CN110686242A - 一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统 - Google Patents

一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统 Download PDF

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邵哲如
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Abstract

本发明提供一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统，所述控制方法包括：通过检测装置测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值；将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，以对炉膛温度进行控制。根据本发明提供的等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统，通过将模糊控制与PID控制相结合，并使模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性，可以在模糊论域的区间不变的情况下，减少了计算量，提高了系统的效率。

Description

一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及危废处理领域，具体而言涉及一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统。
背景技术
危险废弃物焚烧过程中会产生大量的飞灰，其含有高浸出浓度的重金属、二噁英等污染物。目前，通过等离子飞灰熔融炉产生的高温迅速将飞灰变成熔融状态，是将生活垃圾焚烧飞灰无害化处理和资源化利用的一种技术。
然而，等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制是典型的大惯性、大滞后、非线性、时变性复杂过程，很难用数学方法建立精确的数学模型。目前，在工业系统的控制中，PID控制和模糊控制仍然是最常用的方法。对于等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制这种强耦合的多输入/多输出非线性的复杂系统，其整个过程是动态的，随着工况变化而变化，存在着非线性、时变性、大惯性和大滞后性等许多不确定因素，无法用精确的模型来对其进行描述。所以仅仅使用传统的PID控制或模糊控制调节在实际运行中无法获得良好的控制效果。
因此，有必要提出一种新的等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统，以解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明提供一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法，包括：
通过检测装置测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；
根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值；
将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；
将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，以对炉膛温度进行控制。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n-1。
进一步，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure BDA0002183207950000021
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾kn-1，其中，k为发散系数。
进一步，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure BDA0002183207950000022
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
本发明还提供一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制系统，包括：
温度检测模块，用于测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；
模糊控制模块，用于根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值，将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；
温度控制模块，用于将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，通过PID控制器对炉膛温度进行控制。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾kn-1，其中，k为发散系数。
进一步，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure BDA0002183207950000031
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
根据本发明提供的等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统，通过将模糊控制与PID控制相结合，并使模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性，可以在模糊论域的区间不变的情况下，减少了计算量，提高了系统的效率。
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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
图1为本发明的等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法的流程图。
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。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。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，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。
对于等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制这种强耦合的多输入/多输出非线性的复杂系统，其整个过程是动态的，随着工况变化而变化，存在着非线性、时变性、大惯性和大滞后性等许多不确定因素，无法用精确的模型来对其进行描述。现有技术中PID控制是一种线性控制，响应速度快，精确性和稳定性高，但是由于只能整定一组PID数据，对于精确的数学模型依赖性很大，如果被控对象数学模型发生变化，其整定值也需要重新整定，所以适应性很差。模糊控制是一种非线性的控制，不依赖于数学模型，鲁棒性好，适应力强，由于无积分作用，很难消除静差，所以其精确性和稳定性比PID控制低。因此，仅仅使用传统的PID控制或模糊控制调节在实际运行中无法获得良好的控制效果。
针对上述问题，本发明用模糊控制的策略代替人工操作逻辑，用PID控制可以实现快速响应，稳定调节。综合两者控制方法的优点，选择采用模糊PID调节的控制算法。然而，普通的模糊控制论域都是等分的，如{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}，在实际运用中就会发现离控制点远的几个等级值没有用，离控制点近的几个等级值不够，就需要增加等级的数量，但是很多等级点都是没有用的，从而增加了许多无用的工作量，还不一定能达到比较好的效果。
针对上述问题，本发明提供了一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
通过检测装置测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；
根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值；
将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；
将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，以对炉膛温度进行控制。
首先，执行步骤S101：通过检测装置测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值。
示例性地，所述检测装置包括但不限于热电偶，其置于等离子飞灰熔融炉内，以直接测量炉膛温度值。
接下来，执行步骤S102：根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值。
示例性地，所述根据炉膛温度值计算模糊控制的输入值包括但不限于计算测得的炉膛温度值与给定的炉膛温度值之间的偏差以作为模糊控制的输入值。
接下来，执行步骤S103：将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性。
示例性地，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n。
通过将模糊控制论域的论域分布由等分分布改变为指数分布，可以在模糊论域的区间不变的情况下，减少量化等级的数量，从而减少模糊控制的计算量。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n-1。
由于当n＝0时，e＾n＝1，函数是不连续的，通过将指数函数改为e＾n-1，实现了函数的连续性。
示例性地，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure BDA0002183207950000061
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
在一个实施例中，模糊控制论域的量化等级为11级，模糊论域的区间为[-100,100]，计算模糊论域中的给定值：
Figure BDA0002183207950000062
则模糊控制论域为{-100，-36，-13，-4.3，-1.2，0，1.2，4.3，13，36，100}。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾kn-1，其中，k为发散系数。
通过发散系数，可以针对不同控制对象的不同发散效果需求，调整模糊控制论域的论域分布，以使模糊控制论域的论域分布发散较大，或者使模糊控制论域的论域分布发散较小。
示例性地，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo，Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure BDA0002183207950000063
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
在一个实施例中，模糊控制论域的量化等级为11级，模糊论域的区间为[-100，100]，发散系数为2，计算模糊论域中的给定值：
则模糊控制论域为{-100，-13.5，-1.8，-0.24，-0.03，0，0.03，0.24，1.8，13.5，100}。
在该实施例中，随着发散系数提高，则模糊控制论域的指数形式的发散度更高。
接下来，执行步骤S104：将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，以对炉膛温度进行控制。
示例性地，将模糊控制与PID控制相结合形成模糊PID控制，对于模糊PID控制器，它需要找出PID三个参数(KP、KI、KD)与误差和误差导数之间的模糊关系，在运行中通过不断检测误差和误差导数，根据模糊控制原理对3个参数进行修正，以满足不同误差和误差导数对控制参数的不同要求，从而使控制对象具有良好的动、静态控制性能。模糊控制的核心是总结工程设计人员的技术和操作经验，建立恰当的模糊规则表，得到针对3个参数KP、KI、KD整定的模糊规则表。通过使模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性，对于模糊PID控制中的模糊论域进行变换，可以针对等离子炉膛温度的各个区间的控制特性进行有效的调整，使其计算量少，效率更高。
具体地，在一个实施例中，传统的PID控制的性能指标为：稳定时间Ts＝60秒、超调量δ％＝50％、稳态误差5％相比；模糊逻辑参数自整定PID控制的性能指标为：稳定时间Ts＝30秒、超调量δ％＝0％、稳态误差1％。根据以上数据的对比，控制系统的稳定时间由60秒减少到30秒，超调量和稳态误差几乎没有。因此，通过调试结果可以验证，模糊PID控制明显优于传统PID算法。
本发明还提供一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制系统，所述控制系统用于实现上述控制方法。所述等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制系统包括：
温度检测模块，用于测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；
模糊控制模块，用于根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值，将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；
温度控制模块，用于将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，通过PID控制器对炉膛温度进行控制。
示例性地，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n。
通过将模糊控制论域的论域分布由等分分布改变为指数分布，可以在模糊论域的区间不变的情况下，减少量化等级的数量，从而减少模糊控制的计算量。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n-1。
由于当n＝0时，e＾n＝1，函数是不连续的，通过将指数函数改为e＾n-1，实现了函数的连续性。
示例性地，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure BDA0002183207950000081
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
进一步，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾kn-1，其中，k为发散系数。
通过发散系数，可以针对不同控制对象的不同发散效果需求，调整模糊控制论域的论域分布，以使模糊控制论域的论域分布发散较大，或者使模糊控制论域的论域分布发散较小。
示例性地，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo，Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
根据本发明提供的等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法及控制系统，通过将模糊控制与PID控制相结合，并使模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性，可以在模糊论域的区间不变的情况下，减少了计算量，提高了系统的效率。
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 (9)

1.一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
通过检测装置测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；
根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值；
将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；
将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，以对炉膛温度进行控制。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾n-1。
4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure FDA0002183207940000011
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾kn-1，其中，k为发散系数。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure FDA0002183207940000021
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
7.一种等离子飞灰熔融炉炉膛温度控制系统，其特征在于，所述系统包括：
温度检测模块，用于测量等离子飞灰熔融炉的炉膛温度值；
模糊控制模块，用于根据所述炉膛温度值计算模糊控制的输入值，将所述模糊控制的输入值与模糊控制论域中的给定值相比较，以计算所述模糊控制的输出值，其中，所述模糊控制论域的论域分布具有指数形式发散性；
温度控制模块，用于将所述模糊控制的输出值输入PID控制器，通过PID控制器对炉膛温度进行控制。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述模糊控制论域的论域分布的指数函数包括e＾kn-1，其中，k为发散系数。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，当模糊控制论域的量化等级为2m+1级，模糊论域的区间为[Lo,Hi]时，模糊论域中的给定值按照下式进行计算：
Figure FDA0002183207940000022
其中，Lo为模糊论域的区间最小值，
Hi为模糊论域的区间最大值。
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