1、本科毕业设计 (论文 )文献综述 电气工程及自动化 EGR 式柴油热风炉控制器研制 摘要 ： 针对目前使用的温室柴油热风炉存在的热利用率低和排放污染问题，介绍了利用废气再循环 (EGR)技术来提高柴油热风炉热效率的方法。通过分析 EGR 式柴油热风炉的工作原理，研制出一种用模糊 PID 控制器来控制废气再循环，并阐明了其结构及工作原理。重点说明了该控制器的设计过程，经试验测定，柴油热风炉存在的热利用率达到 17.6%,而排放污染减少。该控制器简单、精确，为同类的研究提供了设计方法，具有广阔的市场前。 关键词 ： 废气再循环；模糊控制； PID 控制；温度控制 EGR 全称是： Exhaust
2、Gas Recirculation，其实就是排气的再循环装置。就是将已经排出的气体再次与吸入空气混合，通过使燃烧温度降低，在减少氮氧化物排放方面上发挥威力的装置。在 EGR 气体回路上装备的冷却装置便是 EGR 冷却系统。高温的 EGR 气体在冷却器中被冷却，再与吸入空气混合，使其燃烧温度比通常的 EGR 气体低，为氮氧化物的减少做出贡献。并且，因为被冷却的缘故，空气的密度也变得比较大，空气量也随之增加 。这样，由于更加接近完全燃烧，所以能够减少颗粒物的排放。 目前，利用 EGR 式柴油热风炉加热温室时，一般采用将燃烧废气通过管道与空间直接或强制换热的方式进行热交换，尔后直接排出至温室外。当然
3、靠补进冷空气至温室内，既降低了温室内空气温度，又造成热量损失。所以，这样的换热方法及其相应的柴油热风炉结构，热量利用率低， NO x 排污指标高。 现代化冶金企业的重要标志之一就是高度自动化水平。多少年来，国外许多国家针对热风炉过程控制进行了大量的研究工作。经过多年的研究，日本、欧美等国在热风炉自动控制上的技术已经非常成熟。在 这些国家，由于技术先进，检测器装备水平高，大多使用热风炉的数学模型进行控制，通过热风炉的全炉热平衡计算建立符合生产实际的热风炉控制模型，利用热风炉控制模型实现良好的热风炉过程控制。 随着人工智能技术的发展，近些年来诸如模糊控制、专家系统等新的控制方法逐渐应用于热风炉过程
4、控制，使热风炉的过程控制得到新的发展，如日本川崎制铁的热风炉燃烧模糊控制系统。近些年，有人研制出由热平衡计算的物理模型和用模糊推理的模糊专家控制系统构成的混合型控制系统，采用物理模型计算出热风炉的作业条件，设定每座炉子必须投入的热量、混合煤气 流量和拱顶温度，对由于特性变化和外界干扰等产生作业状态的变化，则通过模糊推理的控制模型对作业条件进行修正和改动。 EGR 式柴油热风炉即 利用废气再循环以提高柴油热风炉热效率的方法 ,及其自行研制一种适用于温室内的全数字微机智能监控柴油热风炉废气再循环热交换系统 .它由微电脑控制间歇地分流大部分、乃至全部已燃废气到进气管的装置 .该系统采用新型的数字式温
5、、湿度一体化传感器 (LTM8901)和一线总线结构 ,由微处理器 (89C51)自动智能监控 .从系统的原理、结构设计出发 ,开发了独特用于柴油热风炉的废气再循环热交换系统 ,找到了最佳工作状况 .当控制 EGR率在 50 70范围时 ,能提高热利用率 17.6 ,节约能源 ,并且还降低了排放污染 . PID控制技术是迄今为止最通用的控制方法。实际运行经验和理论分析均表明，将这种控制规律用于大多数工业对象能够得到比较满意的结果。所以虽然 PID控制器产生于 19世纪初，其后许多先进的控制方法不断推出，但 PID控制器以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于化工、冶金
6、、电力、机械等工业过程控制中。目前全世界大约有 90%的过程控制仍在使用 PID控制器及其改进型来完成反馈回路 的控制。 常规 PID 控制器主要是针对有确切模型的线性过程，其 PID参数一经确定后无法随着对象的变化而调整。而实际上大多数工业对象都不同程度地存在非线性、时变、干扰等特性。随着环境的变化对象的参数甚至结构都会发生变化，用原先整定好的 PID参数实施控制很难达到理想的控制效果。为克服常规 PID控制器的不足，经过长期的研究，提出了许多 PID自适应调整方案，其中采用模糊技术与 PID结合构成模糊 PID是一种常用的控制方法。 按模糊 PID控制器的结构，可以把它分成两大类。一类模糊
7、 PJD控制器由参数可变的 PID控制器及 一个模糊控制器共同构成。模糊控制器完成 PID控制器三参数的在线整定，而控制信号则由 PIT)控制器生成。这种也被称为“ PID参数自调整模糊控制器”。提出由 3个二维的子模糊控制器分别在线调整 PID三参数，时间 t作为 3个子模糊控制器共同的输人，能根据 PID三参数在不同时刻所起的作用进行在线整定。不足在于结构复杂、规则数多。用 Z-N法确定 K p,Ti ,T d 初值，然后在线地由一个参数对它们进行修正，该参数由根据 e和 e的规则确定。此方法能使二阶加纯滞后对象响应的超调量明显减少，但上升时间增加。将模糊控制和神经网 络相结合，用模糊神经
8、网络基于极点配置 的方法确定欠阻尼对象的 PID参数。用一个 6层神经网络分别完成 K p,Ti,T d的整定，在各层上实现模糊化、模糊推理和解模糊等一系列工作，并用 176组数据完成神经网络的训练。则用模糊神经网络 基于幅相裕度决定 PID控制器参数，模糊神经网络 的作用是解决幅相裕度法确定 PID参数时非线性方程求解的问题，通过离线训练确定网络初值，并用 BP算法在线修正。 另一类模糊 PID控制器直接用模糊控制器来构造、实现 PID控制功能，这种结构更符合人们对“模糊 PID控制器”这一概念的理解， 而且通过对模糊控制器量化因子、比例因子以及控制规则的调整，同样可以达到在线调整 PID三
9、参数的效果。 提出“模糊传递函数”的概念，将模糊控制器的比例因子和常规 PID控制器的 K p,Ti,T d联系在一起，对一个简单的串联 PD+P1模糊控制器用 PID三参数值作为比例因子的初值，接着用比例因子和响应间的关系 对其进行调整，以达到最优。另外通过调整模糊控制器输出的比例因子来在线调整模糊控制器。 模糊控制器并不像常规控制器有固定的结构，因为它在以下几方面没有确定的标准 :(1)隶属函数的形式 ;(2)模糊子集个数 ;(3)规则的基本形式 ;(4)推理机制和解模糊方式。所以如何合理地应用模糊控制器的非线性，设计合适的模糊 PID控制器，这是巫需解决的问题，这关系到模糊 PID控制器
10、能否被广泛地接受和应用。 从目前模糊 PID控制器研究和应用的情况来看，以下几个方面是今后工作的重点 : (1) 模糊 PID控制器的结构。一方面由模糊控制器构造 PID功能时形式多样，另外模糊控制器本身有许多不确定性，所以如何才能使控制工程技术人员方便地根据控制要求，选择相应的控制器结构是模糊控制器被广泛应用的前提。 (2) 控制器参数调整。 PID三参数具有明确 的物理意义，对它们之间的相互关系及在响应各阶段的要求也已研究比较透彻，找到模糊 PID控制器各参数和 PID参数间的等效关系，根据控制要求调整模糊 PID控制器参数，这也是今后研究的一个方向。 (3) 控制器评价标准。虽然有些控制
11、器结构提出后，也做了稳定性研究，但往往是针对特定的对象，没有通用性。目前这方面的工作逐渐得到重视。 参考文献 1 施已平、 汪永斌 .废气再循环式柴油热风炉热交换系统的研制 J.宁波职业技术学院学报 .2005 年 4 月 . 2 夏红、宋建成 .模糊 PID控制器的发展 .华工纵横 J.2002年 11月 . 3 汪永斌 等 .废气再循环技术在温室柴油热风炉中的应用 J. 农业工程学报 . 2002年 7月 . 4 汪光阳等 .用于热风炉燃烧系统的模糊控制器 J. 钢铁研究学报 . 2004年 10月 . 5 樊国平、姚明海 .模糊 PID控制器的设计 J.制冷与空调 . 2004年第 4期
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