鍋爐燃燒系統的仿人智能控制

鍋爐燃燒系統的仿人智能控制高巖，龔至豪，黃鴻（北京理工大學自動控制系，北京100081）制器的設計方案。針對傳統控制方法難以適應鍋爐負荷大幅度變化的缺點，給出了基于規則的專家式控制方法，并針對風煤配比的自尋最優控制的缺點，給出了按照經驗實施的固定比例風煤配比的簡單實用方法。鍋爐燃燒系統仿人控制方法已在生產中得到應用，應用結果表明該方案可行，提高了系統的燃燒效率，優于傳統的控制方法。

　　收穡日期：2002-01-17：高巖（1967-），男，副研究員-工業鍋爐燃煤量占全國耗煤量的1/4，可見燃燒過程控制是節能控制的重要組成部分-燃煤鍋爐作為一種重要的能量轉換設備，其作用是將燃料的化學能轉變成蒸汽熱能-一方面要保證供汽，按供汽量調節蒸發過程，另一方面，又要保證燃料的充分燃燒和熱量的有效利用。與燃燒過程有關的因素主要是煤量和風量。表征燃燒狀況的參量主要有爐膛溫度、爐膛壓力和煙氣殘氧量-而鍋爐生產的質量和產量指標是蒸汽壓力穩定和產氣量充足-鍋爐特別是鏈條爐從燃煤進入爐膛到蒸汽量發生變化燃燒過程延遲大參數時變，是一個多變量系統-其輸入輸出關系如所示-由可見，各輸入輸出變量間耦合關系錯綜復雜，當負荷頻繁變化時，采用單一的控制器很難滿足生產要求-燃燒過程控制的特點要求根據多元參數現狀和歷史數據進行綜合分析和推理，以取得合理的控制決策-作者提到的鍋爐負荷變化范圍從零到最大負荷量，并且是不定時變負荷，用PID算法難以控制-智能控制方法對于存在嚴重非線性時變和不確定性的系統具有較大活力，采用該方法不需對對象模型做精細分析，不需對多種控制干擾解耦，只需加入一定的自學習功能，模擬專家及操作人員的經驗，就能使控制達到快速、高精度、極小超調。該方法適應范圍廣，魯棒性強。

　　給煤蒸汽壓力鼓風爐膛負壓引風鍋爐爐膛溫度上水蒸汽流量殘氧量爐渣損失鍋爐控制輸入輸出關系1仿人智能控制器的設計方法自動控制技術的發展是從模仿人的控制行為開始的，由開環控制到閉環控制，并向著自適應、自組織、自學習控制發展，表明了機器智能化不斷提高的過程。經典的和現代的控制理論要求被控對象和環境的不確定性有明確的數學模型描述，控制目標也是清晰的，可以量化的。控制器的設計是建立在被控對象數學模型基礎上的。智能控制則是基于知識的（包括數學模型）自主性控制。如果控制器的設計（控制問題的求解）是模擬人類專家的控制行為，通過計算機自主地解決復雜的控制，則可稱為專家式控制系統或智能控制系統。其結構如所示。智能控制研究的基本途徑是在宏觀控制結構和行為功能上對專家進行模擬和實現。

　　負壓設定值推理機構執行機構廣義對象負壓采樣反饋控制器結構圖各類專家的操作經驗表明，控制決策的主要依據是被控對象的偏差及其變化率。而層燃式鏈條鍋爐的燃燒控制一般是以蒸汽壓力作為主控量（保持恒定），同時調節風流量和煤流量按比例供應而實現的，體現了以滿足負荷要求為目標的能量平衡。仿人智能控制器的主要特征是控制蒸汽壓力的偏差及其變化率，協調燃燒工況的相關條件，在專家系統組織下，自動分層次地改變控制器的結構和參數，以實現適應性控制。

　　2系統主要功能塊數據庫中控制系統各種指標，包括控制界限、警報界限、控制目標值、控制增益等。前幾個參數根據生產及安全需要確定，可隨時在線修改。控制增益根據控制要求確定，或在自學習過程中整定。

　　規則集主要是用產生式規則描述的知識和控制作用，包括位式控制、變增益控制pi控制等。控制規則集內容為其中：M1，M2，M3為設定常數；F為與負荷量和煤品種有關的可變系數；ep為氣壓偏差；u為控制量；n為步長；Umax為最大控制量。

　　3自尋最優的經濟燃燒控制與燃燒過程有關的參數如煤量風量（空氣流量）等不能完全反映經濟燃燒指標，即不能在線計算燃燒效率。通常采用煙道殘氧量間接表示風煤的配比合理性和完全燃燒程度。爐膛溫度能快速反映煤的燃燒熱效率，理論上燃煤的溫度與燃煤的熱質四次方成比例。一般地，一定的煤量燃燒最充分時其溫度也最高。因此，一定給煤量對應最佳鼓風量。鼓風量小，燃燒不完全；鼓風量大帶走過多熱量。溫度與風量之間存在極值關系，如所示。圖中qv為給風量，t為爐膛溫度。

　　度和F爐膛溫燃燒效率存在對應規PID控制響應曲線；是智能控制響應曲線。

　　風量的靜態關系為二次曲線關系。利用這種靜態極值特性，采用自動搜索方法，不需要知道確定的數學模型，即可實現接近最優工況燃燒。為了避免實際搜索可能產生振蕩，導致搜索損失過大，用不同位置的溫度值進行綜合判斷，其控制效果在風機功率有相當儲備時是有效的。

　　目前，為了節省能源，風機的功率配比基本與給煤系統和鍋爐負荷量配合，加上爐子有漏風現象，整個配比是欠風工況。對于這種情況，首先要保證生產用汽量，選擇較好的風煤比，并用爐膛溫度來校正。

　　因為溫度較高時，燃燒工況好，煤容易燃燒，此時可以降低風煤比和殘氧量。溫度低時，則加大風煤比，其控制規律為變比例控制，此時u=W（n）為給煤控制量；t為爐膛溫度。

　　4現場運行情況本系統為某啤酒生產企業4臺10t鍋爐并列運行系統，蒸汽壓力誤差為士9.8kPa，且控制速度快，動作均勻合理，達到最佳工況。與手動調節相比，提高熱效率4.657%.是鍋爐運行時的負荷波動曲線；是常智能控制響應曲線