濾袋式除塵器溫度控制

叢赫陽 陳長征

摘 要：隨著環(huán)保意識增強，工業(yè)生產(chǎn)中的粉塵控制受到廣泛關(guān)注。濾袋式除塵器的是重要的處理方式之一。文章根據(jù)實際電熔鎂生產(chǎn)為基礎(chǔ)建立濾袋式除塵器的模型，并進行仿真模擬其煙氣溫度控制。通過采用PID和模糊化控制兩種方法對比，結(jié)果顯示PID控制方法在2.5s左右便達到溫度變化的應(yīng)激峰值，模糊化控制方法在4s達到峰值。但是模糊化控制溫度的變化偏差是PID控制方法的一半。仿真結(jié)論為：在真實情況下，模糊化控制方法更加合理。

關(guān)鍵詞：粉塵污染；濾袋式除塵器；PID控制；模糊控制

中圖分類號：TK17 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0134-04

Abstract： With the increasing awareness of environmental protection， dust control in industrial production has been widely concerned. Filter bag filter is one of the most important treatment methods. Based on the actual production of fused magnesium， the model of filter bag dust collector is established， and the temperature control of its flue gas is simulated. By comparing the two methods of PID and fuzzy control， the results show that the PID control method reaches the peak value of temperature change in about 2.5 seconds， and the fuzzy control method reaches the peak value in 4 seconds. But the variation deviation of fuzzy control temperature is half of that of PID control method. The simulation results show that the fuzzy control method is more reasonable in the real situation.

Keywords： dust pollution； filter bag filter； PID control； fuzzy control

前言

當前，隨著我國工業(yè)化進程的加快以及環(huán)境污染的加重，導(dǎo)致霧霾天氣頻頻出現(xiàn)，而霧霾的主要成分就是工業(yè)粉塵，這些粉塵大部分來自工礦企業(yè)所排放的煙塵。目前除塵的主要手段靠靜電除塵和濾袋式除塵，而且濾袋式除塵效率比靜電除塵高得多[1]。電熔鎂生產(chǎn)也是重要的排煙工業(yè)之一。電熔鎂生產(chǎn)的煙塵回收效率低下，而影響回收率的主要因素是除塵系統(tǒng)的處理能力不足。早在1997年King等就對工業(yè)生產(chǎn)中的模糊控制系統(tǒng)做過類似研究[2]。除塵器系統(tǒng)是朝著小型化[3]、智能化[4]的方向發(fā)展，但是國內(nèi)在這個方面的研究比較滯后，谷艷玲等對除塵器的溫度、清灰機制以及壓力等進行研究[5]。為了更加準確的調(diào)節(jié)濾袋式的反饋控制，針對電熔鎂濾袋式除塵系統(tǒng)自動控制中的應(yīng)用研究具有積極的現(xiàn)實應(yīng)用價值。

1 濾袋式除塵器特點

為了模擬仿真出更加接近實際的濾袋式除塵器的氣流流動狀態(tài)，采用合適的網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，使仿真結(jié)果在相同數(shù)據(jù)的情況下不會有顯著的變化。以此基礎(chǔ)出發(fā)設(shè)計的袋式除塵器進風(fēng)箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

假設(shè)氣體從上入分口流進箱體，流經(jīng)箱體內(nèi)豎直的濾袋邊界，右下口為出口邊界條件，其余的邊界條件為箱體邊界。含塵氣體流量Q大約設(shè)置在30000m3/h左右，除塵器的個數(shù)為20個，每個除塵器處理的含塵氣體流量為1500m3/h。現(xiàn)設(shè)定進氣壓力為0.3MPa的情況為例，對此除塵器進風(fēng)箱結(jié)構(gòu)模型進行數(shù)值模擬。

本文設(shè)計的濾袋式除塵器系統(tǒng)中，設(shè)備與管道配置如圖1所示，管道系統(tǒng)配置應(yīng)考慮到風(fēng)氣流通合理性，既不能太過緊湊，也不能太過疏松，需要保證管道布置順直以減小阻力對煙氣溫度變化的影響。

在電熔鎂濾袋式除塵器系統(tǒng)中，需要控制溫度差值比例來達到反饋目的，從而讓系統(tǒng)中被控制對象的溫度維持一個穩(wěn)定的數(shù)值。電熔鎂濾袋式除塵器通過煙氣的溫度與吸入常溫空氣的差值和目標煙氣溫度的比值來控制。因此PID控制方法適用于電熔鎂濾袋式除塵器系統(tǒng)的溫度控制。

2.2 模糊化控制方法

模糊控制器在整個系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用。在電熔鎂濾袋式除塵器中同樣也能起到至關(guān)重要的作用。整個電熔鎂濾袋式除塵系統(tǒng)中的輸入信號為溫差，然后通過電子系統(tǒng)傳輸至模糊控制器中。輸出結(jié)果表現(xiàn)為溫度差調(diào)節(jié)，最終達到理想的控制結(jié)果。實現(xiàn)方式如下圖：

通過圖3可知，電熔鎂濾袋式除塵系統(tǒng)中模糊控制器通過三部分完成工作。并且三個部分相互影響，輸入信號與輸出信號相互反饋調(diào)節(jié)，經(jīng)過調(diào)節(jié)后而達到最佳控制輸出。

3 PID控制方法和模糊化控制方法在濾袋式除塵器中的運用

在這個溫度控制系統(tǒng)里，把粉塵流體溫度降低到除塵器除塵效率最佳范圍是重點，在電熔鎂粉塵流過管道的時候，通過混風(fēng)閥向管道內(nèi)部混入自然冷風(fēng)來給400℃（假定值）的粉塵流體來降溫，并使粉塵溫度達到布袋除塵器所能接受的范圍。對于這個變量多而復(fù)雜的系統(tǒng)，雖然沒有精確的數(shù)學(xué)模型，但是根據(jù)實際經(jīng)驗，可以得到粉塵溫度的變化趨勢：增大混風(fēng)閥流量，粉塵溫度降低的快，減小混風(fēng)閥流量，粉塵溫度降低的慢；同時，冷的空氣流體和粉塵流體在管帶內(nèi)部達到充分混合需要一定的時間，因此造成粉塵溫度變化滯后。該溫度控制系統(tǒng)是非線性、多參數(shù)、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，對于本文所研究的電熔鎂粉塵流體來講，粉塵流量大，表現(xiàn)出一定的慣性，因此有慣性滯后環(huán)節(jié)，本文中用一階慣性和一個延遲環(huán)節(jié)來近似電熔鎂粉塵流體溫度變化的傳遞函數(shù)：

糊控制方法的本質(zhì)是根據(jù)不同的語言變量構(gòu)成的約束條件，把目標變量約束在一定范圍里面。其中約束條件在模糊控制系統(tǒng)中為隸屬函數(shù)（表示某個被控對象具有的模糊性質(zhì)或者表示某個被控對象的模糊概念程度），被約束的范圍叫做論域。一般而言，模糊化控制根據(jù)經(jīng)驗來選擇語言變量的。模擬時需要對其設(shè)定模糊子集，并利用確定的隸屬函數(shù)計算個量化等級在對應(yīng)的模糊子集上的隸屬度。

濾袋式除塵器煙氣溫度模糊控制的最終目的是將煙氣溫度維持在最佳工作范圍內(nèi)，而煙氣溫度偏差變化率又能夠很好地反映系統(tǒng)中的煙氣溫度變化情況，從而在整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)中能夠更好地反映調(diào)節(jié)效果。因此煙氣溫度偏差也是該系統(tǒng)中的重要輸入?yún)?shù)之一。影響煙氣溫度的關(guān)鍵因素是冷卻氣體量，具體到實際運用中就是混風(fēng)閥開度。

本系統(tǒng)采用溫度偏差量E、溫度偏差變化率EC作為輸入；混風(fēng)閥閥門開度U作為輸出。其中溫度偏差（E）：溫度給定值設(shè)為T0，溫度偏差定義為E（t）=T（t）-T0。溫度偏差的變化率（EC）：溫度偏差的變化為溫度偏差對時間的微分?；祜L(fēng)閥開度（U）：混風(fēng)閥開度的基本論域為[0°，90°]。

（1）溫差E的隸屬函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)溫差E的論域為E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，預(yù)設(shè)合適的控制精度要求，采用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個模糊量來描述。

（2）溫差變化率EC的隸屬函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)溫差變化率EC的論域為EC={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}采用NB，NS，0，PS，PB五個模糊量來描述。

（3）輸出變量U的隸屬函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)輸出變量U基本論域為[0，1]，論域為U={0，1，2，3，4，5}，用NB，NS，O，PS，PB五個模糊量來述。

此外，經(jīng)模糊控制算法輸出的控制量，不能直接控制對象，必須根據(jù)基本論域中的相應(yīng)范圍將輸出的控制對象轉(zhuǎn)化。不同量化因子對模糊控制器有較大的影響。

對上述控制規(guī)則表中的每條控制語句，都可用一個模糊量來表示。至此，就可以根據(jù)采樣得到的兩輸入量E和T以及另一輸入量溫度變化率EC，計算出相應(yīng)的控制量U，對所有的E、T中元素的所有組合全部計算出相應(yīng)的控制量變化值，形成一個矩陣形式的控制查詢表（見表1）及其規(guī)則表面圖（如圖5所示）。

電熔鎂濾袋式除塵器溫度模糊控制系統(tǒng)是依據(jù)以上控制規(guī)則，按照語言變量的控制范圍和程度來控制這個復(fù)雜系統(tǒng)，對于模糊溫度控制方法還沿用同樣的經(jīng)驗性電熔鎂粉塵流體溫度變化的傳遞函數(shù)。同時在仿真中加入階躍信號作為系統(tǒng)的外部擾動。模糊控制方法來控制濾袋中煙氣溫度的流程圖如圖6所示。

為了確定控制方法的時效性，先假設(shè)從理想狀態(tài)出發(fā)，模擬從200℃的煙氣溫度瞬間升高至400℃的階躍函數(shù)狀態(tài)下控制其溫度變化。根據(jù)PID控制和模糊化控制方法研究溫度變化的結(jié)果，就兩種方法優(yōu)劣進行分析。圖7（a）中不同的線分別表示的是PID、模糊化控制階躍的仿真結(jié)果。PID控制方法在2s內(nèi)便達到了應(yīng)激溫度，2.5s左右便達到應(yīng)激峰值，并且在12s左右把溫度維持在400℃左右的。模糊化控制方法在2.5s左右達到了目標溫度，在4s左右達到應(yīng)激峰值，并且在15s左右維持溫度穩(wěn)定。PID控制方法應(yīng)激反應(yīng)迅速，模糊化控制方法控制的溫度變化幅度的波動較小。

現(xiàn)實溫度變化情況是非線性、時變性的。因此有必要對更加復(fù)雜的變化情況進行模擬。根據(jù)以上確定的傳遞函數(shù)模擬進行仿真計算。如圖7（b）所示，信號源溫度在不停地上升時，PID方法控制反應(yīng)激勵溫度迅速追趕信號源溫度，并且快速超過了信號源溫度。然后以更快的速度下降去貼合信號源溫度。PID控制方法來控制系統(tǒng)溫度的波動迅速，反應(yīng)靈敏。而模糊化方法顯得反應(yīng)速度較平緩。這是因為PID控制方法反饋的信號為溫度差值比例，這是一個直接的信號輸入，結(jié)果顯而易見，系統(tǒng)對此信號就能夠做出迅速的調(diào)節(jié)反饋。而模糊化控制方法輸入的信號是溫差，系統(tǒng)通過對論域范圍中的語句參數(shù)進行比對，做出更加合適的反饋結(jié)果來，因此顯得系統(tǒng)反應(yīng)遲緩。

從圖7（b）對比來看，PID控制方法控制的溫度變化要比模糊化控制方法要激烈，溫度應(yīng)激峰值超出目標溫度的范圍更為明顯，是模糊化控制方法的2倍左右。這是因為PID方法對溫度差值比例的信號迅速做出反饋調(diào)節(jié)，而模糊化控制方法會找到一個合適的反饋調(diào)節(jié)讓系統(tǒng)做出反饋。由于算法的原因，更加細化論域范圍可以得到改善，但是更加細化的論域會增加系統(tǒng)計算量。因此在控制方面，合理的模糊化控制方法對溫度變化的調(diào)節(jié)更加有效。

4 結(jié)束語

本文概述了電熔鎂濾袋式除塵器系統(tǒng)中的煙氣溫度控制模型。根據(jù)除塵相關(guān)知識和經(jīng)驗，結(jié)合相關(guān)除塵系統(tǒng)檢測與控制，設(shè)計出了電熔鎂煙氣除塵器煙氣溫度模糊控制器。采用了PID和模糊化控制方法進行對比，對系統(tǒng)中輸入單信號階躍函數(shù)激勵和模擬真實信號輸入。通過對比兩種控制方法的結(jié)果，并且根據(jù)實際情況得出合理的模糊化控制溫度的方法對該系統(tǒng)更加有效。

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