CN107327603B - 一种风量可动态稳定调节的除尘系统 - Google Patents

一种风量可动态稳定调节的除尘系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风量可动态稳定调节的除尘系统，包括除尘系统，所述除尘系统的每个吸尘支路的支管上设有一个孔板调节阀，所述孔板调节阀包括孔板和可自动控制的阀芯，所阀芯为圆锥体阀芯，通过调节阀芯与孔板之间的距离可调节该支管上的过流面积，在每个支管靠近管口处分别设置一个测压器，将测压器测得压力信号连接至比较器和PID控制器，再将PID控制器与孔板调节阀相连，PID控制器的参数经过模糊控制器整定之后再来控制孔板调节阀的开度，从而控制相应支管上的过流面积，来达到稳定抽吸压力的目的。本发明利用自动控制系统调节阀芯的开度，动态消除系统压力波动带来的影响，维持除尘系统风量稳定，保证除尘效果。

Description

一种风量可动态稳定调节的除尘系统
技术领域
本发明属于除尘设备领域，涉及一种除尘系统，具体涉及一种风量可动态稳定调节的除尘系统。
背景技术
随着中国工业的高速发展和大型化，工业污染日趋严重，其中工业粉尘污染尤甚。工业生产中最直接有效、最广泛的防治粉尘污染手段是采用通风除尘措施。通风除尘是利用通风的方式将待处理尘源予以有效地控制，并将含尘气体抽出，经除尘器净化后排放到大气中。为适应工业的快速发展，除尘系统日渐大型化、复杂化，一个除尘系统包含有几十个甚至上百个吸尘罩，管网并联支路众多，管路复杂，导致目前很多除尘系统各支管吸尘点风量分配不均衡，部分吸尘点风量偏小，无法有效地控制尘源，支管风量小导致支管风速过小，粉尘在管内沉降，造成管道堵塞；部分吸尘点风量分配过大，抽走物料，支管风速过大，造成管道磨损严重，由此造成除尘系统除尘效果差，作业环境达不到安全生产规范要求，工业粉尘弥漫和粉尘外溢造成严重的环境污染、危害人体健康及影响工艺生产。
传统的PID控制要求被控对象具有确切模型和线性过程，对于没有确切模型或非线性的控制对象而言，传统的PID控制无法达到理想的效果。而除尘系统是一个离散、多变量、大时滞、时变波动的难以稳定的非线性系统，孔板调节阀采用常规PID控制很难实现精准控制，保证除尘系统中系统风量的稳定。而模糊控制不要求控制对象具有明确的数学模型，结合PID控制和模糊控制的优点，将二者组成自适应模糊PID控制，这样既可实现对PID参数的最佳整定，使控制系统快速响应，同时维持良好的稳定性。
发明内容
本发明旨在提出可动态调节的新型阀体形式——配有自动控制系统的孔板调节阀，动态消除系统压力波动带来的影响，保证除尘系统运行稳定。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种除尘系统的风量动态稳定调节方法，所述除尘系统的每个吸尘支路的支管上设有一个孔板调节阀，所述孔板调节阀包括孔板和可自动控制的阀芯，在每个支管靠近管口处分别设置一个测压器，将测压器测得压力信号连接至比较器，再将比较器连接至PID控制器，再将PID控制器与孔板调节阀相连，所述PID控制器上设有模糊控制器，所述PID控制器的参数经过模糊控制器整定后控制孔板调节阀，其特征在于，所述风量动态稳定调节方法如下：
在除尘系统运行过程中，当外界因素造成除尘系统风量波动时，支管靠近管口处的测压器感受到压力的改变，将压力输入到比较器中，得到系统偏差e，以系统偏差e和偏差变化率ec作为输入，以PID三个控制参数作为输出，确定偏差e、偏差变化率ec与PID控制器的参数Kp、Ki、Kd之间的模糊关系，并把该模糊关系作为规则存入模糊控制器的知识库中，使模糊控制器可以根据实际工况，随时对PID参数进行自整定调节，使系统稳定运行，即PID控制器的输出量通过执行器来调节孔板调节阀的阀芯位置，来控制开度，从而消除管网压力波动，保证系统风量稳定。
作为改进，所述孔板为耐磨钢板制作而成的耐磨孔板，提升孔板耐磨性能。
作为改进，所述阀芯为空心的圆锥体阀芯，空心的阀芯可有效的降低阀芯重量，节省材料增加调节精度。
作为改进，所述孔板迎风面采用陶瓷贴片，进一步提升孔板耐磨性能。
作为改进，所述孔板调节阀的尺寸为，孔板孔径为90-160mm，阀芯顶圆直径为15-30mm，阀芯高70-130mm，阀芯底圆直径为70-90mm。
本发明的主要优点是：
1本发明采用节流孔板加调节阀芯的新型除尘系统风量调节阀结构，即孔板调节阀，用作除尘系统定风量阀用，弥补了阻力平衡器不可调缺点，同时兼具风量调节阀的可调性能，对阀体配以自动控制系统，使其适应除尘系统管网压力波动，动态调节，保证系统风量动态稳定与平衡，从而保证除尘系统良好的除尘效果。
2根据除尘系统运行过程中管网压力特点，结合PID控制和模糊控制的优点，采用带自适应模糊控制器的PID控制形式，设计了以管网压力-孔板调节阀的控制系统，根据管网压力自动的调节阀芯位移改变孔板开度，从而消除压力波动干扰引起的阻力失调和风量不稳定问题。
3在不同风速下，局部阻力系数与阀芯位置均满足线性关系，表明孔板调节阀的调节性能优异。
4阀体采用耐磨孔板可有效的提高阀体整体的耐磨能力，故提出在孔板迎风端面采用陶瓷贴片来增强孔板调节阀耐磨性能，延长使用寿命，提高工程适用性。
5本发明相比较一般耐磨孔板，增加了一个顶圆直径20mm，底圆直径80mm，高度100mm的可调阀芯，则孔板的最小阻力系数为12.79，最大阻力系数为20.21，虽然增大了孔板的最小阻力系数，但也明显增大了孔板的可调节范围，当除尘系统风速为16m/s时，其压损范围为1965Pa～3104Pa，则其可调节压力波动绝对值范围为0～1139Pa，调压范围较大。即孔板调节阀调节性远胜于一般耐磨孔板，运用于除尘系统能消除系统大范围的压力波动，保证系统阻力平衡和风量稳定。
附图说明
图1为本发明孔板调节阀阀体结构示意图。
图2为本发明的自动控制原理图。
图3为现有技术中设有一般插板阀的除尘系统图。
图4为隶属度函数。
图5为阶跃响应仿真框图。
图6为阶跃响应仿真结果。
图7为PID与fuzzyPID阶跃响应仿真框图。
图8为PID与fuzzyPID阶跃响应仿真结果。
附图标记。101-阀芯，102-孔板，103-插板阀，104-抽风口，105-布袋除尘器。
图3中1至31代表相应管道的编号，1#至22#代表相应支管抽风口的编号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
除尘系统支管众多，当一个支管阻力变化造成支管流量的变化，同时该支管流量的变化会影响其他的支管流量的重新分配，对其他支管的流量造成干扰，即各支管间的耦合干扰。而系统干扰影响造成系统的不稳定性运行，耦合干扰越严重，各支管流量变化越大，系统的不稳定性越差；反之则表示系统稳定性越好。通过图论法的分析说明，除尘系统管网易受干扰影响发生较大波动，造成系统运行的不稳定，且并联管网之间的耦合干扰强烈，当某一管路压力发生变化时，严重干扰其他管路的风量分配，从而造成整个系统的不稳定运行。所以及时迅速地消除除尘管网上的压力波动，才能保证除尘系统的稳定运行，达到除尘效果，营造良好的粉尘作业环境。
如图1和图2所示，一种风量可动态稳定调节的除尘系统，包括除尘系统，所述除尘系统的每个吸尘支路的支管上设有一个孔板调节阀，所述孔板调节阀包括孔板102和可自动控制的阀芯101，所阀芯101为空心的圆锥体阀芯，空心的阀芯101可有效的降低阀芯101重量，节省材料，增加调节精度，该阀芯101既可通过电磁驱动器调节也可通过气动驱动器调节，具体采用现有技术常见通用的阀芯调节技术，通过调节阀芯101与孔板102之间的距离可调节该支管上的过流面积，从而调整该支管吸入口的压力，在每个支管靠近管口处分别设置一个测压器，将测压器测得压力信号连接至比较器，再将比较器连接至PID控制器，再将PID控制器与孔板调节阀相连，通过比较器输出所测压力信号与设定值之差，再通过PID控制器控制孔板调节阀的开度，从而控制相应支管上的过流面积，来达到稳定抽吸压力的目的。所述孔板102为耐磨钢板制作而成的耐磨孔板，在孔板102迎风面采用陶瓷贴片来进一步提升孔板102的耐磨性。
所述PID控制器上设有模糊控制器，所述PID控制器的参数经过模糊控制器整定后控制孔板调节阀。
所述孔板调节阀的尺寸为，孔板102孔径为90-160mm，阀芯101顶圆直径为15-30mm，阀芯101高70-130mm，阀芯101底圆直径为70-90mm。下面以孔板102的孔径为120mm，阀芯101顶圆直径20mm，高100mm，底圆直径80mm，来说明本发明的效果。
本发明孔板调节阀的结构如图1所示，其控制系统如图2所示；下面结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明孔板调节阀，根据管网压力(即吸尘支路的支管靠近管口处测压器测得的压力)通过PID控制器自动地调节阀芯101位移改变孔板102开度，改变孔板102的过流面积，从而动态地稳定和平衡系统风量。
本发明的工作过程是：在孔板102前的支管上设置测压器，在系统运行过程中，由于某些因素造成压力传感器感受到压力的改变，将压力输入到比较器中，得到系统偏差e，以系统偏差e和偏差变化率ec作为输入，以PID三个控制参数作为输出，确定偏差e、偏差变化率ec与PID控制器的参数Kp、Ki、Kd(分别为比例、微分和积分)之间的模糊关系，并把他们作为规则存入模糊控制器的知识库中，使模糊控制器可以根据实际工况，随时对PID参数进行自整定调节，使系统稳定运行，即PID控制器的输出量通过执行器来调节孔板调节阀的阀芯101位置，改变孔板102与阀芯101的距离来控制开度，从而消除管网压力波动，保证系统风量稳定。
本发明的模糊控制器工作过程是：除尘系统管网压力实测值与设计值的偏差e及其偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量，模糊控制器的输出量是PID控制器的3个参数调整量ΔKp、ΔKi、ΔKd(即比例调整量、微分调整量和积分调整量)。PID控制器的输出量来通过执行器调节孔板调节阀的阀芯101位置，从而消除管网压力波动，保证系统风量稳定。将精确的e、ec取值范围模糊化，其模糊子集均为﹛负大、负中、负小、零、正小、正中、正大﹜，表示为﹛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB﹜，将e、ec的论域映射为7个集数范围﹛-3、-2、-1、0、1、2、3﹜。采用三角函数作为e、ec的隶属度函数，隶属度函数如图4。
再根据PID控制器的Kp、Ki、Kd对系统输出特性的影响，可得对PID控制器参数模糊整定规则：
(1)当偏差|e|较大时，首要就是使偏差迅速减小，Kp取值应增大，Ki通常取0，去掉积分作用；而Kp增大使偏差迅速减小导致偏差变化率ec增大，这时应取较小Kd的；
(2)当偏差|e|中等大小时，为避免系统出现较大的超调量，取较小的Kp，同时为保证系统的响应速度，减少调节时间，应取适当大小Ki、Kd的。
(3)当偏差|e|较小时，在保证系统的稳定性良好的前提下，减小稳态误差，这时应取较大的Kp、Ki值；为了避免系统稳态出现震荡，应取合理的Kd值。通常|ec|较大时，Kd较小，|ec|较小时，Kd较大；
(4)|ec|较小时，取较大的Kd；|ec|较大时，取较小的Kp、Kd，并增大Ki值。根据以上模糊整定规则制定规则表，得到模糊控制规则表，分别为ΔKP模糊规则表，ΔKI模糊规则表，ΔKd模糊规则表。
再进行解模糊过程，设模糊控制器输入偏差e的实际论域为[emin，emax]，偏差变化率ec实际范围论域为[ecmin，ecmax]，模糊控制器输出量u的实际论域为[umin，umax]，而这三者的模糊论域均为[-3,3]，则各自的量化因子为： 根据不同时刻的输入量偏差e和偏差变化率ec，根据模糊整定规则，查模糊控制规则表，可以确定PID控制器3个参数的输出模糊量，输出模糊量乘以各自的量化因子即可得PID参数调整量ΔKp、ΔKi、ΔKd。PID参数经模糊控制器调整后的精确量就等于调整前的初始值加上调整量，即 为PID参数Kp初始值，ΔKp为PID参数Kp增加值，为PID参数Kp初始值，ΔKI为PID参数Kp增加值，为PID参数Kp初始值，ΔKd为PID参数Kp增加值，得到PID参数的精确量后，以此参数进行PID控制运算，控制孔板调节阀的阀芯101位置，完成控制，实现孔板调节阀的调节性能，保证除尘系统运行过程中风量稳定。
表1ΔKP模糊规则表
表2ΔKI模糊规则表
表3ΔKd模糊规则表
本发明为进一步检验配有自适应模糊PID控制系统的孔板调节阀可消除除尘系统管网上的压力波动，保证系统风量动态稳定与平衡，以图3所示除尘系统为例，采用MATLAB对系统进行Simulink仿真模拟，讨论支管采用孔板调节阀对系统稳定的影响情况，以及孔板调节阀的不同控制形式对系统稳定的影响情况。采用MATLAB进行自适应的模糊控制器对PID控制器参数整定设计，启动MATLAB的模糊推理系统编辑器，采用双输入三输出的控制结构，e、ec为双输入，三输出为ΔKP，ΔKI，ΔKd，确定输入输出变量的模糊化及隶属度函数如图4所示，根据表1、表2、表3编辑控制器的控制规则，export→to workplace，把建立完成的模糊控制器和PID控制器输入到MATLAB的工作空间以备仿真使用。
仿真框图如图5所示，支管Ⅴ起始端装设自适应模糊控制器的PID控制器控制形式的孔板调节阀，压力输入设定值为1460Pa，支管Ⅳ起始端装设常规PID控制形式的孔板调节阀，压力输入设定值为1350Pa，支管Ⅲ上不装设孔板调节阀进行动态调节，压力输入设定值为1367Pa，同时给3个支管一个压力波动干扰，压力干扰采用阶跃响应，终值设定为400Pa。
仿真模拟结果如图6所示，从图中可以看出，支管Ⅴ、吸尘Ⅳ装设孔板调节阀，其管网压力受干扰发生波动后能进行自我调节，最终使管网压力稳定在初始设计值附近，从而保证系统阻力平衡，维持除尘系统风量稳定；而没有装设孔板调节阀的支管Ⅲ，当管网压力收到干扰后，其受干扰影响较大，不能回到初始这设计值附近，说明支管Ⅲ无法保证管网的压力不受干扰影响，从而导致管道上风量偏离设计值，无法保证该支管上吸尘点的排风量，影响除尘效果。通过MATLAB仿真模拟，得出除尘系统采用配有控制系统的孔板调节阀，可实现系统压力的动态稳定和平衡，从而保证系统风量稳定。
本发明还对比了常规PID控制和带模糊控制器的PID控制性能，对支管Ⅴ起始端分别装设自适应模糊控制器的PID控制形式的孔板调节阀和常规PID控制形式的耐磨孔板102，分别进行仿真模拟，压力输入设定值为1460Pa，压力波动干扰采用阶跃响应，终值设置为400Pa，仿真框图如图7所示。仿真模拟结果如图8所示，从图中可以看出采用常规PID控制，系统超调量大，系统震荡严重，且调节不及时。而采用自适应模糊控制器的PID控制其控制调节性能明显优于常规PID控制，采用模糊控制器的PID控制系统响应及时，超调量小，系统稳定性良好，故孔板调节阀采用带自适应模糊控制器的PID控制形式，可以及时、准确实现调节，保证系统阻力和风量动态稳定和平衡。结果表明带自适应模糊控制器的PID控制能更好的适应除尘系统多变不稳定的特点，实现及时、精确及稳定控制。

Claims (5)

1.一种除尘系统的风量动态稳定调节方法，所述除尘系统的每个吸尘支路的支管上设有一个孔板调节阀，所述孔板调节阀包括孔板和可自动控制的阀芯，其特征在于：在每个支管靠近管口处分别设置一个测压器，将测压器测得压力信号连接至比较器，再将比较器连接至PID控制器，再将PID控制器与孔板调节阀相连，所述PID控制器上设有模糊控制器，所述PID控制器的参数经过模糊控制器整定后控制孔板调节阀，所述风量动态稳定调节方法如下：
在除尘系统运行过程中，当外界因素造成除尘系统风量波动时，支管靠近管口处的测压器感受到压力的改变，将压力输入到比较器中，得到系统偏差e，以系统偏差e和偏差变化率ec作为输入，以PID三个控制参数作为输出，确定偏差e、偏差变化率ec与PID控制器的参数Kp、Ki、Kd之间的模糊关系，并把该模糊关系作为规则存入模糊控制器的知识库中，使模糊控制器可以根据实际工况，随时对PID参数进行自整定调节，使系统稳定运行，即PID控制器的输出量通过执行器来调节孔板调节阀的阀芯位置，来控制开度，从而消除管网压力波动，保证系统风量稳定。
2.根据权利要求1所述的风量动态稳定调节方法，其特征在于：所述孔板为耐磨钢板制作而成的耐磨孔板。
3.根据权利要求1所述的风量动态稳定调节方法，其特征在于：所述阀芯为空心的圆锥体阀芯。
4.根据权利要求1所述的风量动态稳定调节方法，其特征在于：所述孔板迎风面采用陶瓷贴片。
5.根据权利要求1所述的风量动态稳定调节方法，其特征在于：所述孔板调节阀的尺寸为，孔板孔径为90-160mm，阀芯顶圆直径为15-30mm，阀芯高70-130mm，阀芯底圆直径为70-90mm。
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