CN110824907A - 基于自适应模糊pid算法的锅炉烟气脱硝控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其实现过程为：采集烟气出口氮氧化物的实际测量值，计算烟气出口氮氧化物的偏差值及其变化率；确定氮氧化物偏差、偏差变化率、比例变化值、积分变化值、微分变化值的隶属度函数；根据模糊控制规则，输出新的模糊集合隶属函数，并据此计算比例变化值、积分变化值、微分变化值，并对PID中对应参数进行实时调整，得到新的PID参数；依据新的PID参数控制喷氨量。本发明采用模糊控制算法来调整PID控制的参数，一方面可以避免出口氮氧化物的含量不定期超标的情况出现；另一方面可以更加合理高效的控制氨气的使用量。

Description

基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法

技术领域

本发明属于锅炉脱硝系统技术领域，尤其涉及一种基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法。

背景技术

目前锅炉烟气处理的SCR脱硝系统，大多采用选择性催化还原法；选择氨气作为还原剂，使锅炉烟气中的氮氧化物与氨气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，生成不会对环境产生影响的氮气和水。锅炉烟气氮氧化物控制原理如下：根据锅炉烟气流量(由锅炉负荷定)及进口烟气中氮氧化物、氧气的含量、出口氮氧化物的设定值计算实际需氨量，最终通过控制气动调节阀开度来控制氨气的实时流量，使得烟气出口的氮氧化物含量达到排放标准。

目前大都采用PID(比例-积分-微分)控制喷氨量，但是在SCR脱硝系统运行过程中发现，PID控制下，烟气出口的氮氧化物浓度总是不定期的出现超调，使出口氮氧化物的排放浓度总是会不定期超过50mg/Nm³，甚至达到70mg/Nm³以上；且从系统超调到最终氮氧化物的排放浓度达到环保排放标准的过程时间较长，一般需花费1个多小时的时间。根据环保要求：煤炭化工企业锅炉烟气排放时氮氧化物的排放浓度必须降到50mg/Nm³以下，一旦出现超标排放情况轻则接受环保局罚款，重则需要停产整改。

目前的PID控制下，从超调恢复至控制效果的稳定时间较长，影响脱硝效果。主要有以下原因为：1)脱硝系统是一个参数时变、干扰众多且系统纯时延较大的系统；2)系统对喷氨量的控制使用传统的PID控制算法。PID控制虽然响应速度快，无稳态误差，但超调量较大，震荡周期多，稳定时间较长。超调较大主要是因为系统存在延时，而且传统的参数整定原则以获取对象精确的数学模型为基础，但在处理参数时变、干扰众多的被控对象时，PID控制器的参数不易确定。因此，PID参数的整定方法具有一定的局限性，不能解决动态性能与稳态精度之间的根本矛盾。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，本发明采用模糊控制算法来调整PID控制的参数，再结合PID控制算法，一方面可以避免出口氮氧化物的含量不定期超标的情况出现；另一方面可以更加合理高效的控制氨气的使用量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，包括以下步骤：

步骤1，实时采集锅炉脱硝系统烟气出口氮氧化物的实际测量值，并与设定值进行对比，计算烟气出口氮氧化物的偏差值及该偏差值的变化率；

步骤2，将烟气出口氮氧化物的偏差值和偏差的变化率输入模糊控制器，确定氮氧化物偏差、偏差变化率、比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d的隶属度函数；步骤3，根据模糊控制规则，输出新的模糊集合隶属函数，并据此计算比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d；

步骤4，采用比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d分别对PID中对应的比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整，得到新的PID参数；

步骤5，依据新的PID参数控制氨气流量调节阀开度，进而实时控制脱销系统的喷氨量。

进一步地，所述计算烟气出口氮氧化物的偏差值及该偏差值的变化率，其具体为：

设定出口氮氧化物的设定值为r(t)，出口氮氧化物的实际测量值为n(t)，则烟气出口氮氧化物的偏差值为e(t)＝r(t)-n(t)；偏差值的变化率为

其中，t为时间。

进一步地，所述模糊控制规则根据历史记录的控制数据设置。

进一步地，采用比例参数变化值Δk_p、积分参数变化值Δk_i、微分参数变化值Δk_d分别对PID中对应的比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整，其具体为：

k_p＝k_p+Δk_p

k_i＝k_i′+Δk_i

k_d＝k_d′+Δk_d

式中，k_p′为PID控制器调整前的比例参数，k_p为调节后的新的比例参数，k_i′为PID控制器调整前的积分参数，k_i为调节后的新的积分参数，k_d′为PID控制器调整前的微分参数，k_d为调节后的新的微分参数。

进一步地，所述依据新的PID参数控制氨气流量调节阀开度，其具体为：

根据新的比例参数k_p、新的积分参数k_i、新的微分参数k_d运算输出控制信号u(t)：

其中，k_i＝k_p/T_i、k_d＝k_pT_d。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明对锅炉脱销系统中引入模糊控制，对于脱硝系统的参数时变、干扰众多且系统时延大的系统而言，采用模糊控制来调节PID控制中的控制参数，解决了PID参数整定调节的精确控制在复杂时延脱销系统中的超调问题。本发明方法能够减少脱销系统中的超调频率；即使系统出现超调也能够快速的恢复稳定状态，解决了脱销系统中动态性能与稳态精度之间的根本矛盾。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的实现流程框图；

图2是传统的PID控制算法框图；

图3是本发明的控制算法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1，本发明基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其按照以下步骤进行：

步骤1，实时采集锅炉脱硝系统烟气出口氮氧化物的实际测量值，并与设定值进行对比，计算烟气出口氮氧化物的偏差值及该偏差值的变化率；

具体地，参考图2，通过锅炉脱硝系统烟气出口的烟气氮氧化物分析仪实时测量出口烟气中的氮氧化物浓度，与预先设定的规定值进行比较，得到偏差值及其变化率；具体如下：

设定出口氮氧化物的设定值为r(t)，出口氮氧化物的实际测量值为n(t)，则烟气出口氮氧化物的偏差值为e(t)＝r(t)-n(t)；偏差值的变化率为

其中，t为时间。

步骤2，将烟气出口氮氧化物的偏差值和偏差的变化率输入模糊控制器，确定氮氧化物偏差、偏差变化率、比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d的隶属度函数；

具体地，模糊控制器根据输入的烟气出口氮氧化物的偏差值和偏差的变化率根据预先设定的对应关系，确定氮氧化物偏差、偏差变化率、比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d的隶属度函数。

步骤3，根据模糊控制规则，输出新的模糊集合隶属函数，并据此计算比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d；

具体地，本发明中的模糊控制规则可以根据PID控制下脱销系统运行的历史数据进行分析总结后初步确定；随着改进的新系统(引入模糊控制的系统)的运行，可以对初步确定的模糊控制规则进行修正，以适应变化的脱销系统。具体模糊控制规则为：

(a)当氮氧化物实际测量值与设定值的偏差e较大时，为加快系统的响应速度及时减小甚至消除误差，PID的比例系数k_p取值较大；为防止偏差信号e的瞬时变大而可能引起的微分过饱和现象，PID微分参数k_d取值较小；为防止系统响应出现较大的超调而导致积分饱和，应对积分作用加以限制，通常取k_i＝0。

(b)当氮氧化物实际测量值与设定值的偏差e以及偏差的变化率ec的大小处于中等范围时，为减小超调，PID控制器的比例参数k_p取值较小，积分参数k_i的取值适中，微分参数k_d的取值对系统的输出响应的影响较大，取值须适中；

(c)当氮氧化物实际测量值与设定值的偏差e较小，为使系统具有良好的稳态性能，应适度地增大k_p和k_i的取值，同时考虑到系统的抗干扰性能，应对PID控制器的微分系数k_d进行适当取值：当氮氧化物实际测量值与设定值的偏差变化率ec较小时，k_d要取值较大；当ec较大时，k_d取值较小。ec的大小表明偏差变化的速率，ec值越大，k_p的取值越小k_i取值越大。

步骤4，采用比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d分别对PID中对应的比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整，得到新的PID参数；

上述比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d通过通讯或者硬接线传给霍尼韦尔的DCS系统，进而调整PID参数。参考图3，采用比例参数变化值Δk_p、积分参数变化值Δk_i、微分参数变化值Δk_d分别对PID中对应的比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整，其具体为：

k_p＝k_p′+Δk_p

k_i＝k_i′+Δk_i

k_d＝k_d′+Δk_d

式中k_p′为PID控制器调整前的比例参数，k_p为调节后的新的比例参数，k_i′为PID控制器调整前的积分参数，k_i为调节后的新的积分参数，k_d′为PID控制器调整前的微分参数，k_d为调节后的新的微分参数。

步骤5，依据新的PID参数控制氨气流量调节阀开度，进而实时控制脱销系统的喷氨量。

参考图3和图2，根据新的比例参数k_p、新的积分参数k_i、新的微分参数k_d运算输出控制信号u(t)：

其中，k_i＝k_p/T_i、k_d＝k_pT_d。

将控制信号u(t)输出至氨气流量调节阀开度的控制端，控制器开度，进而控制喷氨量y(t)。再采集出口氮氧化物浓度实现循环控制。

传统的PID控制算法中，比例控制能够提高系统的响应速度和稳态精度，抑制扰动对系统稳态的影响，增大比例增益k_p，可使系统的响应速度加快，稳态误差减小，但k_p过大时，容易产生超调，系统的相对稳定性会降低，甚至可能导致闭环系统不稳定；积分控制能够消除系统的稳态误差，k_i越大，系统的稳态误差消除地越快，但k_i过大时，容易产生较大超调，对系统的稳定性不利；微分增益k_d只对动态过程有影响，主要作用是抑制响应过程中偏差的变化，能提高系统的阻尼程度，减小响应过程的超调。但k_d过大会使响应过分提前制动，从而延长调节时间，而且微分控制作用对噪声非常敏感，会降低系统的抗干扰性能。

因此，PID控制中的比例、积分、微分参数，对整个系统的控制效果起着非常重要的作用；而PID比例、积分、微分的确定，必须以被控对象数学模型确切已知为前提。

而SCR脱硝系统是一个时滞较大且参数时变的系统，其理论数学模型难以确定，其比例、积分、微分参数就难以确定；PID控制的这种确定性要求与SCR系统的时变性之间存在矛盾，因此，势必会出现超调等诸多问题。

本发明针对上述这种确定性与动态变化性之间的矛盾，巧妙的引入了模糊控制，将其与PID的参数调节相结合形成自适应模糊PID算法，实现了PID的确定性与SCR系统的动态变化性之间矛盾的有效调和，解决了动态性能与稳态精度之间的根本矛盾。

通过本发明的自适应模糊PID算法对SCR脱销系统进行优化控制，系统运行5天后，对出口氮氧化物进行监测，结果表明，氮氧化物浓度未出现超过设定的50mg/Nm³的情况。当系统运行状态发生变化时，本发明控制方法能够在3分钟内将超调值调节到设定值范围内。通过多次调节氮氧化物出口设定值(分别设定为10mg/Nm³、20mg/Nm³、30mg/Nm³、40mg/Nm³、50mg/Nm³)后发现，本发明方法能够满足将出口氮氧化物浓度值设定为20mg/Nm³，这样就可以保证优化后的氮氧化物浓度基本控制在20mg/Nm³～22mg/Nm³之间。以上结果说明，本发明控制方法能够解决现有SCR脱销系统中的出口氮氧化物超调问题，进而更加合理高效的控制氨气的使用量，由于超调情况基本不会出现，因此在烟气流量固定且烟气中氮氧化物的初始值稳定的情况下，可减少氨气的使用量；与此同时，避免氨逃逸数值过高的情况出现，具有巨大的环保效益和经济效益。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，实时采集锅炉脱硝系统烟气出口氮氧化物的实际测量值，并与设定值进行对比，计算烟气出口氮氧化物的偏差值及该偏差值的变化率；

步骤2，将烟气出口氮氧化物的偏差值和偏差的变化率输入模糊控制器，确定氮氧化物偏差、偏差变化率、比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d的隶属度函数；

步骤3，根据模糊控制规则，输出新的模糊集合隶属函数，并据此计算比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d；

步骤4，采用比例变化值Δk_p、积分变化值Δk_i、微分变化值Δk_d分别对PID中对应的比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整，得到新的PID参数；

步骤5，依据新的PID参数控制氨气流量调节阀开度，进而实时控制脱销系统的喷氨量。

2.根据权利要求1所述的基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其特征在于，所述计算烟气出口氮氧化物的偏差值及该偏差值的变化率，其具体为：

设定出口氮氧化物的设定值为r(t)，出口氮氧化物的实际测量值为n(t)，则烟气出口氮氧化物的偏差值为e(t)＝r(t)-n(t)；偏差值的变化率为

其中，t为时间。

3.根据权利要求1所述的基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其特征在于，所述比例参数变化值Δk_p、积分参数变化值Δk_i、微分参数变化值Δk_d分别通过通讯或硬接线传给霍尼韦尔的DCS系统。

4.根据权利要求1所述的基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其特征在于，所述采用比例参数变化值Δk_p、积分参数变化值Δk_i、微分参数变化值Δk_d分别对PID中对应的比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整，其具体为：

k_p＝k_p′+Δk_p

k_i＝k_i′+Δk_i

k_d＝k_d′+Δk_d

式中k_p′为PID控制器调整前的比例参数，k_p为调节后的新的比例参数，ki′为PID控制器调整前的积分参数，k_i为调节后的新的积分参数，k_d′为PID控制器调整前的微分参数，k_d为调节后的新的微分参数。

5.根据权利要求1所述的基于自适应模糊PID算法的锅炉烟气脱硝控制方法，其特征在于，所述依据新的PID参数控制氨气流量调节阀开度，其具体为：

根据新的比例参数k_p、新的积分参数k_i、新的微分参数k_d运算输出控制信号u(t)：

其中，k_p为调节后的新的比例参数，k_i为调节后的新的积分参数，k_d为调节后的新的微分参数，k_i＝k_p/T_i、k_d＝k_pT_d。

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