CN106016295A - 一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法及系统，所述方法包括：接收检测装置发送的检测输入量，并计算检测输入量与给定值之间的偏差以及所述偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量；将输入变量模糊化为模糊输入量，基于模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将模糊输出量解模糊化为控制输出量；将控制输出量输出至焚烧炉的对应部件控制器以控制焚烧炉的对应部件的运行，其中，检测输入量包括锅炉蒸汽负荷，与锅炉蒸汽负荷相对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据。根据本发明，采用模糊控制策略通过对锅炉蒸汽负荷的控制实现对垃圾的给料和燃烧的自动控制。

Description

一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法及系统

技术领域

本发明涉及垃圾等废物的焚烧，具体而言涉及一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法及系统。

背景技术

我国经济发展及城市化进程使得城市生活垃圾量大幅增加，垃圾焚烧发电是将垃圾无害化、减量化、资源化处置的有效途径，垃圾焚烧处理不仅能取到环保效果，同时垃圾焚烧的余热可产生蒸汽用于发电、供热，节约能源，是较好的资源回收利用方式。

在垃圾焚烧的自动控制中，焚烧炉的燃烧控制的好坏直接影响焚烧炉的运行状况和蒸汽产量，进而影响环保排放指标、发电机组的发电量等。然而，传统的控制方法和控制器的设计通常需要建立在被控对象准确控制的数学模型的基础上。垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统是一个参数多变、变量众多、变量之间强耦合系统，该控制系统的控制变量包括锅炉蒸汽负荷、炉膛温度、烟气氧量、热灼减率等，其中，锅炉蒸汽负荷、炉膛温度、烟气氧量3个变量之间有很强的耦合特点，烟气氧量会引起炉膛温度的变化，炉膛温度会影响锅炉蒸汽负荷，并且，这些变量的响应时间也有很大差异，锅炉蒸汽负荷和热灼减率是一个大滞后变量，炉膛温度和烟气氧量是可以快速响应的变量，由此不易得出用于准确控制的精确数学模型，为垃圾焚烧炉内垃圾的燃烧控制带来很大困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法，所述自动燃烧模糊控制方法包括：

接收检测装置发送的检测输入量，并计算所述检测输入量与给定值之间的偏差以及所述偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量；

将所述输入变量模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量；

将所述控制输出量输出至所述焚烧炉的对应部件控制器以控制所述焚烧炉的对应部件的运行，

其中，所述检测输入量包括锅炉蒸汽负荷，与所述锅炉蒸汽负荷相对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据。

在一个示例中，所述将所述输入变量模糊化为模糊输入量包括将所述输入变量映射变换到离散的输入论域。

在一个示例中，所述输入变量按照下式进行量化：

$Y=\frac{2n\×\[x-(a+b)\÷2\]}{b-a}$

其中，x表示所述输入变量，Y表示量化后的输入变量，a表示所述输入变量的下限，b表示所述输入变量的上限，n表示量化等级。

在一个示例中，所述解模糊化按照下式进行：

$Y=\frac{x+n}{2\×n}\×(b-a)+a$

其中，x表示所述模糊输出量，Y表示所述控制输出量，a表示所述模糊输出量的下限，b表示所述模糊输出量的上限，n表示量化等级。

在一个示例中，所述输入变量对应的输入论域设置为4，所述模糊输出量对应的输出论域设置为6。

在一个示例中，所述模糊输入量的语言值模糊子集为[负大(NB)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正大(PB)]。

在一个示例中，所述模糊输出量的语言值模糊子集为[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)]。

在一个示例中，所述模糊输入量的语言值模糊子集的隶属函数为简单的正态函数，函数类型采用高斯型。

在一个示例中，所述锅炉蒸汽负荷的给定值为42.7t/h，所述锅炉蒸汽负荷的偏差范围为[-10％,10％]，所述锅炉蒸汽负荷的偏差变化率范围为[-3％,3％]，给料炉排速度变化范围为[-0.3,0.3]，对锅炉蒸汽流量过程值进行滤波，1分钟滤波1次，10分钟滤波10次，控制器的采样周期为1分钟。

本发明还提供一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统，所述自动燃烧模糊控制系统包括：

输入模块，用于接收检测装置发送的检测输入量，并计算所述检测输入量与给定值之间的偏差以及所述偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量；

处理模块，用于将所述输入变量模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量；

输出模块，用于将所述控制输出量输出至所述焚烧炉的对应部件控制器以控制所述焚烧炉的对应部件的运行，

其中，所述检测输入量包括锅炉蒸汽负荷，与所述锅炉蒸汽负荷相对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据。

根据本发明，采用模糊控制策略通过对锅炉蒸汽负荷的控制实现对垃圾的给料和燃烧的自动控制，能够解决垃圾焚烧过程中控制系统结构快速变化、多变量、大延时的复杂控制问题，同时减少了运行人员对生产的频繁干预，保证燃烧过程的稳定性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了根据本发明实施例的用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法应用于示例性场景时的信号数据流图；

图3示出了根据本发明实施例的用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统的结构框图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的方法步骤和/或结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。

在垃圾焚烧过程中，最能够体现这种燃烧关系的是锅炉蒸汽负荷与垃圾给料量这2个参数，因此，通过建立锅炉蒸汽负荷与垃圾给料量之间的动力学模来对整个燃烧过程进行描述。

锅炉正常燃烧需要的热量可以由下式得出：

Q₁＝K₁×(Q_F1-Q_F0)+K₀×Q_F0 (1-1)

其中，Q₁为燃烧中被锅炉有效利用的热量，单位KJ；Q_F1为实际的锅炉蒸汽流量，单位t/h；Q_F0为初始时刻的锅炉蒸汽流量，单位t/h；K₁为蒸汽变化的比热；K₀为从0度升到额定温度压力的比热。

垃圾燃烧释放的热量可以由下式得出：

Q₂＝η₁×η₂×W×C_Waster×1000×4.1868 (1-2)

其中，Q₂为燃烧中释放的总热量，单位KJ；W为垃圾给料量，单位kg；C_Waster为垃圾单位热值，单位Kcal/kg；η₁为锅炉热效率；η₂为垃圾的燃烧效率。

根据燃烧热平衡原理，Q₂＝Q₁，由此得到焚烧炉燃烧的动力学模型：

K₁×(Q_F1-Q_F0)+K₀×Q_F0＝η₁×η₂×W×C_Waster×1000×4.1868 (1-3)

垃圾焚烧是一个化学过程，需要一定的燃烧时间才能将热量释放出来，所以需要延时τ秒，动力学模型(1-3)需要增加一个延时环节。修改之后的动力学模型为：

K₁×(Q_F1-Q_F0)+K₀×Q_F0＝η₁×η₂×W(t-τ)×C_Waster×1000×4.1868 (1-4)

燃烧过程的微分方程为：

$K_1\×\frac{{\mathrm{dQ}}_F\left(t\right)}{dt}\×+K_0\×Q_F\left(t\right)={\mathrm{\η}}_1\×{\mathrm{\η}}_2\×W(t-\mathrm{\τ})\×C_{Waster}\×1000\×4.1868---(1-5)$

变换之后的方程为：

K₁×s×Q_F(s)+K₀×Q_F(s)＝η₁×η₂×W(s)×e^-τXsC_Waster×1000×4.1868 (1-6)

简化之后的传递函数为：

$\frac{Q_F\left(s\right)}{W\left(s\right)}=\frac{k}{Ts+1}\×e^{-\mathrm{\τ}\×s}---(1-7)$

由传递函数(1-7)可知，控制锅炉蒸汽负荷Q_F(s)就可以控制垃圾给料量W(s)。由此，本发明提供一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法，图1示出了根据本发明实施例的用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法的流程图。如图1所示，用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法包括如下步骤：

步骤101：接收检测装置发送的检测输入量，并计算检测输入量与给定值之间的偏差以及该偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量。

其中，可以基于对垃圾焚烧的具体参数的控制需求来设置所需检测的输入参数及相对应的检测装置。例如，在本发明的一个示例中，需要对锅炉蒸汽负荷进行控制，那么可以设置相应的传感器来检测锅炉蒸汽负荷，例如锅炉蒸汽流量。

在计算检测输入量与给定值之间的偏差(或称为误差)E以及该偏差的变化率(或称为误差变换率)DE时，可以将所检测到的锅炉蒸汽负荷的实际值(也称为过程值)与其对应的给定值相比较得到偏差信号，并对偏差信号进行微分以得到偏差的变化率。模糊控制可以以上述偏差和偏差变化率作为输入变量。

步骤102：将输入变量模糊化为模糊输入量，基于模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将模糊输出量解模糊化为控制输出量。

具体地，可以将输入变量映射变换到离散的输入论域上，以得到模糊输入量。继续上面的示例，设锅炉蒸汽负荷的给定值为42.7t/h，锅炉蒸汽负荷的偏差范围为[-10％,10％]，锅炉蒸汽负荷的偏差变化率范围为[-3％,3％]，根据工艺给料炉排速度变化范围为[-0.3,0.3]。对锅炉蒸汽流量过程值必须进行滤波，1分钟滤波1次，10分钟滤波10次。控制器的采样周期为1分钟。

在本发明的一个示例中，输入变量可以按照式(2-1)进行量化：

$Y=\frac{2n\×\[x-(a+b)\÷2\]}{b-a}---(2-1)$

其中，在式(2-1)中，x表示输入变量，Y表示量化后的输入变量，a表示输入变量的下限，b表示输入变量的上限，n表示量化等级。

由于控制系统对锅炉蒸汽流量控制进度的精度要求不高，在一个示例中，对于输入变量论域设置为4，变量语言值的模糊子集可以为[NB，NS，O，PS，PB]，就可以满足要求。在一个示例中，对于输出变量，为了防止系统震荡，输出变量论域设置为6，变量语言值的模糊子集可以为[NB，NM，NS，O，PS，PM，PB]，其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，O表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。对于输入变量的隶属函数采用较为简单的正态函数，函数类型采用高斯型其中，PB的隶属函数为PM的隶属函数为O的隶属函数为NM的隶属函数为NB的隶属函数为

根据本发明的一个实施例，模糊策略库的设计可以为如下：

如果偏差为正大，则输出为负大；

如果偏差为正小，则输出为负大；

如果偏差为零并且偏差变化率为正大，则输出为负中；

如果偏差为零并且偏差变化率为负大，则输出为零；

如果偏差为负大，则输出为正大；

……

根据模糊语言值的隶属函数以及模糊策略库，可以得到模糊关系；基于模糊输入量和模糊关系，可以得到模糊输出量；模糊输出量经过解模糊化可以得到最终的控制输出量。

在本发明的一个示例中，对模糊输出量的解模糊化可以按照式(2-2)进行：

$Y=\frac{x+n}{2\×n}\×(b-a)+a---(2-2)$

其中，在式(2-2)中，x表示模糊输出量，Y表示控制输出量，a表示模糊输出量的下限，b表示模糊输出量的上限，n表示量化等级。

步骤103：将控制输出量输出至焚烧炉的对应部件控制器以控制焚烧炉的对应部件的运行。继续上面的示例，当检测输入量为锅炉蒸汽负荷时，对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据。

该锅炉蒸汽流量给定数据被分别发送至(负荷、热值、垃圾量)计算模块1、(负荷、热值、垃圾量)计算模块2、锅炉负荷控制器和(负荷、热值、燃烧风)计算模块。(负荷、热值、垃圾量)计算模块1根据垃圾热值设定值和锅炉蒸汽流量给定数据得出垃圾设定需求量，锅炉负荷控制器根据锅炉蒸汽流量给定数据和垃圾设定需求量输出垃圾需求量数据，(负荷、热值、垃圾量)计算模块2根据垃圾需求量数据和锅炉蒸汽流量给定数据得出垃圾实际热值，该垃圾实际热值用于确定焚烧段垃圾基准速度，进而通过焚烧炉排垃圾厚度控制器控制干燥段垃圾速度、燃烧段垃圾速度和燃尽段垃圾速度。(负荷、热值、燃烧风)计算模块根据垃圾需求量数据和锅炉蒸汽流量给定数据得出燃烧风总需求量，一次风分配模块根据燃烧风总需求量和锅炉负荷控制器输出的一次风流量给定数据控制干燥段需求风量、燃烧段需求风量和燃尽段需求风量。通过垃圾密度设定值和锅炉负荷控制器输出的垃圾需求量数据可以确定给料段垃圾基准速度，进而控制推料器的速度。图2示出了根据本发明实施例的自动燃烧模糊控制方法应用于上述示例时的信号数据流图，可以结合图2来理解上述方法的原理及过程。

根据本发明另一方面，还提供一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统，图3示出了根据本发明实施例的用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统300的结构框图。如图3所示，用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统300包括输入模块301、处理模块302和输出模块303。

其中，输入模块301用于接收检测装置发送的检测输入量，并计算检测输入量与给定值之间的偏差以及偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量。处理模块302用于将输入变量模糊化为模糊输入量，基于模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将模糊输出量解模糊化为控制输出量。输出模块303用于将控制输出量输出至焚烧炉的对应部件控制器以控制焚烧炉的对应部件的运行。其中，检测输入量包括锅炉蒸汽负荷，与锅炉蒸汽负荷相对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据，可以参考结合图1描述的实施例理解每个模块操作的具体过程，此处不再赘述。

本发明实施例的各个模块可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在存储载体上提供，或者以任何其他形式提供。

上述用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法及系统采用模糊控制策略通过对锅炉蒸汽负荷的控制实现对垃圾的给料和燃烧的自动控制，能够解决垃圾焚烧过程中控制系统结构快速变化、多变量、大延时的复杂控制问题，同时减少了运行人员对生产的频繁干预，保证燃烧过程的稳定性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述自动燃烧模糊控制方法包括：

接收检测装置发送的检测输入量，并计算所述检测输入量与给定值之间的偏差以及所述偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量；

将所述输入变量模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量；

将所述控制输出量输出至所述焚烧炉的对应部件控制器以控制所述焚烧炉的对应部件的运行，

其中，所述检测输入量包括锅炉蒸汽负荷，与所述锅炉蒸汽负荷相对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据。

2.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述将所述输入变量模糊化为模糊输入量包括将所述输入变量映射变换到离散的输入论域。

3.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述输入变量按照下式进行量化：

$Y=\frac{2n\×\[x-(a+b)\÷2\]}{b-a}$

其中，x表示所述输入变量，Y表示量化后的输入变量，a表示所述输入变量的下限，b表示所述输入变量的上限，n表示量化等级。

4.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述解模糊化按照下式进行：

$Y=\frac{x+n}{2\×n}\×(b-a)+a$

其中，x表示所述模糊输出量，Y表示所述控制输出量，a表示所述模糊输出量的下限，b表示所述模糊输出量的上限，n表示量化等级。

5.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述输入变量对应的输入论域设置为4，所述模糊输出量对应的输出论域设置为6。

6.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述模糊输入量的语言值模糊子集为[负大(NB)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正大(PB)]。

7.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述模糊输出量的语言值模糊子集为[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)]。

8.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述模糊输入量的语言值模糊子集的隶属函数为简单的正态函数，函数类型采用高斯型。

9.根据权利要求1所述的自动燃烧模糊控制方法，其特征在于，所述锅炉蒸汽负荷的给定值为42.7t/h，所述锅炉蒸汽负荷的偏差范围为[-10％,10％]，所述锅炉蒸汽负荷的偏差变化率范围为[-3％,3％]，给料炉排速度变化范围为[-0.3,0.3]，对锅炉蒸汽流量过程值进行滤波，1分钟滤波1次，10分钟滤波10次，控制器的采样周期为1分钟。

10.一种用于焚烧炉的自动燃烧模糊控制系统，其特征在于，所述自动燃烧模糊控制系统包括：

输入模块，用于接收检测装置发送的检测输入量，并计算所述检测输入量与给定值之间的偏差以及所述偏差的变化率以作为模糊控制的输入变量；

处理模块，用于将所述输入变量模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量；

输出模块，用于将所述控制输出量输出至所述焚烧炉的对应部件控制器以控制所述焚烧炉的对应部件的运行，

其中，所述检测输入量包括锅炉蒸汽负荷，与所述锅炉蒸汽负荷相对应的控制输出量为锅炉蒸汽流量给定数据。