生物质固化成型机控制系统的综述

杜鹏东

（国家林业局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086）

随着全世界能源问题日益加剧，我国开始向生物质能源方面进行研究，在不久的将来我国将面临着能源短缺的严重问题，随着不可再生资源的不断开采，能够开采的资源越来越少，世界能源问题已经成为世界会议的重点，要改变当前能源短缺的问题，就必须开辟新的途径，所以生物质能源的利用越来越受到人们的关注，充分的开发和合理的利用生物质可再生能源对能源系统的可持续发展有着重大的意义，对世界经济发展和全球环境保护也有着很重要的意义［1］。

1 生物质能源的利用的意义

（1）在世界战略安全中的意义是发展生物质能源可以对我国能源安全有着很好的保障，预计到2020年，我国将面临着非常严峻的能源安全问题，届时我国的消耗能源的总量折合成标煤可能会大于30亿t［2］。充分开发和合理的利用生物质能源，可以降低对环境的污染和破坏，降低对不可再生资源的严重的过度开采，从而弥补其他资源的短缺，如石油和天然气，生物质能源的利用可以有效的增加我国所拥有的能源的总量，可以有效的对能源结构进行调整，从而对我国能源安全进行强有力的保障［3］。

（2）作为新型能源的生物质能源，它的研究对当前我国正在加快实施的农村城镇化建设有着非常深远的意义。全国第六次人口普查显示，在我国，乡村人口为六亿七千四百多万人，在农村生活中燃料是农业废弃的秸秆和林木薪材，这些农业废弃物在燃烧时会排放出了大量的二氧化碳等温室气体以及有害烟尘，而且这些农业废弃的秸秆和林木薪材的燃烧利用率只有5%～10%，这样就造成了能源的大量浪费［4］。在农村普遍推广生物质能源，使其发展成为当地产业，不仅可以是生物质能源得到充分开发，还可以吸收农村大量的闲散农民，使农村经济多元化发展，有效的提高农民收入，并且可以有效的提高资源的利用率，减少二氧化碳温室气体及有害烟尘的排放量，使农村环境得以改善，使农民生活质量得到提高［5］。

（3）生物质能源对于生态环境有着深远的影响与意义，能源结构在我国主要是燃煤，煤炭燃烧造成了严重的空气污染，空气污染物种煤炭燃烧产生了大约七成的漂浮性烟尘和二氧化碳、大约九成的二氧化硫，大约七成氮氧化物［6］。然而生物质燃料燃烧产生的气体只有少量的二氧化硫和氮氧化合物，污染小，深入开发和充分利用生物质能源能够有效的降低对森林的消耗，可以有效地提高人类生活环境质量［7］。

2 生物质固化成型机

在我国生物质能源转化方式主要有4种:①直接燃烧;②生物质固化成型;③生物质气化;④生物质液化［8］。

生物质固化成型燃料，指由生物质固化成型机将生物质压缩成型的燃料，将生物质原料粉碎得到生物质碎末，通过模具的压缩形成固体燃料，这种固体燃料的能源密度与中质烟煤相仿，燃烧时火力可以保持很久，生物质燃料的燃烧性较好，在农村生活燃料中、在工厂的锅炉中以及特定在电厂中基本可以用生物质燃料代替煤炭［9］。以秸秆固化燃料为例，它的燃烧热值约为3 700～4 200Kcal/kg，密度为0.8～1.1g/cm3，灰分为 6～20%，水分≤12%，二氧化碳为0，二氧化氮为14mg/m3，二氧化硫为 46mg/m3，烟尘为≤127mg/m3［10］。

目前，我国的生物质固化成型理论基础薄弱导致成型设备的成本高，能耗大，模具使用寿命短，损耗大，而且没有精确的智能控制系统，致使能源大量的浪费，使其难于产业化［11］。本论其生物质固化成型机的现状进行分析总结，希望对研究者提供一些研究方向。

3 工业控制研究现状

国内的生物质成型控制的研究还很少，目前大多研究主要集中于成型模具的失效机理的研究，而且国内研究生物质成型机控制系统的科研人员很少，又分布在不同院校。当前的国内市场情况是生产成本过高，再加上宣称力度不够造成市场化程度较低，而且技术支持不到位导致无法规模化生产。以上原因直接导致了生物质燃料产品价格过高，难于推广［12］。

温度控制在工业生产中普遍存在的非线性，时变，大惯性的特点，纯滞后控制系统，容易产生很高的超调量和系统在设定点附近持续震荡，因为温度控制对象的参数是不确定的，被控对象参数的控制通常有较大的变化，对象的变化将直接导致其参数的数学模型的改变，这就造成被控对象参数的变化是随机的变化，无法预测，这就大大增加了温度控制的难度［13］。在实际工业生产温度控制系统中，应用最广的是比例积分微分控制［14］。20世纪30年代科学家提出了PID控制器，该控制器具有很多优点，成功解决了传统控制所不能解决的问题，其优点有良好的稳定性、简单的结构、可靠的工作性能和便于调整［15］。

PID控制技术可以不用精确地数学模型，也可以不掌握被控对象的参数及结构，就能够依据操作人员的操作经验现场调试完成，这是其他控制理论难以达到的。PID控制技术可以取代控制其他手段来解决其控制问题，如通过其他途径不能解决控制系统的参数等。PID控制器工作原理是将系统的反馈与设定值进行对比产生偏差量，利用比例加积分加微分的方法得出输出值对被控对象进行控制。它是在工业温度控制中应用范围最广应用时间最长的一种控制形式，将实际的运行效果与理论进行对比分析，通过大量的实际应用数据可以得出，PID控制规律在工业生产过程中基本达到控制目的。PID控制在当今社会很多工业过程控制中得到了非常广泛的应用［16］。控制系统的性能影响因素很多，其中参数整定的质量直接影响PID控制器的控制质量。控制器的参数整定的问题，实质就是找到与被控对象的参数特征相匹配的数据，然后将控制器的某个或多个参数通过特定的规则使其与找到的数据匹配。

传统的PID控制参数是经过大量的实验，采集到大量的数据通过对数据的分析，加上初步数学模型对数据的试凑实现人工的参数整定。人工非在线参数的整定方法，在现有的工业生产针对温度对象控制器的实现方法当中，仍然得到较多的采用，即使采用某些自整定的方法，大都是用一些开环的整定方法［17］。物理意义非常明确的参数整定方法，在实际的工业生产控制系统中被人们长期使用，被控对象的参数特征相匹配的数据，将控制器的某个或多个参数通过特定的规则使其与找到的数据匹配，适用于人工非在线参数整定，然而当控制对象的某些参数发生变化后，就需再次根据变化后的数据进行人工的参数整定，费时费力［18］。

Fuzzy－PID控制和参数模糊整定PID控制方法是模糊控制与PID相结合的控制方法中主要的形式［19］。Fuzzy－PID控制的系统有自动转换开关“switch”，可以根据不用的情况选择不同的控制方法，系统偏差e较小时采用PID控制，使系统具有好的静态性能［20］;当系统反馈与系统给定值的偏差e较大时“switch”开关自动转换到模糊控制档位，这样系统就会具有较短的响应时间以及优秀的动态系统性能。参数模糊整定PID控制方法是通过模糊规则调节的，模糊推理器根据反馈与设定的偏差和系统的偏差的变化率（偏差变化率）ec推理出PID 参数［21－23］。

4 我国生物质固化成型技术存在的问题

从1938年国外的学者开始生物质固化成型技术至今，已经过去了近80 a，国内外的学者为成型技术的发展做了巨大贡献，为以后的进一步研究提供了良好的理论基础和实验数据［24］，但目前仍有一些技术难题，制约着我国生物质固化成型技术的发展，总结如下两方面:

（1）模具的使用寿命短造价高，目前解决模具失效问题的研究大多是局限于模具的设计，缺少对成型机过程控制的研究。

（2）自动化控制程度低，没有形成完整的参数数据库，在加工过程中造成能量的浪费。

5 结论

针对成型机智能化控制程度低的问题，结合计算机及智能控制技术对成型机控制系统进行研究，建议针对以下内容竞相研究。对生物质固化成型进行试验研究，得到影响生物质固化成型的主要因素，对主要影响因素进行研究得出精确的采集方法［25］;建立数据采集系统对相关参数进行采集，建立相关的数据库;分析数据库信息，建立被控对象数学模型，依据数学模型确定控制方案;对控制方案进行仿真实验，得到最优控制方法;构建计算机控制系统，实现对成型机的自动控制。

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