劉娟，項(xiàng)萌，胡徐勝，夏興國(guó)，張奇

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山243031;2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山243000;

3.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山243031)

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基于Fuzzy-PID控制水泥窯垃圾焚燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉娟1，項(xiàng)萌2，胡徐勝3，夏興國(guó)1，張奇1

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山243031;2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山243000;

3.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山243031)

摘要：目前，垃圾焚燒溫度控制一般采用傳統(tǒng)PID控制，其中的積分環(huán)節(jié)在短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出會(huì)有較大偏差，最終可能會(huì)引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，控制效果不理想。為了避免傳統(tǒng)PID控制的缺點(diǎn)，采用Fuzzy-PID控制，對(duì)水泥窯垃圾焚燒系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，以達(dá)到提升溫度控制性能的效果，避免或盡量避免二英的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒；模糊PID；溫度控制

隨著經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高，城市生活垃圾越來(lái)越多，如何處理城市生活垃圾也就成為亟需解決的問(wèn)題。由于每個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)水平、能源結(jié)構(gòu)、自然條件及傳統(tǒng)習(xí)慣有所不同，城市垃圾成分就比較復(fù)雜，所以對(duì)城市垃圾的處理方法也不盡相同，但最終都是向無(wú)害化、資源化、減量化方向發(fā)展[1]。

1常用垃圾處理方案比較

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市生活垃圾的處理方法主要有衛(wèi)生填埋、高溫堆肥和焚燒等，通常將這幾種方法綜合在一起使用，因城市的自然環(huán)境、垃圾成分、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的不同而有所差異[2]。

1.1填埋法

開(kāi)挖深海或良田或圍筑山谷，或利用廢井填入垃圾后復(fù)蓋土層，國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市都采用此法處理。然而，由于此方法所產(chǎn)生的滲濾液和廢氣會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染[3]和要占用大量寶貴的土地資源以及處理費(fèi)用大等原因而逐漸被淘汰。

1.2垃圾堆肥法

堆肥法是處理與利用垃圾的一種方法，在早期的中國(guó)農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，垃圾堆肥技術(shù)已經(jīng)有所應(yīng)用[4]。由于垃圾中有久埋不腐的有害物和酸堿類(lèi)物質(zhì)，有害于土壤，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，且肥效低，所以此法應(yīng)用有限。

1.3普通垃圾焚燒

將垃圾一次性焚燒是垃圾減量最快的方法，大型的垃圾焚燒項(xiàng)目配有熱能回收與利用裝置，符合回收能源的要求，逐漸成為焚燒處理的主流方式[5]。由于我國(guó)垃圾水分大，故存在垃圾處理不徹底、易產(chǎn)生二次污染、投資大等問(wèn)題。

1.4水泥回轉(zhuǎn)窯垃圾焚燒

由于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)新型焚燒裝置已經(jīng)做到了高效、節(jié)能、低造價(jià)、低污染[6]，其中水泥回轉(zhuǎn)窯垃圾焚燒技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市投產(chǎn)運(yùn)行，效果顯著。

2方案選擇

綜上所述，考慮到處理成本、節(jié)能減排，以及最大限度地發(fā)揮社會(huì)價(jià)值和利用垃圾價(jià)值，本研究選用利用水泥窯協(xié)同處置法處理城市垃圾。

3Fuzzy-PID控制器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要控制對(duì)象為摻入垃圾后的水泥窯焚燒溫度，控制策略為調(diào)整風(fēng)、煤、垃圾量。模糊PID參數(shù)自整定與控制偏差e(當(dāng)前焚燒溫度和理想控制溫度的偏差)和偏差的變化率ec密切相關(guān)。運(yùn)行過(guò)程中，控制器連續(xù)不斷地檢測(cè)偏差e和偏差的變化率ec，通過(guò)模糊規(guī)則更新參數(shù)KP、KI、KD，對(duì)e和ec進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足水泥窯垃圾焚燒過(guò)程中復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性[8]。模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，圖中e和ec為控制系統(tǒng)的輸入，KP、KI、KD是系統(tǒng)的輸出，通過(guò)對(duì)KP、KI、KD的調(diào)整，進(jìn)而通過(guò)閥門(mén)與伺服電機(jī)調(diào)整風(fēng)、煤、垃圾量。

圖1　模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

3.1模糊PID隸屬函數(shù)

分析圖1 后，確定PID控制器的輸入為e、ec，輸出為KP、KI、KD，用模糊化的語(yǔ)言描述變量中子集的隸屬情況，定義e、ec的子集均為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；KP、KI和KD的子集也為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，它們的論域都是[-6，-4，-2，0，2，4，6]，在垃圾焚燒的過(guò)程中將溫度控制在900 ℃附近，偏差在±50 ℃之間。

3.2參數(shù)的自整定原則

模糊規(guī)則的制定，是生成輸出量的關(guān)鍵，參數(shù)自整定依賴(lài)一定的原則，目的在于偏差處于中等數(shù)值時(shí)應(yīng)取較大的KP和KI，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性，KD的取值要和ec聯(lián)系起來(lái)取適當(dāng)?shù)闹?，避免系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附件產(chǎn)生振蕩。在系統(tǒng)的起始階段，誤差很大。此時(shí)應(yīng)該采用較大的KP，但是KD、KI要小一些，這樣的好處在于提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。在小誤差的情況下，為了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)將KD、KI適當(dāng)增大，將KP適當(dāng)減小。

3.3模糊PID模糊規(guī)則的生成

采用重心法則去模糊，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)仿真與實(shí)踐驗(yàn)證，得到規(guī)則表，如表1所示。

表1中，e和ec分別取隸屬函數(shù){NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，是PID各個(gè)參數(shù)的對(duì)應(yīng)隸屬子集，如PB/NB/PS分別表示KP/KI/KD在e和ec都取NB時(shí)的隸屬子集。

表1　模糊規(guī)則表

在Matlab中生成模糊控制規(guī)則，根據(jù)以上的要求，讀入輸入輸出的范圍，并且在Fuzzy控制器植入規(guī)則[9]。如圖2所示，建立了1個(gè)由2個(gè)輸入經(jīng)過(guò)模糊規(guī)則推導(dǎo)出3個(gè)輸出的框架示意圖。

圖2　3個(gè)輸出的框架示意圖

每個(gè)輸入/輸出中默認(rèn)只有3條隸屬函數(shù)，因此需要添加4條，規(guī)定它們的形狀都為三角形，且依次選中，修改名稱(chēng)與上述的NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB一致，修改rang范圍，默認(rèn)是[0，1]。根據(jù)論域的范圍值，此處改為[-6，6]，如圖3、4所示，按照要求得出e和Kp的隸屬度函數(shù)。

在模糊規(guī)則編輯器，添加49條模糊規(guī)則語(yǔ)句，如圖5所示。

添加之后保存，并進(jìn)入Surface Viewer窗口，圖6為Kp在不同ec和e情況下的所有取值。

圖3　e隸屬度函數(shù)

圖4　Kp隸屬度函數(shù)

圖5　模糊規(guī)則編輯器

圖6　Surface Viewer窗口

4仿真與結(jié)果討論

圖7　系統(tǒng)仿真模型圖

圖8　仿真結(jié)果

5結(jié)語(yǔ)

[參考文獻(xiàn)]

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責(zé)任編輯：陳亮

Design of a Cement Kiln Waste Incineration System Based on Fuzzy-PID Control

LIU Juan1,XIANG Meng2,HU Xusheng3,XIA Xingguo1,ZHANG Qi1

(1.Maanshan Technical College，Maanshan 243031;2.Huatian Engineering & Technology Corporation(MCC)，Maanshan 243000;3.Wentian College，Hohai University,Maanshan 243031)

Abstract：The temperature control system of waste burning within cement kiln generally uses PID control that involves an integral part,leading to greater deviations in a short time and major overshooting by the system,which always result in undesirable temperature control.In order to make up for this defect,this paper adopts Fuzzy-PID to control temperature system of waste burning within cement kiln,which achieves a very good effect while avoiding or decreasing the production of Dioxin.

Key words：waste burning;Fuzzy-PID;temperature control

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.007

收稿日期：2016- 01-22

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014gxk104；2014sjj037;2015zjjh047)

作者簡(jiǎn)介：劉娟(1982—)，女，碩士，講師。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)02- 0029- 05