基于模糊控制的热风炉燃烧控制系统

摘要：针对热风炉燃烧系统的复杂性、非线性、参数的不确定性和我国热风炉燃烧控制系统的现状，分析了拱顶温度、空燃比、煤气流量这三者的关系，开发了基于模糊控制的热风炉燃烧控制系统模型。仿真结果表明，该系统确实比传统控制系统使燃烧过程更加稳定，提高了热交换效率。
关键词：热风炉；燃烧；模糊控制；空燃比

0 引言
热风炉是高炉冶炼过程中重要的热交换设备。建立热风炉燃烧控制模型的目标是实现燃烧过程的自动控制，其核心是优化空燃比和煤气流量的实时调整，保证燃烧过程的高效、节能、稳定，延长热风炉使用寿命。
目前，我国绝大多数热风炉的燃烧控制主要还是采用手动控制，煤气流量和空气流量的大小由人工凭经验手动调节，因此，供热温度波动较大，对热风炉的寿命也有很大影响，并造成煤气的巨大浪费。国内外热风炉的空燃比控制主要有传统控制方法、数学模型方法、人工智能方法。传统控制方法主要有比例极值调节法和烟气氧含量串级比例控制法，但是由于不能及时改变空燃比，不易实现热风炉的最佳燃烧，且测氧仪器成本高、难以维护，因此，实际使用效果不太理想；数学模型法能将换炉、送风结合为一体，实现全闭环自动控制，但由于检测点多，在生产条件不够稳定、装备水平较低的热风炉中不易实现；人工智能方法主要有神经网络和模糊控制，神经网络控制对热风炉燃烧过程有极强的自学习能力，但抗干扰能力较弱，而模糊控制不需数学模型，有较强的抗干扰能力且易于实现，因此尤其适用于热风炉这类难以确切描述的非线性系统。

1 热风炉燃烧控制系统
1．1 热风炉的燃烧过程
燃烧过程对应着蓄热室的蓄热过程，它分为加热期和拱顶温度管理期。在加热期，蓄热室拱顶的温度很低，废气的热量大部分被拱顶吸收，拱项的温度上升迅速，蓄热室中下部温度则上升缓慢。当拱顶温度上升到一定值后，需要保持拱顶温度维持在这个定值，此时拱顶几乎不再吸收废气的热量，而废气的热量主要被蓄热室中下部所吸收。从废气管道排出的废气，它的温度比较低时，说明热风炉的热交换效率比较高，反之，热交换效率比较低。因此，在拱项温度达到一定值后，合理控制废气的温度上升速率对热风炉的燃烧显得尤其重要。
1．2 热风炉燃烧控制的基本思想
加热期拱顶温度的上升速率和进入拱顶温度管理期废气温度的上升速率，主要取决于燃烧过程的空燃比和煤气流量，同时还受煤气、空气质量和压力波动的影响。因此，实现热风炉燃烧过程自动控制的关键是随着煤气、空气压力和质量的波动及热风炉燃烧状态的变化对煤气
流量和空气流量进行实时调整，空气流量的调整可以转化为对空燃比的调整。故在加热期，可以最大空气流量进行加热，据此来调整合适的煤气流量或者以最大煤气流量进行加热，并调整合适的空燃比，迅速提高拱顶温度；到达拱顶温度管理期，适当减小煤气流量，并调整合适的空燃比，保证拱顶温度不变的情况下，提高废气的升温速率。热风炉燃烧控制系统结构如图1所示。

利用状态辨识器可以判断热风炉是处于加热期还是拱顶温度管理期，并且跟踪判断废气的温度是否达到设定值，以此选择不同燃烧阶段的模糊控制器(FC)。