CN206848713U - 一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，包括基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）、变频器（3）、电动阀（4）、窑炉火焰换向器（5）、溶液管道（6）、泵（7）、变频泵驱动电机（8）和风机（9）。本实用新型模糊自适应控制器控制效果良好且具有较强的抗干扰能力，能使流量平稳的过度到稳定状态，且波动很小。相比基本模糊控制器和传统 PID 控制器，模糊自适应控制器控制效果更好，响应速度更快，超调量更小，响应曲线平稳。
Description
技术领域
本实用新型涉及自动控制技术领域，具体为一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器。
背景技术
目前,SCR烟气脱硝技术已在我国工业尾气脱硝工程中得到了广泛的应用。SCR烟气脱硝是一个时变的、非线性过程,难以建立精确的数学模型，特别在玻璃窑炉脱硝控制中，由于在固定时间（一般为20Min）需要火焰换向，在火焰换向过程中会导致烟气量大小以及烟气量中O2、NOx等含量的急剧突变。在脱硝系统的运行中,对于喷氨量的控制普遍采用PID控制策略。
在以往工程项目中采用PID控制策略时，无论采用PID单回路闭环控制，还是采用PID+前馈控制或者是PID串级控制；在调试过程中，当调试工程师在组态画面上设置好PID参数值与目标NOx值，将控制切入自动调节之后，PID控制器根据目标NOx值经过计算去控制执行机构，执行机构在动作之后改变还原剂量（喷氨量），从而使脱硝反应器出口NOx发生改变。
在此过程中，但由于PID的固定性，使得PID参数非常难以确定；加之脱硝反应的还原剂与NOx的化学反应属于典型的纯延迟大惯性系统且外扰因素太多，这种控制策略容易造成超调过调、系统震荡、易造成环保数据超标或氨逃逸过量现象。
基于传统经典PID的调节在玻璃窑炉脱硝还原剂控制中的不足显得尤为突出；由于玻璃窑炉负荷的变化、燃烧工况的变化、以及火焰换向的变化，SCR脱硝装置入口NOx浓度和烟气量等入口参数往往会偏离设计参数,对SCR运行形成明显的扰动,使SCR各项控制参数往往偏离最佳值,PID的控制效果不佳,不仅影响了脱硝效率,喷氨量过量时,还会产生二次污染,危及下游设备。根据目前国内玻璃窑炉脱硝系统的运行情况，对脱硝氨气流量控制一般采用基本控制方式Constant Mole Ratio Control (固定摩尔比控制方式)。该控制方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式，在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中NOx ，这种控制方式是设定值可调的单回路控制系统，其缺点是PID参数的固定性，在确定PID参数时一般有两种方法，一种是通过大量复杂运算，一种是通过大量项目实际应用的经验值。并且PID参数不会因为工况的变化而自行调节，对于玻璃窑炉复杂的，非线性的烟气量、O2、NOx含量的突然变化往往不能够及时做出反应，因其滞后性的调节要么过度脱氮，氨逃逸加大，造成成本上升与后端设备损伤；要么NOx在短时间内急剧上城，超过设定值，甚至超过环保部门排放标准。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，包括基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）、变频器（3）、氨水调节阀（4）、窑炉火焰换向器（5）、溶液管道（6）、变频泵（7）、变频泵驱动电机（8）和风机（9）其特征在于：所述控制器为变频泵（7）与氨水调节阀（4）的有机组合，所述变频泵（7）与氨水调节阀（4）连接，氨水调节阀（4）通过变频泵驱动电机（8）调节氨水调节阀（4）的开度，所述变频泵（7）还与变频器（3）双向连接，通过变频器（3）控制变频泵（7）的转速。
进一步的：所述变频泵（7）输入端与氨水入口连接，所述变频泵（7）输出端与基本模糊控制器（1）输入端连接。
进一步：所述窑炉火焰换向器（5）输出端与基本模糊控制器（1）连接，所述的加权因子模糊控制器（2）与基本模糊控制器（1）双向连接。
进一步的：所述基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）为PLC控制器。
进一步的：所述基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）为PLC控制器，其CPU支持一个内部总线结构，包含一条程序总线，一条 32 位读取总线和两条16 位数据读取总线，两条数据写入总线和专门用于外设和 DMA 操作的附加总线；这些总线实现在一个单周期内执行高达四次 16 位数据读取和两次 16 位数据写入的功能；此器件还包含四个 DMA控制器，每个控制器具有 4 条通道，在无需 CPU 干预的情况下提供 16 条独立通道的数据传送。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
在引入模糊自适应后，对于玻璃SCR脱硝控制系统这样大滞后、大延时、火焰换向导致控制量突变的非线性控制，引进了针对控制对象的预测控制技术、融合改进的状态变量控制、相位补偿控制技术，代替了经典PID控制。能够提前预测被调量未来变化趋势，根据被调量未来变化量进行控制、提前调节，提高了脱硝系统闭环稳定性和抗扰动能力。在保证玻璃窑炉脱硝效率的前提下有效减少喷氨过量造成的浪费及对大气的二次污染、防止了对下游设备造成的腐蚀以及在火焰换向时对喷氨的快速精准调节。
模糊自适应控制器控制效果良好且具有较强的抗干扰能力，能使流量平稳的过度到稳定状态，且波动很小。相比基本模糊控制器和传统 PID 控制器，模糊自适应控制器控制效果更好，响应速度更快，超调量更小，响应曲线平稳。这是因为自适应模糊控制器可以根据偏差的大小逐步调整权重，抑制过大超调，使系统始终维持在较小的波动范围内，保证了氨水流量快速跟踪烟气中 NOx含量的变化。
附图说明
图1为本实用新型的工作原理流程示意图。
图中：基本模糊控制器-（1）、加权因子模糊控制器-（2）、变频器-（3）、电动阀-（4）、窑炉火焰换向器-（5）、溶液管道-（6）、泵-（7）、变频泵驱动电机-（8）和风机-（9）。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本实用新型提供的一种实施例：
一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，包括基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）、变频器（3）、氨水调节阀（4）、窑炉火焰换向器（5）、溶液管道（6）、变频泵（7）、变频泵驱动电机（8）和风机（9）其特征在于：所述控制器为变频泵（7）与氨水调节阀（4）的有机组合，所述变频泵（7）与氨水调节阀（4）连接，氨水调节阀（4）通过变频泵驱动电机（8）调节氨水调节阀（4）的开度，所述变频泵（7）还与变频器（3）双向连接，通过变频器（3）控制变频泵（7）的转速。所述变频泵（7）输入端与氨水入口连接，所述变频泵（7）输出端与基本模糊控制器（1）输入端连接。所述窑炉火焰换向器（5）输出端与基本模糊控制器（1）连接，所述的加权因子模糊控制器（2）与基本模糊控制器（1）双向连接。所述基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）为PLC控制器。所述基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）为PLC控制器，其CPU 支持一个内部总线结构，包含一条程序总线，一条 32 位读取总线和两条16 位数据读取总线，两条数据写入总线和专门用于外设和 DMA 操作的附加总线；这些总线实现在一个单周期内执行高达四次 16 位数据读取和两次 16 位数据写入的功能；此器件还包含四个 DMA 控制器，每个控制器具有 4 条通道，在无需 CPU 干预的情况下提供16 条独立通道的数据传送。
工作原理：采用变频泵-氨水调节阀的有机组合，被控对象为氨水输送泵、氨水调节阀，氨水流量为二者的控制结果；氨水输送泵作为流量主调手段，氨水调节阀作为流量微调手段，当烟气中 NOx总量增加时，变频泵驱动电机增加泵的转速，电动调节阀的开度也随之增大;当烟气中 NOx总量减小时，变频泵驱动电机减小泵的转速，电动调节阀的开度也随之减小;当烟气中 NOx总量维持不变时，变频泵驱动电机保持泵的转速不变，电动调节阀用于精确控制。
影响氨水流量的主要因素有:烟气量，NOx生成量，催化剂催化效率，NOx排放标准，泵的转速，调节阀的开度、窑炉火焰换向及溶液管道等。SCR 脱硝系统需氨量是不断变化的，因此，SCR系统需氨量偏差是一个不可缺少的输入量;氨水实际流量与期望流量偏差是另一个关键的系统输入量;另外，需氨量的变化趋势也可以预测氨水流量需求量，将需氨量偏差变化率作为另一个输入量。泵转速和调节阀的开度作为控制输出量。泵的转速与变频器的控制频率成一定关系，为了保持编程的可行性将控制输出量转化为变频器控制频率。最终，氨水流量模糊控制器的输入量是: SCR需氨量偏差和偏差变化率，氨水流量偏差、窑炉火焰换向信号;控制输出量是:变频器控制频率和电动调节阀开度。
氨水流量模糊控制器中，选择语言变量
BE(SCR需氨量偏差)，CE(偏差变化率)，DE(氨水流量偏差)，DW(变频器控制频率)，EO(调节阀开度)的模糊集如下:
BE = {负大，负中，负小，零，正小，正中，正大} ；
简记为 BE = {NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；
CE = {负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；
简记为 CE = {NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；
DE = { 小，零，大}，简记为 DE = { S，O，B}；
DW = {负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；
简记为 DW = {NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；
EO = { 负大，负小，正常，正小，正大} ；
简记为 EO ={NB，NS，O，PS，PB}；
由于紊流的存在，流量是一个不稳定的量，为了保证流量基本稳定，允许其有一个较小的偏差。所以设定偏差 BE 的隶属函数中间疏两端密。同时为保证在偏差大时响应迅速，偏差小时提高精度减少超调，控制输出 DW 的隶属函数中间密两头疏。
氨水流量模糊控制器主要目的是使氨水流量流量快速跟随烟气中 NOx总含量。因此，应避免需氨量偏差过大，需氨量偏差的基本论域范围不宜过大。
定义需氨量偏差 e(t) = Q(t) － Q(t － 1)。基本论域为［－3. 6，3. 6］，单位是 kg /h;
量化等级范围为［－ 5，5］;初始量化因子为 1. 39。需氨量偏差变化率的基本论域为［－ 15，15］，单位是 kg /h;量化等级范围为［－ 5，5］;初始量化因子为 0. 33。氨水偏差的基本论域为［－ 1. 5，1. 5］，单位是kg / h;量化等级范围为［－ 3，3］;初始量化因子为 2。变频器频率的基本论域为［1，5］，单位是 Hz;量化等级范围为［－ 5，5］;初始比例因子为 0. 4。调节阀开度的基本论域为［50，100］，单位是百分比;量化等级范围为［－ 5，5］;初始比例因子为 5。
在实际模糊控制器的设计中，隶属函数基本是根据经验选取的，因此，根据现场实际调试情况，总结操作人员的实际经验，最终选定最接近实际情况的钟型隶属度函数作为模糊变量的隶属函数。
根据上述语言变量赋值表，结合现场调试经验，我们制定如下氨水流量模糊控制规则如表1
表1氨水流量模糊控制规则
加权因子调整模块设计
由于烟气中 NOx的含量具有不确定性，氨水流量需求也具有不确定性，为了满足氨水流量的控制要求，同时为适应控制规则自适应算法调节的需要，本文采用带加权因子的数学解释方法来描述控制规则表的建立。模糊控制器的控制作用取决于需氨量偏差和偏差变化率。在不同的状态下，需氨量偏差和偏差变化率对过程的影响是不同的，为了适应不同工况的控制要求，采用带加权因子的控制规则:U = αBE + (1 － α)CE (1)式中:
U为控制输出量;BE为需氨量偏差;CE 为偏差变率;α为加权因子，0≤α≤1.
模糊自适应控制器控制效果良好且具有较强的抗干扰能力，能使流量平稳的过度到稳定状态，且波动很小。相比基本模糊控制器和传统 PID 控制器，模糊自适应控制器控制效果更好，响应速度更快，超调量更小，响应曲线平稳。这是因为自适应模糊控制器可以根据偏差的大小逐步调整权重，抑制过大超调，使系统始终维持在较小的波动范围内，保证了氨水流量快速跟踪烟气中 NOx含量的变化。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，包括基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）、变频器（3）、氨水调节阀（4）、窑炉火焰换向器（5）、溶液管道（6）、变频泵（7）、变频泵驱动电机（8）和风机（9）其特征在于：所述控制器为变频泵（7）与氨水调节阀（4）的有机组合，所述变频泵（7）与氨水调节阀（4）连接，氨水调节阀（4）通过变频泵驱动电机（8）调节氨水调节阀（4）的开度，所述变频泵（7）还与变频器（3）双向连接，通过变频器（3）控制变频泵（7）的转速。
2.根据权利要求1所述的一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，其特征在于：所述变频泵（7）输入端与氨水入口连接，所述变频泵（7）输出端与基本模糊控制器（1）输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，其特征在于：所述窑炉火焰换向器（5）输出端与基本模糊控制器（1）连接，所述的加权因子模糊控制器（2）与基本模糊控制器（1）双向连接。
4.根据权利要求1所述的一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，其特征在于：所述基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）为PLC控制器。
5.根据权利要求1所述的一种模糊规则在线可调的自适应模糊控制器，其特征在于：所述基本模糊控制器（1）、加权因子模糊控制器（2）为PLC控制器，其CPU 支持一个内部总线结构，包含一条程序总线，一条 32 位读取总线和两条16 位数据读取总线，两条数据写入总线和专门用于外设和 DMA 操作的附加总线；这些总线实现在一个单周期内执行高达四次16 位数据读取和两次 16 位数据写入的功能；此器件还包含四个 DMA 控制器，每个控制器具有 4 条通道，在无需 CPU 干预的情况下提供 16 条独立通道的数据传送。
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| CN113479951A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-10-08 | 青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司 | 支路电解压载水电解液液位稳定加药装置和液位稳定方法 |
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