duì)應(yīng)最佳鼓風(fēng)量。鼓風(fēng)量小，燃燒不完全；鼓風(fēng)量大帶走過多熱量。溫度與風(fēng)量之間存在極值關(guān)系，如所示。圖中qv為給風(fēng)量，t為爐膛溫度。

　　度和F爐膛溫燃燒效率存在對(duì)應(yīng)規(guī)PID控制響應(yīng)曲線；是智能控制響應(yīng)曲線。

　　風(fēng)量的靜態(tài)關(guān)系為二次曲線關(guān)系。利用這種靜態(tài)極值特性，采用自動(dòng)搜索方法，不需要知道確定的數(shù)學(xué)模型，即可實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)工況燃燒。為了避免實(shí)際搜索可能產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致搜索損失過大，用不同位置的溫度值進(jìn)行綜合判斷，其控制效果在風(fēng)機(jī)功率有相當(dāng)儲(chǔ)備時(shí)是有效的。

　　目前，為了節(jié)省能源，風(fēng)機(jī)的功率配比基本與給煤系統(tǒng)和鍋爐負(fù)荷量配合，加上爐子有漏風(fēng)現(xiàn)象，整個(gè)配比是欠風(fēng)工況。對(duì)于這種情況，首先要保證生產(chǎn)用汽量，選擇較好的風(fēng)煤比，并用爐膛溫度來校正。

　　因?yàn)闇囟容^高時(shí)，燃燒工況好，煤容易燃燒，此時(shí)可以降低風(fēng)煤比和殘氧量。溫度低時(shí)，則加大風(fēng)煤比，其控制規(guī)律為變比例控制，此時(shí)u=W（n）為給煤控制量；t為爐膛溫度。

　　4現(xiàn)場運(yùn)行情況本系統(tǒng)為某啤酒生產(chǎn)企業(yè)4臺(tái)10t鍋爐并列運(yùn)行系統(tǒng)，蒸汽壓力誤差為士9.8kPa，且控制速度快，動(dòng)作均勻合理，達(dá)到最佳工況。與手動(dòng)調(diào)節(jié)相比，提高熱效率4.657%.是鍋爐運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)曲線；是常智能控制響應(yīng)曲線