脫硝催化劑輥道窯氣氛壓力的優(yōu)化控制策略

1、脫硝催化劑輻道窯氣氛壓力的優(yōu)化控制策略脫硝催化劑轆道窯氣氛壓力的優(yōu)化控制策略摘耍煙氣脫硝催化劑是減少固定污染源氮氧化物nox排 放的關(guān)鍵，其產(chǎn)品生成于特定氛圍環(huán)境。針對(duì)復(fù)雜氣氛難以控制的難 題，探討了其壓力的優(yōu)化控制策略。文中討論了控制氣氛的復(fù)朵性與 控制難點(diǎn)，研究了過(guò)程氣氛的控制論特性，提出了優(yōu)化的壓力控制策 略，分析了仿人智能融合控制策略的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)造了基于仿人智能的多 模態(tài)控制算法。以輻道窯氣氛的壓力控制為例，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比 研究，所獲得的壓力響應(yīng)曲線驗(yàn)證了其上升時(shí)間快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，響 應(yīng)平滑穩(wěn)定，魯棒性能強(qiáng)，有很好的自適應(yīng)性。仿真研究結(jié)果表明, 該優(yōu)化控制策略對(duì)餛道窯氣氛的壓力控制是

2、合理與可行的。關(guān)鍵詞脫硝催化劑；餛道窯；氣氛壓力控制；仿人智能；優(yōu)化控 制策略中圖分類號(hào)：tp273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 1引言 ftl于受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的制約，目前國(guó)內(nèi)燃料燃燒的煙氣排放普遍沒(méi)有安 裝脫硝裝置，導(dǎo)致煙氣排放的污染顯得特別突出。未經(jīng)處理的氮氧化 物(nox)煙塵直接排放(包括no、n02、n20等)至空間大氣層，其 后果是非常嚴(yán)重的，可以引起酸雨、光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)及臭氧層 的破壞。自然界中的氮氧化物63%來(lái)自工業(yè)污染和交通污染，是自然 發(fā)生源的2倍，電力工業(yè)和汽車尾氣的排放各占40%,其他工業(yè)污染 源占20%o煙氣脫硝催化劑是減少固定污染源氮氧化物排放的關(guān)鍵, 其原理是在催化劑作用

3、下，脫硝催化劑選擇性地與nox反應(yīng)生成n2 和h20,故稱為“選擇性”；主要化學(xué)反應(yīng)為：4nh3+4n0+02 - 4n2+6h20, 4nh3+2n02+02 -> 3m2+6h20。但是該型催化劑是在特定餛 道窯氣氛下生產(chǎn)燒制的，在保證燃料完全燃燒的空氣與燃料配比下, 脫硝催化劑成品采取餛道窯全氧化氣氛燒制，這里的輾道窯窯氣氛是 指燃燒產(chǎn)物在指定壓力、溫度下煙氣中的c0、02等成分的含量。rti 于餛道窯是一個(gè)大慣性、大滯后、非線性嚴(yán)重、多輸入、多輸出、多 變量相互耦合的被控對(duì)象，存在著氣氛溫度、壓力的耦合，有時(shí)因煤 氣熱值波動(dòng)還會(huì)出現(xiàn)瞬間還原氣氛等，因此采用傳統(tǒng)控制方法是難以對(duì)其進(jìn)

4、行有效控制的。盡管壓力木身對(duì)制品的燒成影響不是很大，但 是對(duì)轆道窯內(nèi)的溫度、氣氛有很大影響，是翟道窯系統(tǒng)控制的技術(shù)難 點(diǎn)z 1-3。2輾道窯爐壓力控制的復(fù)雜性與控制難點(diǎn)以輻道窯預(yù)熱帶壓力控制為例，為了利于坯體氧化分解產(chǎn)生的反應(yīng)氣 體和水氣的排除，其運(yùn)行壓差應(yīng)當(dāng)維持在lmmh20。預(yù)熱帶和燒成帶 z間零壓力面的控制可以借助調(diào)整煙道閘板開度了以實(shí)現(xiàn)，以使預(yù)熱 帶在微負(fù)壓下操作，而燒成帶則控制在微正壓下操作，以阻止繼續(xù)排 氣而導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔。經(jīng)驗(yàn)表明，轆下零壓位、車?yán)ド狭銐何煌坪笥?利于操作，保持燒成帶與冷卻帶交界劃分的兩段進(jìn)出風(fēng)量基本平衡， 在冷卻帶要求抽熱風(fēng)量稍小，急冷風(fēng)將少量進(jìn)入燒成帶作二次

5、助燃風(fēng), 確保燒成帶充分的氧化氣氛，提高熱利用率，并杜絕煙氣倒流造成煙 熏缺陷。壓力控制的主要手段是調(diào)節(jié)排煙閘、噴嘴、急冷風(fēng)管以及抽 熱風(fēng)閥的開度與風(fēng)量分配，窯爐內(nèi)壓力控制可確保溫度按照溫度工藝 曲線要求，根據(jù)壓力制度實(shí)施以營(yíng)造爐內(nèi)氣氛制度提高產(chǎn)品質(zhì)量。 控制難點(diǎn)在于壓力的控制屬于不確定性控制，壓力控制過(guò)程實(shí)際上是 病態(tài)結(jié)構(gòu)，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，因?yàn)樗哪Ｐ?結(jié)構(gòu)和參數(shù)可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，此外外界干擾也難以預(yù)測(cè)，因此采 用pid傳統(tǒng)控制難于達(dá)到期望的控制目標(biāo)；過(guò)程輸入輸出與外界信息 交互困難，傳統(tǒng)控制不接受非數(shù)量形式的信息數(shù)據(jù)，難以實(shí)施非數(shù)量 形式的信息數(shù)據(jù)控制；傳統(tǒng)控制任務(wù)

6、形式上是單一的，但是涉及的氣 氛因素復(fù)雜，要求壓力控制系統(tǒng)具有初步的自動(dòng)規(guī)劃和決策能力，它 不同于一般的恒值控制（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）或跟隨期望的運(yùn)動(dòng)軌跡控制（跟 隨系統(tǒng)）有范式的結(jié)構(gòu)形式可供參考；傳統(tǒng)控制理論與控制技術(shù)缺乏 有效解決高度非線性控制問(wèn)題的手段，不具備融合相關(guān)知識(shí)的能力（如被控對(duì)象、環(huán)境以及人類控制策略等），其應(yīng)用范圍局限于單輸 入單輸出簡(jiǎn)單系統(tǒng)的控制，更難以采用數(shù)學(xué)描述形式表示基于知識(shí)的 廣義知識(shí)控制模型和混合控制過(guò)程的特性，控制是規(guī)范式的簡(jiǎn)單模態(tài), 不可能嵌入其他的控制策略，更不具備判斷決策能力。上述提到的控 制難點(diǎn)限制了 pid傳統(tǒng)控制方法在轆道窯壓力控制系統(tǒng)中的高精度 控制應(yīng)用。

7、3控制論特性與壓力控制策略如圖1所示，輻道窯各個(gè)區(qū)域（如預(yù)熱帶、燒成帶與冷卻帶）對(duì)壓力的要求是不同的，顯然各個(gè)區(qū)域的不確定性復(fù)雜程度也是不同的，在過(guò)程運(yùn)行控制中表 現(xiàn)出以下的控制論特性： 整個(gè)窯爐的壓力分布呈現(xiàn)出半結(jié)構(gòu)化與 非結(jié)構(gòu)化特征，其結(jié)構(gòu)化程度不高，被控過(guò)程復(fù)雜，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)描 述； 反映過(guò)程氣氛的狀態(tài)變量間存在關(guān)聯(lián)耦合，狀態(tài)變量間難以 解耦以借助單變量實(shí)現(xiàn)壓力的解耦控制； 轆道窯的嚴(yán)重非線性特 性，難于數(shù)學(xué)描述并進(jìn)行量化處理；輾道窯化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜物理 化學(xué)過(guò)程導(dǎo)致過(guò)程參數(shù)的分散性、吋變性、未知性和隨機(jī)性，并冃其 過(guò)程參數(shù)具有吋滯未知性與吋變性； 輾道窯內(nèi)的氣氛作用機(jī)制復(fù) 雜，不確定性因

8、素多，外部環(huán)境干擾特征與形式經(jīng)常是未知、多樣和 隨機(jī)的，并不具備統(tǒng)計(jì)特性，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于上述特性，無(wú)論對(duì) 其控制的過(guò)程還是對(duì)其被控的對(duì)象都難以建立數(shù)學(xué)模型，因此無(wú)論是 借助傳統(tǒng)pid控制還是采用基于狀態(tài)空間描述的近代控制方法都難 以實(shí)現(xiàn)期望的壓力控制，因其都是嚴(yán)格基于數(shù)學(xué)模型的控制4-5 o 但是，上述特性可以借助廣義的知識(shí)模型對(duì)其進(jìn)行描述，采用智能控 制方法予以實(shí)現(xiàn)。智能控制在實(shí)施控制過(guò)程屮無(wú)須人工干預(yù)，可以自主地驅(qū)動(dòng)智能控制器達(dá)到期望的控制目標(biāo)。其控制策略體現(xiàn)在 模仿人的智能上，即對(duì)被控過(guò)程的觀察、學(xué)習(xí)、理解和認(rèn)識(shí)的能力方 面，直接從人自身的能力（包括控制行為的能力）尋找解決問(wèn)題的答

9、案，因此其控制方法是直觀的。仿人的智能控制策略在模仿人類的控 制行為吋可以從控制功能和控制結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面著手，總結(jié)出基于自動(dòng) 控制理論與人工智能的制經(jīng)驗(yàn)論，并采用產(chǎn)生式規(guī)則描述推理過(guò)程和 控制行為。如基于特征記憶與在線特征辯識(shí)可抽象出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征 模型，將定性決策與定量控制相互結(jié)合并融合開環(huán)控制與閉環(huán)控制各 自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)施多模態(tài)的控制策略。在功能結(jié)構(gòu)方面，不同層次的信 息處理和決策機(jī)構(gòu)是不同的，對(duì)于底層的壓力控制而言，轆道窯預(yù)熱 區(qū)域、燒成區(qū)域與冷卻區(qū)域的過(guò)程誤差及過(guò)程誤差的變化率都是可通 過(guò)壓力儀表檢測(cè)獲得的，根據(jù)過(guò)程的動(dòng)、靜態(tài)特性，可對(duì)控制過(guò)程進(jìn) 行在線特征辨識(shí)和特征記憶，構(gòu)造出適合于車?yán)?/p>

10、道窯的壓力過(guò)程控制模 型、模式與控制算法。這種融入了人類智能的控制策略可方便地引入 人的控制經(jīng)驗(yàn)、專家知識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作者的智慧與技巧，基于廣義控制 模型設(shè)計(jì)控制器，顯然采用傳統(tǒng)控制方法對(duì)此是無(wú)能為力的6-8。<!-endprint-x!-startprint->4 仿人智能的多模態(tài)控制策略 5仿真實(shí)驗(yàn)研究轆道窯氣氛壓力控制克接關(guān)系到脫硝催化劑產(chǎn)品的質(zhì)量，但是由于控制過(guò)程難以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模控制，為 了簡(jiǎn)化分析而不失一般性，文中仿真實(shí)驗(yàn)選擇具有吋間滯后的一階慣 性模型，而將參數(shù)時(shí)變、非線性、不確定性等因素的影響等效為時(shí)間 滯后、過(guò)程參數(shù)變化以及外部擾動(dòng)干擾等，然后考察其過(guò)程響應(yīng)的魯 棒性，

11、如果控制策略的魯棒性強(qiáng)，那么其控制策略就是優(yōu)化可取的。 假設(shè)過(guò)程模型為w (s) = k e-ts / (ts + 1),其中k是增益系 數(shù)，t是被控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，是被控過(guò)程的純時(shí)間滯后，并且 分別選取k = 1, t = 1.2, t = 2,則仿真模型為w (s) = e-2s/ (1. 2s + l)o 基于matlab/simulink, 可構(gòu)造醍道窯氣氛的 壓力控制過(guò)程仿真模型。在單位階躍輸入條件下，可對(duì)同被控過(guò)程 分別采用pid控制策略與優(yōu)化控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，過(guò)程響應(yīng)曲線 如圖3所示。其中，曲線1為pid控制策略的響應(yīng)，曲線2為優(yōu)化控 制策略的響應(yīng)，對(duì)比兩條曲線可知，優(yōu)化控

12、制策略在過(guò)程上升時(shí)間與 調(diào)節(jié)吋間方面明顯優(yōu)于pid控制策略。為了考察控制策略對(duì)過(guò)程參數(shù)變化的魯棒性，在原過(guò)程模型基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)1/(2s+l),即 w (s) 由 e-2s/ (1.2s + 1)變成 e-2s/ (1.2s + 1) (2s+l),顯然它表示過(guò)程已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎A過(guò)程，過(guò)程參數(shù)與階數(shù)均 發(fā)半了巨大變化，在其它條件不變的情況下，兩種控制策略的響應(yīng)如 圖4所示。通過(guò)比較可知，pid控制策略超調(diào)20%以上，過(guò)程調(diào)節(jié)吋 間長(zhǎng)，數(shù)倍于優(yōu)化控制策略的調(diào)節(jié)時(shí)間；優(yōu)化控制策略的響應(yīng)平滑穩(wěn) 定，沒(méi)有超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，過(guò)程控制精度高，過(guò)程參數(shù)與階次變化 對(duì)過(guò)程響應(yīng)兒乎沒(méi)有什么影響。為了考察

13、控制策略對(duì)外部脈沖信號(hào)強(qiáng)擾動(dòng)干擾的魯棒性，在t二4. 5s吋刻加入一個(gè)強(qiáng)擾動(dòng)干擾， 在其它條件不變的情況下，兩種控制策略的響應(yīng)曲線如圖5所示。分 析對(duì)比pid控制與優(yōu)化控制策略的響應(yīng)曲線可知，優(yōu)化控制策略在抗 外部脈沖信號(hào)強(qiáng)擾動(dòng)干擾方面比pid控制策略有明顯的優(yōu)勢(shì)。由上述仿真實(shí)驗(yàn)可知，采用優(yōu)化控制策略無(wú)論在過(guò)程參數(shù)變化還是外 部干擾的情況下都可獲得比pid控制策略更好的控制品質(zhì)。6結(jié)束語(yǔ)輾道窯氣氛壓力控制對(duì)確保窯內(nèi)溫度按照嚴(yán)格工藝要求定制實(shí)施控制以提高催化劑產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響，直接關(guān)系到爐內(nèi)脫 硝催化劑的生成氣氛。上述討論的優(yōu)化控制策略，由于在每個(gè)控制周 期后，都要按照過(guò)程誤差特征模型對(duì)下一個(gè)

14、控制周期應(yīng)當(dāng)采用的控制 模式進(jìn)行識(shí)別，并且正確地選取相應(yīng)的控制算法對(duì)過(guò)程實(shí)施控制，因 此實(shí)時(shí)性好。過(guò)程仿真響應(yīng)表明，該控制策略是可行與合理的。 參考文獻(xiàn)1程昭華.輻道窯中的壓力及壓力控制j佛山陶瓷，2002, 12 (3)： 16-18.2胡國(guó)林，張智文，章義來(lái)等.氣燒輾道窯氣氛溫度模糊解耦控制的計(jì)算機(jī)仿真j.陶瓷學(xué)報(bào), 2003,24 (1)：1-7.3胡國(guó)林，張智文，章義來(lái)等.氣燒陶瓷棍道窯氣氛溫度耦合的計(jì)算機(jī)仿真j陶瓷學(xué)報(bào)，2002,23(2)： 92-95.4李太福，馮國(guó)良，鐘秉翔等.一類不確定復(fù)雜系統(tǒng)的控制策略分析j重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003, 26(9)：4-7.5楊志，李太福，盛朝強(qiáng)等基于仿人智能的復(fù)雜關(guān)聯(lián)系統(tǒng)控制j重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(口然科學(xué)版)，2002, 25 (7)： 9-116陳軍.步進(jìn)式加熱爐燃燒過(guò)程智能控制策略及應(yīng)用d.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2004.7易繼錯(cuò).智能控制技術(shù)m.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004.8李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論m哈爾