基于Fuzzy-PID控制水泥窑垃圾焚烧系统设计

刘娟，项萌，胡徐胜，夏兴国，张奇

(1.马鞍山职业技术学院，安徽马鞍山243031;2.中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山243000;

3.河海大学文天学院，安徽马鞍山243031)



基于Fuzzy-PID控制水泥窑垃圾焚烧系统设计

刘娟1，项萌2，胡徐胜3，夏兴国1，张奇1

(1.马鞍山职业技术学院，安徽马鞍山243031;2.中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山243000;

3.河海大学文天学院，安徽马鞍山243031)

摘要：目前，垃圾焚烧温度控制一般采用传统PID控制，其中的积分环节在短时间内系统输出会有较大偏差，最终可能会引起系统较大的超调，控制效果不理想。为了避免传统PID控制的缺点，采用Fuzzy-PID控制，对水泥窑垃圾焚烧系统进行温度控制，以达到提升温度控制性能的效果，避免或尽量避免二英的产生。

关键词：垃圾焚烧；模糊PID；温度控制

随着经济水平的迅速提高，城市生活垃圾越来越多，如何处理城市生活垃圾也就成为亟需解决的问题。由于每个城市的经济水平、能源结构、自然条件及传统习惯有所不同，城市垃圾成分就比较复杂，所以对城市垃圾的处理方法也不尽相同，但最终都是向无害化、资源化、减量化方向发展[1]。

1常用垃圾处理方案比较

目前，国内外对城市生活垃圾的处理方法主要有卫生填埋、高温堆肥和焚烧等，通常将这几种方法综合在一起使用，因城市的自然环境、垃圾成分、经济发展程度的不同而有所差异[2]。

1.1填埋法

开挖深海或良田或围筑山谷，或利用废井填入垃圾后复盖土层，国内大多数城市都采用此法处理。然而，由于此方法所产生的渗滤液和废气会造成严重的二次污染[3]和要占用大量宝贵的土地资源以及处理费用大等原因而逐渐被淘汰。

1.2垃圾堆肥法

堆肥法是处理与利用垃圾的一种方法，在早期的中国农业活动中，垃圾堆肥技术已经有所应用[4]。由于垃圾中有久埋不腐的有害物和酸碱类物质，有害于土壤，不利于农作物生长，且肥效低，所以此法应用有限。

1.3普通垃圾焚烧

将垃圾一次性焚烧是垃圾减量最快的方法，大型的垃圾焚烧项目配有热能回收与利用装置，符合回收能源的要求，逐渐成为焚烧处理的主流方式[5]。由于我国垃圾水分大，故存在垃圾处理不彻底、易产生二次污染、投资大等问题。

1.4水泥回转窑垃圾焚烧

由于自动化技术的发展，各类新型焚烧装置已经做到了高效、节能、低造价、低污染[6]，其中水泥回转窑垃圾焚烧技术已经在国内多个城市投产运行，效果显著。

2方案选择

综上所述，考虑到处理成本、节能减排，以及最大限度地发挥社会价值和利用垃圾价值，本研究选用利用水泥窑协同处置法处理城市垃圾。

3Fuzzy-PID控制器的设计

本设计主要控制对象为掺入垃圾后的水泥窑焚烧温度，控制策略为调整风、煤、垃圾量。模糊PID参数自整定与控制偏差e(当前焚烧温度和理想控制温度的偏差)和偏差的变化率ec密切相关。运行过程中，控制器连续不断地检测偏差e和偏差的变化率ec，通过模糊规则更新参数KP、KI、KD，对e和ec进行修改，以满足水泥窑垃圾焚烧过程中复杂的动态特性[8]。模糊PID控制系统的结构原理图如图1所示，图中e和ec为控制系统的输入，KP、KI、KD是系统的输出，通过对KP、KI、KD的调整，进而通过阀门与伺服电机调整风、煤、垃圾量。

图1　模糊PID控制系统的结构原理图

3.1模糊PID隶属函数

分析图1 后，确定PID控制器的输入为e、ec，输出为KP、KI、KD，用模糊化的语言描述变量中子集的隶属情况，定义e、ec的子集均为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，表示为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；KP、KI和KD的子集也为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，它们的论域都是[-6，-4，-2，0，2，4，6]，在垃圾焚烧的过程中将温度控制在900 ℃附近，偏差在±50 ℃之间。

3.2参数的自整定原则

模糊规则的制定，是生成输出量的关键，参数自整定依赖一定的原则，目的在于偏差处于中等数值时应取较大的KP和KI，使系统具有较好的稳态性，KD的取值要和ec联系起来取适当的值，避免系统在平衡点附件产生振荡。在系统的起始阶段，误差很大。此时应该采用较大的KP，但是KD、KI要小一些，这样的好处在于提高了系统的响应时间。在小误差的情况下，为了系统的准确性，应当将KD、KI适当增大，将KP适当减小。

3.3模糊PID模糊规则的生成

采用重心法则去模糊，结合大量实验仿真与实践验证，得到规则表，如表1所示。

表1中，e和ec分别取隶属函数{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，是PID各个参数的对应隶属子集，如PB/NB/PS分别表示KP/KI/KD在e和ec都取NB时的隶属子集。

表1　模糊规则表

在Matlab中生成模糊控制规则，根据以上的要求，读入输入输出的范围，并且在Fuzzy控制器植入规则[9]。如图2所示，建立了1个由2个输入经过模糊规则推导出3个输出的框架示意图。

图2　3个输出的框架示意图

每个输入/输出中默认只有3条隶属函数，因此需要添加4条，规定它们的形状都为三角形，且依次选中，修改名称与上述的NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB一致，修改rang范围，默认是[0，1]。根据论域的范围值，此处改为[-6，6]，如图3、4所示，按照要求得出e和Kp的隶属度函数。

在模糊规则编辑器，添加49条模糊规则语句，如图5所示。

添加之后保存，并进入Surface Viewer窗口，图6为Kp在不同ec和e情况下的所有取值。

图3　e隶属度函数

图4　Kp隶属度函数

图5　模糊规则编辑器

图6　Surface Viewer窗口

4仿真与结果讨论

图7　系统仿真模型图

图8　仿真结果

5结语

[参考文献]

[1]张英民,尚晓博,李开明，等.城市生活垃圾处理技术现状与管理对策[J].生态环境学报，2011(2)：389-391.

[2]富丽.我国水泥窑协同处置废弃物现状分析与展望[J].居业，2012(4)：68-70.

[3]陆明东.国内外生活垃圾处理技术现状与发展趋势[J].大众科技，2013(6)：83-86.

[4]高光,董雅文，金浩波，等.城市垃圾处理与管理对策研究[J].城市环境与城市生态,2000(2):39-41.

[6]刘金锟.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.

[7]龙学军.城市垃圾资源化利用[J].科技创业月刊,2012(6):92-93.

[8]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

[9]仇成群,刘成林，沈法华，等.基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统设计[J].农业工程学报,2012(6):197-202.

[10]唐贤伦,仇国庆,李银国，等.基于Matlab的PID算法在串级控制系统中的应用[J].重庆大学学报(自然科学版),2005,28(9):61-63.[11]何鹏飞,吴雷.改进型模糊PID控制在光伏系统MPPT中的应用[J].江南大学学报(自然科学版),2014(5):546-550.

责任编辑：陈亮

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

基金项目：安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目(2014gxk104；2014sjj037;2015zjjh047)

作者简介：刘娟(1982—)，女，硕士，讲师。

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)02- 0029- 05