基于模糊控制的生物质节能灶控制器的研究

吕成龙 洪镇南 任志兴

摘要：生物质灶是以生物质作为燃料的一种节能炉灶，是一个纯滞后、热惯性时变的多变量输入输出控制系统。针对生物质燃烧效率低和有害气体排放量大的问题，本文采用模糊控制器的设计规则和方法，设计了一种PID控制和模糊控制相结合的混合控制器。最终现场实验表明：在生物质灶的控制中采用这种混合控制器的效果优于一般的PID控制。

关键词：生物质灶；PID控制；模糊控制；燃烧效率

传统灶台产生的气体对环境危害严重，本论文本着节能环保的精神，设计了基于模糊控制的燃烧热效率的控制器，提高了生物质的利用率，节约能源并且减少了燃烧不充分的CO等有害气体的排放，生物质节能灶是煤的价格，燃气的品质，是我国农村或边远地区大力推广的炉灶。[1]

1 模糊控制系统

在常规的PID基础上，选择引入以灶内热量信号为被控量的模糊控制算法对生物质灶燃烧过程进行控制。用热量信号代表生物质燃料的燃烧量，当燃烧状态变化时，此时系统燃烧最佳效率须调整，采用模糊控制自寻优控制，调节鼓风风量，使其重新处在最佳空燃比。

模糊控制器的设计。（1）输入输出语言的模糊状态及隶属函数。模糊控制器的输入分别为热量信号和上步鼓风机的频率，输出为鼓风机的当前频率。输入量经过模糊化处理得输入量的模糊子集，再经模糊推理模糊规则，最后由反模糊化得出输出量精确值。

隶属函数是表示输入与输出的精确值与模糊集合之间的隶属关系，本研究所有输入量输出量的论域均取{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

（2）模糊规则的建立。生物质节能灶模糊规则建立两条规则：①热量为正，维持原来送风频率变化方向不变；②热量为负，改变原来送风频率变化方向。

依据上述两条原则，应用模糊推理合成，在通过实验人工修整。

2 现场实验

本文以湖南宏大锅炉设备有限公司生产的某型号的两台生物质灶为研究对象，两台灶具结构、参数相同，仅控制方式不同。在相同环境下，A台采用常规PID控制，B台采用PID和模糊自寻优混合控制。实验燃料为液压成型稻秆，颗粒燃料的直径为6mm，长度为30～40mm，密度为1t/m3，含水率为8%，应用基低位发热量为13498KJ/Kg。

根据国内外农村室内空气质量的相关研究采用CO和SO2作为主要的气体检测指标。国家标准为CO<10mg/m3， SO2< 0.5mg/m3。实验时的CO检测采用T/GXH3050红外线分析仪，SO2检测采用QC1（B）型大气采样仪，温度检测采用干湿球温度计。

生物质的热效率是评价燃烧控制效果的指标，计算公式如下：

（1）

其中为终止水温（℃），为进水水温（℃），为进水量（Kg）， 为生物质成型颗粒燃料量（Kg），P为生物质颗粒的发热量（KJ/Kg）。

2.1 负荷不变，控制方法不同

实验步骤：

（1）锅体预热：向A、B锅内加入一定量的水，点火加热，当温度达到95℃时，停止加热，放出A、B锅内水和料斗内燃料，为下一步实验做准备。

（2）称重一定量的燃料放入料斗内，当锅体温度降至接近90℃时，向A、B锅内注入水60Kg，并记录进水温度（18℃），送料点火，开始实验并计时，直到最终温度（90℃）终止计时，检测生物质燃料用料量。

2.2 负荷变化相同，控制方法不同

实验步骤：

（1）锅体预热与2.1的步骤（1）相同。

（2）称重一定量的燃料放入料斗内，当A、B锅体温度降至接近90℃时，向A，B两锅内注水20Kg并记录进水温度（18℃），送料点火，计时开始实验。

（3）当水温到40℃时，再向A，B两锅内注水20Kg，连续加热升温。

（4）当水温到60℃时，再向A，B两锅内注水20Kg，连续加热升温，直到90℃实验终止，计时结束，称重剩余的燃烧量。

3 结论

①在负荷不变化时，燃料量，燃烧效率及有害气体排放量变化不明显，可认为控制效果几乎相同；②当负荷变化时，混合控制时燃料量减少3.8 %，热效率提高1.9 %，CO排放减少22.8 %，SO2排放减少16.7 %，动态响应速度快；③负荷变化与负荷不变相比，热效率略低，有害气体排量略高，但采用PID和模糊自寻优控制时，两者变化很少。

参考文献：

[1]于果.我国生物质能技术发展研究[J].资源与产业，2016，（05）：3843.

[2]杨贞富.基于Matlab Simulink的模糊控制算法仿真方法[J].科技展望，2016，（12）：155.

[3]窦艳艳，錢蕾，冯金龙.基于Matlab的模糊PID控制系统设计及仿真[J].电子科技，2015，（02）：119122.

[4]吴创之，阴秀丽，刘华财，陈勇.生物质能分布式利用发展趋势分析[J].中国科学院院刊，2016，（02）：191198.

项目：南华大学2017年度大学生研究性学习与创新性实验计划资助项目：生物质灶的新型控制装置的研制（项目编号：2017XJXZ007）