工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，包括：采用模糊PID控制器設(shè)計(jì)爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值；根據(jù)爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值計(jì)算燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值及燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期；以及根據(jù)燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值及燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期，計(jì)算每個(gè)燒嘴的燃燒時(shí)間，并完成對(duì)燒嘴的點(diǎn)火及關(guān)閉操作。本發(fā)明采用脈沖燃燒控制，提高了傳熱效率，節(jié)能及環(huán)保性能好。本發(fā)明采用采用模糊PID控制，具有魯棒性強(qiáng)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)好的特點(diǎn)，并具有較高的穩(wěn)態(tài)精度，減小系統(tǒng)超調(diào)。本發(fā)明可以負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整，爐溫調(diào)節(jié)快速響應(yīng)，并采用變周期燃燒控制，爐溫調(diào)節(jié)范圍廣，控制穩(wěn)定性高。
【專利說(shuō)明】工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)爐是我國(guó)的耗能大戶，對(duì)工業(yè)爐的燃燒控制也成為社會(huì)和各企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一。因?yàn)楣I(yè)爐的燃燒控制水平不但直接影響工業(yè)爐的整體性能，包括溫度均勻性、控制靈活性及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性等，影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)它還決定了工業(yè)爐的節(jié)能水平及其對(duì)環(huán)境污染的程度。
[0003]與常規(guī)的空氣/燃?xì)饬髁勘壤刂品绞讲煌?，脈沖控制系統(tǒng)輻射管燒嘴的輸出功率不依靠空氣/燃?xì)獾牧髁扛淖儯⑶以陬A(yù)先設(shè)定的最佳空燃比條件下，控制燒嘴的燃燒時(shí)間，即通過(guò)燃燒的通斷時(shí)間比來(lái)調(diào)節(jié)。在任何燃燒工況條件下，每個(gè)燒嘴的燃?xì)饬髁颗c空氣流量都是固定值，不隨燒嘴輸出功率的大小而變化。其突出優(yōu)點(diǎn)是燃燒充分完全，特別是小功率條件下，節(jié)約了燃?xì)庀模惠椛涔軠囟染鶆?，有利于延長(zhǎng)輻射管使用壽命。
[0004]目前高檔工業(yè)產(chǎn)品對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性要求較高，對(duì)燃燒氣氛的穩(wěn)定可控性要求較高，隨著寬斷面、大容量的工業(yè)爐的出現(xiàn)，脈沖燃燒控制技術(shù)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)于爐溫控制精度的要求也越來(lái)越高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，該控制方法采用模糊PID控制，減小系統(tǒng)超調(diào)，提高了傳熱效率，節(jié)能及環(huán)保性能好。
[0006]本發(fā)明提供一種工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，包括以下幾個(gè)步驟:
[0007]步驟一:采用模糊PID控制器設(shè)計(jì)爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值；
[0008]步驟二:根據(jù)爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值U (t)計(jì)算燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值F (t)及燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期T ;
[0009]步驟三:根據(jù)燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值F (t)及燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期T，計(jì)算每個(gè)燒嘴的燃燒時(shí)間，并完成對(duì)燒嘴的點(diǎn)火及關(guān)閉操作。
[0010]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011]1、脈沖燃燒控制提高了傳熱效率，節(jié)能及環(huán)保性能好。
[0012]在脈沖燃燒中，任何情況下燒嘴只有一種工作狀態(tài)一滿負(fù)荷工作，保證燒嘴始終工作在最佳的燃燒狀態(tài)下，因此即便在爐段需求負(fù)荷較小時(shí)燒嘴燃燒也非常充分，節(jié)能效果非常明顯，比普通調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能10%。同時(shí)，由于脈沖燃燒控制系統(tǒng)內(nèi)燒嘴的空氣燃?xì)獗仁冀K在理想狀態(tài)下，燃?xì)馊紵浞郑灿行У臏p少了氮氧化物的排放，降低了對(duì)大氣的污染。
[0013]2、采用模糊PID控制，減小系統(tǒng)超調(diào)。
[0014]對(duì)于退火爐這樣大慣性、純滯后、參數(shù)時(shí)變的非線性對(duì)象，采用模糊PID控制，具有魯棒性強(qiáng)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)好的特點(diǎn)，具有較聞的穩(wěn)態(tài)精度，減小了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的超調(diào)。[0015]3、負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整，爐溫調(diào)節(jié)快速響應(yīng)。
[0016]在每個(gè)掃描周期內(nèi)，程序自動(dòng)判斷各燒嘴狀態(tài)及其變化，實(shí)時(shí)計(jì)算爐段需求負(fù)荷，實(shí)時(shí)調(diào)整各燒嘴的燃燒時(shí)間及燃燒次序，響應(yīng)周期根據(jù)程序掃描周期設(shè)定值可達(dá)ms級(jí)，在實(shí)現(xiàn)爐溫快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的同時(shí)，也避免了出現(xiàn)溫度振蕩的現(xiàn)象，適應(yīng)于工業(yè)爐這樣的大慣性大滯后特性場(chǎng)合。
[0017]4、變周期燃燒控制，爐溫調(diào)節(jié)范圍廣，控制穩(wěn)定性高。
[0018]根據(jù)燒嘴實(shí)際使用情況，采用可變周期調(diào)節(jié)方式，在滿足燒嘴工作工藝的同時(shí)，使得在爐段需求負(fù)荷較低或較高時(shí)，控制系統(tǒng)仍具有較高的穩(wěn)定性，大大提高了爐溫的調(diào)節(jié)范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1:本發(fā)明中燒嘴工作原理時(shí)序圖；
[0020]圖2:本發(fā)明中工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法的流程圖；
[0021]圖3:本發(fā)明中模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4:本發(fā)明步驟三中燒嘴輸出控制單元的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0024]脈沖燃燒控制采用的是一種間斷燃燒的方式，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比(通斷比)實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐的溫度控制。燃料流量可通過(guò)壓力調(diào)整預(yù)先設(shè)定，燒嘴一旦工作，就處于滿負(fù)荷狀態(tài)，保證燒嘴燃燒時(shí)的燃?xì)獬隹谒俣炔蛔?。?dāng)需要升溫時(shí)，自動(dòng)切換為高供熱負(fù)荷燃燒，脈沖時(shí)間長(zhǎng)(燒嘴燃燒時(shí)間加長(zhǎng))，間斷時(shí)間減??；需要降溫時(shí)，采用低供熱負(fù)荷燃燒，脈沖時(shí)間短(燒嘴燃燒時(shí)間減小)，間斷時(shí)間加長(zhǎng)。
[0025]本發(fā)明提供的一種工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，主要由模糊PID控制器、負(fù)荷及周期計(jì)算單元和輸出控制單元三個(gè)步驟組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)爐爐溫的閉環(huán)調(diào)節(jié)。工業(yè)爐是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，它具有非線性、時(shí)變和分布參數(shù)等特征，采用常規(guī)PID控制很難得到滿意的控制效果，而采用本發(fā)明中則能夠?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)，可以滿足在不同工況下對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的要求。根據(jù)輸出結(jié)果及燃燒系統(tǒng)各燒嘴狀態(tài)，得到爐段實(shí)際負(fù)荷及循環(huán)周期，計(jì)算各燒嘴燃燒時(shí)間，并根據(jù)爐段負(fù)荷的調(diào)整實(shí)時(shí)改變燒嘴燃燒時(shí)間，保證爐段實(shí)際熱效應(yīng)與爐段需求負(fù)荷的實(shí)時(shí)一致性，從而達(dá)到精確控制爐溫的目的。
[0026]這種控制方法并不調(diào)節(jié)某個(gè)區(qū)域內(nèi)燃料輸入的大小，而是調(diào)節(jié)在給定區(qū)域內(nèi)每個(gè)燒嘴被點(diǎn)燃的頻率和持續(xù)時(shí)間。燒嘴的輸入量是預(yù)先給定的，每個(gè)燒嘴按照預(yù)先給定的開(kāi)度和熱量需求成正比的頻率開(kāi)閉。所有的燒嘴不同時(shí)點(diǎn)燃，而是按照一定的時(shí)序依次點(diǎn)燃，如圖1所示(假設(shè)燒嘴循環(huán)周期為50s，燒嘴個(gè)數(shù)為10)。
[0027]本發(fā)明提供的工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法的總體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示，主要由模糊PID控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程、負(fù)荷及周期計(jì)算單元設(shè)計(jì)和輸出控制單元設(shè)計(jì)3個(gè)步驟組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)爐爐溫的閉環(huán)調(diào)節(jié)。具體如下:[0028]步驟一:爐溫模糊PID控制器設(shè)計(jì):
[0029]工業(yè)爐是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，它具有非線性，時(shí)變和分布參數(shù)等特征。在實(shí)際加熱過(guò)程中，不同材料和批次的工件，裝入量和加熱溫度會(huì)有所不同，因此加熱爐本身的模型具有很大的不確定性，對(duì)于這樣一個(gè)大慣性、純滯后、參數(shù)時(shí)變的非線性對(duì)象，采用常規(guī)PID控制很難得到滿意的控制效果，而采用模糊PID控制器能夠?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)整PID控制器的控制參數(shù)，可以滿足在不同工況下對(duì)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)調(diào)整的要求。
[0030]傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)選擇很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，模糊推理是解決這一問(wèn)題的有效途徑。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集合表示，并把這些模糊控制規(guī)則作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫(kù)中，然后根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊PID控制器的設(shè)計(jì)方法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示:
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟: 步驟一:采用模糊PID控制器設(shè)計(jì)爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值； 步驟二:根據(jù)爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值U(t)計(jì)算燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值F(t)及燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期T ； 步驟三:根據(jù)燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值F (t)及燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期T，計(jì)算每個(gè)燒嘴的燃燒時(shí)間，并完成對(duì)燒嘴的點(diǎn)火及關(guān)閉操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，其特征在于，所述步驟一具體包括: 步驟1.1:計(jì)算模糊推理輸入量溫度偏差e(t)和偏差變化率ec;(t)； 步驟1.2:確定模糊規(guī)則，得到模糊PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)與e(t)和ejt)之間的|旲糊關(guān)系； 步驟1.3:規(guī)則模糊化處理及模糊推理過(guò)程，采用Mamdani方法，得到比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的校正量ΛΚρ、AKi, AKd的模糊集合； 步驟1.4:采用平均最大隸屬度法進(jìn)行解模糊過(guò)程，取模糊集合中具有最大隸屬度的點(diǎn)的平均值作為解模糊化過(guò)程的結(jié)果，使模糊推理后分別得到ΛΚρ、AKi, AKd轉(zhuǎn)化為真實(shí)論域上的參數(shù)； 步驟1.5:根據(jù)爐溫偏差值e(t)及ΛΚρ、AKi, Λ Kd轉(zhuǎn)化為真實(shí)論域上的參數(shù)值進(jìn)行PID計(jì)算，得到模糊PID控制器的輸出值作為爐段加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值U (t)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，其特征在于，所述步驟二具體包括: 步驟2.1:計(jì)算燒嘴實(shí)際燃燒負(fù)荷值F (t)，具體如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，其特征在于，所述燒嘴實(shí)際燃燒循環(huán)周期T具體根據(jù)下式獲得:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)爐高精度脈沖燃燒控制方法，其特征在于，所述步驟三具體包括: 步驟3.1:確定點(diǎn)燃燒嘴序號(hào) 在燒嘴燃燒循環(huán)周期T內(nèi)，燒嘴按一定時(shí)間間隔Λ t及預(yù)先設(shè)定的次序依次點(diǎn)燃，首先，判斷時(shí)間間隔Δ t是否大于零；若大于零，直接進(jìn)入步驟3.3 ;若Δt ≤O時(shí)，計(jì)算需點(diǎn)火的燒嘴序號(hào)non:
【文檔編號(hào)】F23N5/00GK103557534SQ201310556145
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】葉理德, 強(qiáng)健, 陳惠敏, 周磊 申請(qǐng)人:中冶南方工程技術(shù)有限公司