一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法及系統的制作方法

一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法及系統，所述方法包括：接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算檢測輸入量與給定值之間的偏差以及所述偏差的變化率以作為模糊控制的輸入變量；將輸入變量模糊化為模糊輸入量，基于模糊輸入量進行模糊推理和決策以得到模糊輸出量，并將模糊輸出量解模糊化為控制輸出量；將控制輸出量輸出至焚燒爐的對應部件控制器以控制焚燒爐的對應部件的運行，其中，檢測輸入量包括鍋爐蒸汽負荷，與鍋爐蒸汽負荷相對應的控制輸出量為鍋爐蒸汽流量給定數據。根據本發明，采用模糊控制策略通過對鍋爐蒸汽負荷的控制實現對垃圾的給料和燃燒的自動控制。
【專利說明】
-種用于焚燒妒的自動燃燒模糊控制方法及系統
技術領域
[0001] 本發明設及垃圾等廢物的焚燒，具體而言設及一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控 制方法及系統。
【背景技術】
[0002] 我國經濟發展及城市化進程使得城市生活垃圾量大幅增加，垃圾焚燒發電是將垃 圾無害化、減量化、資源化處置的有效途徑，垃圾焚燒處理不僅能取到環保效果，同時垃圾 焚燒的余熱可產生蒸汽用于發電、供熱，節約能源，是較好的資源回收利用方式。
[0003] 在垃圾焚燒的自動控制中，焚燒爐的燃燒控制的好壞直接影響焚燒爐的運行狀況 和蒸汽產量，進而影響環保排放指標、發電機組的發電量等。然而，傳統的控制方法和控制 器的設計通常需要建立在被控對象準確控制的數學模型的基礎上。垃圾焚燒爐自動燃燒控 制系統是一個參數多變、變量眾多、變量之間強禪合系統，該控制系統的控制變量包括鍋爐 蒸汽負荷、爐膛溫度、煙氣氧量、熱灼減率等，其中，鍋爐蒸汽負荷、爐膛溫度、煙氣氧量3個 變量之間有很強的禪合特點，煙氣氧量會引起爐膛溫度的變化，爐膛溫度會影響鍋爐蒸汽 負荷，并且，運些變量的響應時間也有很大差異，鍋爐蒸汽負荷和熱灼減率是一個大滯后變 量，爐膛溫度和煙氣氧量是可W快速響應的變量，由此不易得出用于準確控制的精確數學 模型，為垃圾焚燒爐內垃圾的燃燒控制帶來很大困難。

【發明內容】

[0004] 針對現有技術的不足，本發明提供一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法，所 述自動燃燒模糊控制方法包括：
[0005] 接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算所述檢測輸入量與給定值之間的偏差W 及所述偏差的變化率W作為模糊控制的輸入變量；
[0006] 將所述輸入變量模糊化為模糊輸入量，基于所述模糊輸入量進行模糊推理和決策 W得到模糊輸出量，并將所述模糊輸出量解模糊化為控制輸出量；
[0007] 將所述控制輸出量輸出至所述焚燒爐的對應部件控制器W控制所述焚燒爐的對 應部件的運行，
[0008] 其中，所述檢測輸入量包括鍋爐蒸汽負荷，與所述鍋爐蒸汽負荷相對應的控制輸 出量為鍋爐蒸汽流量給定數據。
[0009] 在一個示例中，所述將所述輸入變量模糊化為模糊輸入量包括將所述輸入變量映 射變換到離散的輸入論域。
[0010] 在一個示例中，所述輸入變量按照下式進行量化：
[0011]
[0012] 其中，X表示所述輸入變量，Y表示量化后的輸入變量，a表示所述輸入變量的下限， b表示所述輸入變量的上限，n表示量化等級。
[0013] 在一個示例中，所述解模糊化按照下式進行：
[0014]
[001引其中，X表示所述模糊輸出量，Y表示所述控制輸出量，a表示所述模糊輸出量的下 限，b表示所述模糊輸出量的上限，n表示量化等級。
[0016] 在一個示例中，所述輸入變量對應的輸入論域設置為4,所述模糊輸出量對應的輸 出論域設置為6。
[0017] 在一個示例中，所述模糊輸入量的語言值模糊子集為[負大（NB),負小（NS),零 (0)，正小(PS)，正大(PB)]。
[0018] 在一個示例中，所述模糊輸出量的語言值模糊子集為[負大(NB),負中（醒），負小 (NS)，零(0)，正小(PS)，正中（PM),正大(PB)]。
[0019] 在一個示例中，所述模糊輸入量的語言值模糊子集的隸屬函數為簡單的正態函 數，函數類型采用高斯型。
[0020] 在一個示例中，所述鍋爐蒸汽負荷的給定值為42.7t/h，所述鍋爐蒸汽負荷的偏差 范圍為[-10%，10%]，所述鍋爐蒸汽負荷的偏差變化率范圍為[-3%，3%]，給料爐排速度 變化范圍為[-0.3，0.3]，對鍋爐蒸汽流量過程值進行濾波，1分鐘濾波1次，10分鐘濾波10 次，控制器的采樣周期為1分鐘。
[0021 ]本發明還提供一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制系統，所述自動燃燒模糊控制 系統包括：
[0022] 輸入模塊，用于接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算所述檢測輸入量與給定 值之間的偏差W及所述偏差的變化率W作為模糊控制的輸入變量；
[0023] 處理模塊，用于將所述輸入變量模糊化為模糊輸入量，基于所述模糊輸入量進行 模糊推理和決策W得到模糊輸出量，并將所述模糊輸出量解模糊化為控制輸出量；
[0024] 輸出模塊，用于將所述控制輸出量輸出至所述焚燒爐的對應部件控制器W控制所 述焚燒爐的對應部件的運行，
[0025] 其中，所述檢測輸入量包括鍋爐蒸汽負荷，與所述鍋爐蒸汽負荷相對應的控制輸 出量為鍋爐蒸汽流量給定數據。
[0026] 根據本發明，采用模糊控制策略通過對鍋爐蒸汽負荷的控制實現對垃圾的給料和 燃燒的自動控制，能夠解決垃圾焚燒過程中控制系統結構快速變化、多變量、大延時的復雜 控制問題，同時減少了運行人員對生產的頻繁干預，保證燃燒過程的穩定性。
【附圖說明】
[0027] 本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發 明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。
[002引附圖中：
[0029] 圖1示出了根據本發明實施例的用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法的流程圖；
[0030] 圖2示出了根據本發明實施例的用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法應用于示例 性場景時的信號數據流圖；
[0031] 圖3示出了根據本發明實施例的用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制系統的結構框 圖。
【具體實施方式】
[0032] 在下文的描述中，給出了大量具體的細節W便提供對本發明更為徹底的理解。然 而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可W無需一個或多個運些細節而得W 實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進 行描述。
[0033] 為了徹底了解本發明，將在下列的描述中提出詳細的方法步驟和/或結構。顯然， 本發明的施行并不限定于本領域的技術人員所熟悉的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細 描述如下，然而除了運些詳細描述外，本發明還可W具有其他實施方式。
[0034] 應當理解的是，本發明能夠W不同形式實施，而不應當解釋為局限于運里提出的 實施例。相反地，提供運些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發明的范圍完全地傳遞給 本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸W及相對尺寸可能被夸大。自始至終 相同附圖標記表示相同的元件。
[003引應當理解的是，當在本說明書中使用術語"包含"和/或"包括"時，其指明存在所述 特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特征、整體、 步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。單數形式的"一"、"一個"和"所述/該"也意圖包括 復數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。
[0036] 在垃圾焚燒過程中，最能夠體現運種燃燒關系的是鍋爐蒸汽負荷與垃圾給料量運 2個參數，因此，通過建立鍋爐蒸汽負荷與垃圾給料量之間的動力學模來對整個燃燒過程進 行描述。
[0037] 鍋爐正常燃燒需要的熱量可W由下式得出：
[003引 化=Ki X (Qf廣Qfo)+Ko X^o (1-1)
[0039] 其中，化為燃燒中被鍋爐有效利用的熱量，單位KJ;Qfi為實際的鍋爐蒸汽流量，單 位t/h;化0為初始時刻的鍋爐蒸汽流量，單位t/h;Ki為蒸汽變化的比熱;Ko為從0度升到額定 溫度壓力的比熱。
[0040] 垃圾燃燒釋放的熱量可W由下式得出：
[0041] 化=ruXri2XWXCwasterX 1000X4.1868 (1-2)
[0042] 其中，Q2為燃燒中釋放的總熱量，單位KJ;W為垃圾給料量，單位kg;Cwaster為垃圾單 位熱值，單位KcalAg;化為鍋爐熱效率;也為垃圾的燃燒效率。
[0043] 根據燃燒熱平衡原理，化=Qi,由此得到焚燒爐燃燒的動力學模型：
[0044] Ki X (Qf廣化〇)+KoX化O = TU Xri2 XWXCwaster X 1000 X4.1868 (1-3)
[0045] 垃圾焚燒是一個化學過程，需要一定的燃燒時間才能將熱量釋放出來，所W需要 延時T秒，動力學模型（1-3)需要增加一個延時環節。修改之后的動力學模型為：
[0046] Ki X (化廣化0) +Ko X 化0 = TU X 也 X W (t-T) X Cwaster X1000X4.1868 (1-4)
[0047] 燃燒過程的微分方程為：
[004引
（1-5)
[0049]變換之后的方程為：
[OO 加 ]Ki X S X 化（S) +Ko X 化（S) = ru X ri2 X W( S) X e-TXsCwaster X1000X4.1868 (1-6)
[0051]簡化之后的傳遞函數為：
[0化2]
(I-7)
[0053] 由傳遞函數（1-7)可知，控制鍋爐蒸汽負荷化(S)就可W控制垃圾給料量W(S)。由 此，本發明提供一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法，圖1示出了根據本發明實施例的 用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法的流程圖。如圖1所示，用于焚燒爐的自動燃燒模糊控 制方法包括如下步驟：
[0054] 步驟101:接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算檢測輸入量與給定值之間的偏 差W及該偏差的變化率W作為模糊控制的輸入變量。
[0055] 其中，可W基于對垃圾焚燒的具體參數的控制需求來設置所需檢測的輸入參數及 相對應的檢測裝置。例如，在本發明的一個示例中，需要對鍋爐蒸汽負荷進行控制，那么可 W設置相應的傳感器來檢測鍋爐蒸汽負荷，例如鍋爐蒸汽流量。
[0056] 在計算檢測輸入量與給定值之間的偏差(或稱為誤差化W及該偏差的變化率(或 稱為誤差變換率)DE時，可W將所檢測到的鍋爐蒸汽負荷的實際值(也稱為過程值)與其對 應的給定值相比較得到偏差信號，并對偏差信號進行微分W得到偏差的變化率。模糊控制 可WW上述偏差和偏差變化率作為輸入變量。
[0057] 步驟102:將輸入變量模糊化為模糊輸入量，基于模糊輸入量進行模糊推理和決策 W得到模糊輸出量，并將模糊輸出量解模糊化為控制輸出量。
[0058] 具體地，可W將輸入變量映射變換到離散的輸入論域上，W得到模糊輸入量。繼續 上面的示例，設鍋爐蒸汽負荷的給定值為42.7t/h，鍋爐蒸汽負荷的偏差范圍為[-10%, 10%]，鍋爐蒸汽負荷的偏差變化率范圍為[-3% ,3% ]，根據工藝給料爐排速度變化范圍為 [-0.3,0.3]。對鍋爐蒸汽流量過程值必須進行濾波，1分鐘濾波1次，10分鐘濾波10次。控制 器的采樣周期為1分鐘。
[0059] 在本發明的一個示例中，輸入變量可W按照式(2-1)進行量化：
[0060]
怯:_1 )
[0061] 其中，在式(2-1)中，X表示輸入變量，Y表示量化后的輸入變量，a表示輸入變量的 下限，b表示輸入變量的上限，n表示量化等級。
[0062] 由于控制系統對鍋爐蒸汽流量控制進度的精度要求不高，在一個示例中，對于輸 入變量論域設置為4,變量語言值的模糊子集可W為[NB, NS, 0，PS，PB]，就可W滿足要求。在 一個示例中，對于輸出變量，為了防止系統震蕩，輸出變量論域設置為6,變量語言值的模糊 子集可W為[NB,醒，NS，0，PS，PM，PB]，其中，NB表示負大，醒表示負中，NS表示負小，0表示 零，PS表示正小，PM表示正中，PR親示市女。對于輸入變量的隸屬函數采用較為簡單的正態 函數，函數類型采用高斯型
其中，PB的隸屬函數為
PM的隸屬函數



； 0的隸屬函數） 醒的隸屬函數女 NB的隸屬函數為 > ' >
[0063] 根據本發明的一個實施例，模糊策略庫的設計可W為如下：
[0064] 如果偏差為正大，則輸出為負大；
[0065] 如果偏差為正小，則輸出為負大；
[0066] 如果偏差為零并且偏差變化率為正大，則輸出為負中；
[0067] 如果偏差為零并且偏差變化率為負大，則輸出為零；
[0068] 如果偏差為負大，則輸出為正大；
[0069] ……
[0070] 根據模糊語言值的隸屬函數W及模糊策略庫，可W得到模糊關系；基于模糊輸入 量和模糊關系，可W得到模糊輸出量;模糊輸出量經過解模糊化可W得到最終的控制輸出 量。
[0071 ]在本發明的一個示例中，對模糊輸出量的解模糊化可W按照式(2-2)進行：
[007^
(2:-2:)
[0073] 其中，在式(2-2)中，X表示模糊輸出量，Y表示控制輸出量，a表示模糊輸出量的下 限，b表示模糊輸出量的上限，n表示量化等級。
[0074] 步驟103:將控制輸出量輸出至焚燒爐的對應部件控制器W控制焚燒爐的對應部 件的運行。繼續上面的示例，當檢測輸入量為鍋爐蒸汽負荷時，對應的控制輸出量為鍋爐蒸 汽流量給定數據。
[0075] 該鍋爐蒸汽流量給定數據被分別發送至（負荷、熱值、垃圾量)計算模塊1、（負荷、 熱值、垃圾量)計算模塊2、鍋爐負荷控制器和（負荷、熱值、燃燒風)計算模塊。（負荷、熱值、 垃圾量)計算模塊1根據垃圾熱值設定值和鍋爐蒸汽流量給定數據得出垃圾設定需求量，鍋 爐負荷控制器根據鍋爐蒸汽流量給定數據和垃圾設定需求量輸出垃圾需求量數據，（負荷、 熱值、垃圾量)計算模塊2根據垃圾需求量數據和鍋爐蒸汽流量給定數據得出垃圾實際熱 值，該垃圾實際熱值用于確定焚燒段垃圾基準速度，進而通過焚燒爐排垃圾厚度控制器控 制干燥段垃圾速度、燃燒段垃圾速度和燃盡段垃圾速度。（負荷、熱值、燃燒風)計算模塊根 據垃圾需求量數據和鍋爐蒸汽流量給定數據得出燃燒風總需求量，一次風分配模塊根據燃 燒風總需求量和鍋爐負荷控制器輸出的一次風流量給定數據控制干燥段需求風量、燃燒段 需求風量和燃盡段需求風量。通過垃圾密度設定值和鍋爐負荷控制器輸出的垃圾需求量數 據可W確定給料段垃圾基準速度，進而控制推料器的速度。圖2示出了根據本發明實施例的 自動燃燒模糊控制方法應用于上述示例時的信號數據流圖，可W結合圖2來理解上述方法 的原理及過程。
[0076] 根據本發明另一方面，還提供一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制系統，圖3示出 了根據本發明實施例的用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制系統300的結構框圖。如圖3所示， 用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制系統300包括輸入模塊301、處理模塊302和輸出模塊303。
[0077] 其中，輸入模塊301用于接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算檢測輸入量與給 定值之間的偏差W及偏差的變化率W作為模糊控制的輸入變量。處理模塊302用于將輸入 變量模糊化為模糊輸入量，基于模糊輸入量進行模糊推理和決策W得到模糊輸出量，并將 模糊輸出量解模糊化為控制輸出量。輸出模塊303用于將控制輸出量輸出至焚燒爐的對應 部件控制器W控制焚燒爐的對應部件的運行。其中，檢測輸入量包括鍋爐蒸汽負荷，與鍋爐 蒸汽負荷相對應的控制輸出量為鍋爐蒸汽流量給定數據，可W參考結合圖1描述的實施例 理解每個模塊操作的具體過程，此處不再寶述。
[0078] 本發明實施例的各個模塊可W W硬件實現，或者W在一個或者多個處理器上運行 的軟件模塊實現，或者W它們的組合實現。本領域的技術人員應當理解，可W在實踐中使用 微處理器或者數字信號處理器(DSP)來實現根據本發明實施例的用于焚燒爐的自動燃燒模 糊控制系統中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本發明還可W實現為用于執行運 里所描述的方法的一部分或者全部的設備或者裝置程序(例如，計算機程序和計算機程序 產品）。運樣的實現本發明的程序可W存儲在計算機可讀介質上，或者可W具有一個或者多 個信號的形式。運樣的信號可W從因特網網站上下載得到，或者在存儲載體上提供，或者W 任何其他形式提供。
[0079] 上述用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法及系統采用模糊控制策略通過對鍋爐 蒸汽負荷的控制實現對垃圾的給料和燃燒的自動控制，能夠解決垃圾焚燒過程中控制系統 結構快速變化、多變量、大延時的復雜控制問題，同時減少了運行人員對生產的頻繁干預， 保證燃燒過程的穩定性。
[0080] 本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于 舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人 員可W理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可W做出更多種的 變型和修改，運些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍W內。本發明的保護范圍由 附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【主權項】
1. 一種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述自動燃燒模糊控制方 法包括： 接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算所述檢測輸入量與給定值之間的偏差以及所 述偏差的變化率以作為模糊控制的輸入變量； 將所述輸入變量模糊化為模糊輸入量，基于所述模糊輸入量進行模糊推理和決策以得 到模糊輸出量，并將所述模糊輸出量解模糊化為控制輸出量； 將所述控制輸出量輸出至所述焚燒爐的對應部件控制器以控制所述焚燒爐的對應部 件的運行， 其中，所述檢測輸入量包括鍋爐蒸汽負荷，與所述鍋爐蒸汽負荷相對應的控制輸出量 為鍋爐蒸汽流量給定數據。2. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述將所述輸入變量模 糊化為模糊輸入量包括將所述輸入變量映射變換到離散的輸入論域。3. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述輸入變量按照下式 進行看·仆,.其中，X表示所述輸入變量，Y表示量化后的輸入變量，a表示所述輸入變量的下限，b表 示所述輸入變量的上限，η表示量化等級。4. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述解模糊化按照下式 進行：其中，X表示所述模糊輸出量，Y表示所述控制輸出量，a表示所述模糊輸出量的下限，b 表示所述模糊輸出量的上限，η表示量化等級。5. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述輸入變量對應的輸 入論域設置為4，所述模糊輸出量對應的輸出論域設置為6。6. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述模糊輸入量的語言 值模糊子集為[負大(NB)，負小(NS)，零(O)，正小(PS)，正大(PB)]。7. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述模糊輸出量的語言 值模糊子集為[負大(NB)，負中（NM)，負小(NS)，零(0)，正小(PS)，正中（PM)，正大(PB)]。8. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述模糊輸入量的語言 值模糊子集的隸屬函數為簡單的正態函數，函數類型采用高斯型。9. 根據權利要求1所述的自動燃燒模糊控制方法，其特征在于，所述鍋爐蒸汽負荷的給 定值為42.7t/h，所述鍋爐蒸汽負荷的偏差范圍為[-10%，10%]，所述鍋爐蒸汽負荷的偏差 變化率范圍為[-3 %，3 % ]，給料爐排速度變化范圍為[-0.3，0.3 ]，對鍋爐蒸汽流量過程值 進行濾波，1分鐘濾波1次，10分鐘濾波10次，控制器的采樣周期為1分鐘。10. -種用于焚燒爐的自動燃燒模糊控制系統，其特征在于，所述自動燃燒模糊控制系 統包括： 輸入模塊，用于接收檢測裝置發送的檢測輸入量，并計算所述檢測輸入量與給定值之 間的偏差以及所述偏差的變化率以作為模糊控制的輸入變量； 處理模塊，用于將所述輸入變量模糊化為模糊輸入量，基于所述模糊輸入量進行模糊 推理和決策以得到模糊輸出量，并將所述模糊輸出量解模糊化為控制輸出量； 輸出模塊，用于將所述控制輸出量輸出至所述焚燒爐的對應部件控制器以控制所述焚 燒爐的對應部件的運行， 其中，所述檢測輸入量包括鍋爐蒸汽負荷，與所述鍋爐蒸汽負荷相對應的控制輸出量 為鍋爐蒸汽流量給定數據。
【文檔編號】F23G5/50GK106016295SQ201610448965
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】王健生, 蔡曙光, 陳濤, 黃明生, 胡建民, 邵哲如, 朱亮, 張二威, 錢中華, 洪益州, 曹偉, 楊應永, 高秀榮
【申請人】光大環保技術研究院（深圳）有限公司