CN111750365A - 一种垃圾焚烧复合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垃圾焚烧复合控制方法，采用模糊控制、传统PID、开环控制联合式切换开关型模拟人类思考模式的控制策略，误差变化率在一定条件下分别采用不同控制模式，同时采用开环方式馈入了负载干扰量或人员经验值，在保证稳定性的基础上提高了控制精度。模糊控制采用二维控制模式，控制规则使用三角形型隶属函数，提高了***动态性能；增量式传统PID采用标准算法，提高了***稳定性；干扰控制采用专家评估加权法得到输出量，直接开环作用于控制对象，提高了***响应速度。本发明采用融合多种控制模式、按照人员经验设定判据进行模式切换的智能型控制策略，对于垃圾焚烧类多参数对象、非线性、强耦合***的控制达到了较好的动态性能品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种垃圾焚烧复合控制方法。属于自动控制技术领域。
背景技术
垃圾焚烧是一种具有广阔前景的垃圾处理方式，就是在高温状态下通过过剩空气对垃圾进行充分燃烧，使其有害物质在高温作用下氧化、分解，使得垃圾变得无害、减量、环保和再生。但是垃圾成分非常复杂，化学结构、物理特性不尽相同，要使垃圾充分燃烧同时又要减少毒害，焚烧过程就变得非常复杂。
为了保证垃圾焚烧厂的运转效率，***的稳定性是其中重要的一环，***的稳定性就需要一个稳定高效的控制方法来保证。垃圾焚烧是一个复杂的物理化学过程，具有强耦合、多输入、多输出、非线性等特点，其控制对象模型难以准确建立，使用传统PID 进行控制回路设计时，其控制精度受参数调整局限保证困难，特别是在设备维修、维护、改造或升级后，控制参数需要重新调整情况下，传统PID控制显得力不从心；而且，焚烧过程控制中，熟练技工的经验占有很大比重，往往经验+控制才是控制策略的优选，在热力特性发生改变时，经验往往占主导地位。
垃圾焚烧过程是一个强耦合的多输入多输出非线性***，各环节的运行工况较复杂和动态特性多变，存在惯性、滞后、时变和干扰等不确定性，无法建立精确的数学模型。同时，垃圾本身就是一个复杂成分的被然物，且受化学反应、季节、水分等因素影响较大，为提高运行效率，必须保证其稳定性。
稳定燃烧是垃圾焚烧的控制目标，控制方法是确保其稳定的手段，控制方法不得力会导致垃圾燃烧不充分、有害物质没有完全分解，其经济性和安全也没有保障。本发明根据项目需要设计一中适用于垃圾焚烧的复合控制策略，可以有效克服***非线性、参数不稳定性以及外部干扰对***的影响，具有较高的鲁棒性和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种垃圾焚烧复合控制方法，实现了垃圾焚烧控制***的稳定性，更好地保护***稳定工作。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种垃圾焚烧复合控制方法，根据感知终端获取的控制参数的误差变化率作为判决条件，通过模糊控制、传统PID和开环控制的分时控制实现焚烧温度的温度输出。
优选地，将误差变化率作为判据对控制模式进行划分，划分界限采用经验值，在一定范围内采用模糊控制方式，在很大或很小范围内采用传统PID控制方式，在超限情况下采用开环控制方式。
优选地，所述控制参数包括：焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率，焚烧温度是指垃圾废料中的有害物质在高温条件下进行延烧分解，直至变为无害物质所需达到的温度；所述搅拌混合程度就是保证垃圾与空气、助燃剂充分接触，使燃烧更加完全；所述气体停留时间是指高温燃烧状态下垃圾有害物质变为无害物质的时间；所述过剩空气率是实际供给空气量和理论供给空气量的比值，由进料速度以及助燃空气供给速度决定，停留时间和焚烧温度是反比例相关、和混合程度是反比例相关、和过剩空气率是正比例关系。
优选地，所述模糊控制是将误差e和误差变化率ec作为双输入、将焚烧温度控制量作为单输出来构成二维控制器。
优选地，所述二维控制器的控制过程为：对于一个输入量e，首先通过乘以量化因子ke和kec将基本论域e经过量化转化为模拟输入量，其中误差e通道采用14个等级量化，误差变化率采用13个等级量化，将得到的模拟输入量构建查询表，在查询表中找到对应的的E和EC，再乘以量化因子ku，得到焚烧温度输出值。
优选地，所述传统PID控制采用增量式PID控制，以控制参数为参考，进行增量叠加形成PID控制参数，其控制方式为：
Δu(k)＝u(k)-u(k-1)
Δu(k)＝kp(error(k)-error(k-1))+kierror(k)+kd(error(k)-2error(k-1)+error(k-2)) 其中：Δu(k)为输出量；u(k)为当前采集值；u(k-1)为上一次采集值；kp为比例放大系数；ki为积分时间常数；kd微分时间常数；error(k)、error(k-1)、error(k-2)为误差量。
优选地，所述开环控制采用负载干扰量实现干扰值的馈入或经验值的输入，干扰值采用专家量化评估方式给出，在误差变化率超限的情况下，采用人工输入经验值。
优选地，所述专家量化评估方式采用的是区间权重比值法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)通过判据实施不同控制，完善了***对工况变化的适用度；
2)将智能控制器和人工经验完美结合，提高了***稳定度。
本发明融合了模糊控制、前馈补偿和传统PID控制，模糊控制采用二维控制模式，前馈扰动补偿采用专家评估加权控制模式，结合了自动控制和经验控制的优点，更好地实现了垃圾焚烧控制***的稳定性，传统PID采用增量式控制方式。同时，增加了死区设计，更好地保护***稳定工作。
附图说明
图1为本发明的复合控制原理图。
图2为本发明的控制模型。
图3为本发明的控制参数耦合关系。
图4为图1中的模糊控制原理。
图5为图4中的模糊查询表。
图6为图4中的量化因子示意图。
图7为本发明模糊控制方法与传统PID控制方式的比较阶跃图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本实施例中的一种垃圾焚烧复合控制策略，将温度、压差等各型传感器作为感知终端，通过PLC等智能终端按照某种规则对变频器、电调阀等被控对象进行控制，保持稳定工作状态，确保垃圾焚烧充分、有害气体有效抑制。
从图3可知，其控制参数包括：焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率，焚烧温度是指垃圾废料中的有害物质在高温条件下进行延烧分解，直至变为无害物质所需达到的温度，为避免过高温度引起燃料成本增加，而过低温度引发二次污染，一般定为800～1000°，直接影响焚烧效率；搅拌混合程度就是保证垃圾与空气、助燃剂充分接触，是燃烧更加完全，有害物质更少，一般采用流态化控制；停留时间是指高温燃烧状态下垃圾有害物质变为无害物质的时间，受多方因素制约，一般以实际测量值来定标，受燃烧炉几何形状、助燃空气供给率及废气率决定；过剩空气率是实际供给空气量和理论供给空气量的比值，由进料速度以及助燃空气供给速度决定。焚烧温度和停留时间是反比例相关、和混合程度是反比例相关、和过剩空气率是正比例关系，温度高则停留时间短、混合程度低、过剩空气率高；停留时间和焚烧温度是反比例相关、和混合程度是反比例相关、和过剩空气率是正比例关系，停留时间长则温度低、混合程度低、过剩空气率高；过剩空气率和焚烧温度是反比例相关、和停留时间是反比例相关、和混合程度是正比例关系，过剩空气率高则温度低、停留时间短、混合程度高。
从图2、图3可知，垃圾焚烧过程是一个强耦合的多输入多输出非线性***，各环节的运行工况较复杂和动态特性多变，存在惯性、滞后、时变和干扰等不确定性，无法建立精确的数学模型。同时，垃圾本身就是一个复杂成分的被然物，且受化学反应、季节、水分等因素影响较大，为提高运行效率，必须保证其稳定性。
从图1可知，为保证***稳定性，采用了依据判决条件的开环-闭环控制策略，所述判据条件为误差变化率，误差变化率按照实际经验值划分为三个区段，在一定区间内采用模糊控制方式，在误差变化率很大或很小区间内采用传统PID控制方式，在超限情况下采用开环控制方式，实现了不同工艺环节、不同控制对象的智能自动判断和人员检验的有效结合；所述闭环指模糊控制方式和传统PID控制方式，模糊控制方式将误差量和误差变化率作为模糊规则的输入，控制输出作为规则的输出，规则根据经验来构造，实现无需模型的控制，传统PID控制采用增量式控制算法；所述开环控制采用干扰控制引入的方式。
所述模糊控制是将误差e和误差变化率ec作为双输入、将焚烧温度控制量作为单输出来构成二维控制器，如图4，其控制过程为：对于一个实际变化范围为{-x,x}的输入量e，首先通过量化因子ke和kec将基本论域e转化为模拟输入量，其中误差e通道采用14个等级{-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}量化，误差变化率采用13 个等级{-6,-5,-4,-3,-2,-1,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}量化，通过量化将得到上述两个 {...}分别乘以量化因子Ke和Kce取得以相应论域元素表征的查找查询表所需的E和 EC。如图5，按照存入内存的模糊查找表的相应行和列得到一个模糊控制量U，根据论域U按照13个等级{-6,-5,-4,-3,-2,-1,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}进行量化，再乘以比例因子Ku,便是加到被控过程的实际控制量变化值得到一个输出。如图6，隶属函数采用常用三角形型，如图假如输入量实际范围{b,a}，论域范围为{-n,n},一般表述为： e1＝[n-(-n)][e-(a+b)/2]/(b-a)，量化因子为n/(b-a)。
所述增量式PID控制就是采用以温度等参数作为参考，进行增量叠加形成PID控制参数，其控制算法为：
Δu(k)＝u(k)-u(k-1)
Δu(k)＝kp(error(k)-error(k-1))+kierror(k)+kd(error(k)-2error(k-1)+error(k-2))
其中：Δu(k)为输出量；u(k)为当前采集值；u(k-1)为上一次采集值；kp为比例放大系数；ki为积分时间常数；kd微分时间常数；error(k)、error(k-1)、error(k-2) 为误差量。
所述干扰量开环控制是提供两种支持方式，一种是根据经验、依据实际运行干扰分析得到干扰源，并按照专家分析方法得到控制量，将此控制量直接作用于控制对象；另一种方法是在出现异常情况下，提供人工干预通道，操作员直接输入控制量作用于控制对象。所述专家分析方法采用的是区间权重比值法，比如根据经验设定干扰为A1、A2，专家对其进行权重评估为A1-0.6、A2-0.4，而A1干扰取值范围为{X1,X2}、{X3,X4}， A2干扰取值范围为{X5,X6}、{X7,X8}、{X9,X10}，专家对其取值范围进行权重评估为 A1-{X1,X2}-0.4、A2-{X3,X4}-0.6、A2-{X5,X6}-0.1、A2-{X7,X8}-0.3、 A2-{X9,X10}-0.6，在实际中A1范围为{X1,X2}、A2为{X5,X6}，则输出为 A1*0.4*0.6+A2*0.1*0.4。
实例：
如图7，实际阶跃相应表明闭环智能化控制器满足***动态特性要求，对***的稳态性也有帮助；人工经验化开环控制方法，在外界干扰较大情况下明显提高了***响应速度，极大地改善了***的控制性能。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：根据感知终端获取的控制参数的误差变化率作为判决条件，通过模糊控制、传统PID和开环控制的分时控制实现焚烧温度的温度输出。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：将误差变化率作为判据对控制模式进行划分，划分界限采用经验值，在一定范围内采用模糊控制方式，在很大或很小范围内采用传统PID控制方式，在超限情况下采用开环控制方式。
3.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：所述控制参数包括：焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率，焚烧温度是指垃圾废料中的有害物质在高温条件下进行延烧分解，直至变为无害物质所需达到的温度；所述搅拌混合程度就是保证垃圾与空气、助燃剂充分接触，使燃烧更加完全；所述气体停留时间是指高温燃烧状态下垃圾有害物质变为无害物质的时间；所述过剩空气率是实际供给空气量和理论供给空气量的比值，由进料速度以及助燃空气供给速度决定，停留时间和焚烧温度是反比例相关、和混合程度是反比例相关、和过剩空气率是正比例关系。
4.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：所述模糊控制是将误差e和误差变化率ec作为双输入、将焚烧温度控制量作为单输出来构成二维控制器。
5.根据权利要求4所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：所述二维控制器的控制过程为：对于一个输入量e，首先通过乘以量化因子ke和kec将基本论域e经过量化转化为模拟输入量，其中误差e通道采用14个等级量化，误差变化率采用13个等级量化，将得到的模拟输入量构建查询表，在查询表中找到对应的的E和EC，再乘以量化因子ku，得到焚烧温度输出值。
6.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：所述传统PID控制采用增量式PID控制，以控制参数为参考，进行增量叠加形成PID控制参数，其控制方式为：
Δu(k)＝u(k)-u(k-1)
Δu(k)＝kp(error(k)-error(k-1))+kierror(k)+kd(error(k)-2error(k-1)+error(k-2))
其中：Δu(k)为输出量；u(k)为当前采集值；u(k-1)为上一次采集值；kp为比例放大系数；ki为积分时间常数；kd微分时间常数；error(k)、error(k-1)、error(k-2)为误差量。
7.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：所述开环控制采用负载干扰量实现干扰值的馈入或经验值的输入，干扰值采用专家量化评估方式给出，在误差变化率超限的情况下，采用人工输入经验值。
8.根据权利要求7所述的一种垃圾焚烧复合控制方法，其特征在于：所述专家量化评估方式采用的是区间权重比值法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201009 |