基于模糊控制的污泥焚烧温度控制系统研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.07MB 51 页 15积分

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摘要

在现代社会，人们生活中的污水和工业生产中的污水量逐年增加，污水处理

时会沉淀大量的污泥。如果充满恶臭的污泥无法好好处置，将侵占城市空间，其

中的细菌以及重金属也会破坏自然生态环境。污泥焚烧方法快速地将体积庞大的

污泥转化为少量的灰烬，并且杀死细菌防止污染，是污泥处理方法中比较彻底，

效果较好的一种方法。泥焚烧方法要达到良好的效果，需要稳定的焚烧温度，本

文以上海石洞口污水处理厂污泥焚烧车间为对象，深入的研究了控制污泥焚烧炉

温度的方法。

本文研究了污泥焚烧的工艺流程，污泥焚烧系统通过人工调节污泥输送量来

控制焚烧炉温度稳定在目标温度。通过分析污泥的具体成分，了解到要使污泥中

有机物能够完全分解，并且减少有害气体排放，需要将污泥焚烧炉的温度稳定在

875℃左右。分析基于人工调控的焚烧炉温度数据，建立污泥焚烧温度的近似数

学模型。本文根据污泥焚烧温度的大惯性、时滞性以及难以获得精确数学模型等

特点，选择模糊控制方法控制污泥焚烧的炉温，设计合适的模糊控制规则，尽量

减少炉温系统的惯性以及时滞的影响，选取合适的量化因子、比例因子使污泥焚

烧温度控制系统达到较好的控制效果。相较于人工监控焚烧炉温度，基于模糊控

制的自动控制系统能够减少人工参与度并且提高控制系统的实时性。本文在模糊

控制基础上，研究了模糊模型参考学习控制方法，引入了表征控制系统性能指标

的参考模型，当炉温控制系统响应没有跟随参考模型输出时，实时调节模糊控制

器的参数，优化系统的控制性能。

将设计好的两种控制方法用 MATLAB 软件进行仿真，并引入常规的 PID 控

制方法对比，观察控制系统的响应过程以及在扰动下的炉温的响应速度。结果表

明，基于模糊控制与基于模糊模型参考学习控制的炉温控制系统都能够迅速到达

目标温度，并且受到扰动后能快速回复到目标温度，模糊模型参考学习炉温控制

的控制性能优于模糊控制。

关键词：污泥焚烧模糊控制模糊模型参考学习控制仿真

ABSTRACT

In modern society, sanitary sewage and industrial sewage increases year by year.

During the sewage treatment process, there will precipitate a large amount of smelly

sludge. If we don’t properly handle the sludge, the sludge will encroach on the urban

space, the bacteria and heavy metal may pollute the environment in the sludge. Sludge

incineration method can quickly reduce the sludge volume, and kill bacteria to prevent

pollution. Sludge incineration method is the most thoroughly and effectively method

in sludge treatment methods. Sludge incineration method needs to keep a stable

burning temperature to achieve good results. Hold the Shanghai Shi Dongkou sewage

treatment plant’s sludge incineration plant as the object, this paper research the

method to control the sludge incineration temperature.

This paper studies the sludge incineration process, sludge incineration system

control the temperature of the incinerator in the target temperature range by artificial

adjusting the sludge delivery capacity. Through the analysis of the ingredient of the

sludge, in order to decompose organic matter in sludge completely, and to reduce the

harmful gas emissions, set the sludge incineration temperature at about 875 ℃.

Analysis incinerator temperature data of artificial regulation and control, sludge

incineration temperature approximate mathematical model is set up. According to the

sludge incineration temperature of big inertia, time lag and difficult to obtain accurate

mathematics model, this paper choose the fuzzy control method to control the sludge

incineration furnace temperature, and design the fuzzy control rules to reduce the bad

influence of furnace temperature system’s inertia and lag, selecting appropriate

quantifying factor and scaling factor makes sludge incineration temperature control

system to achieve good results. Compared with manual monitoring incinerator furnace

temperature, automatic control system based on fuzzy control can reduce the artificial

participation and improve the real-time performance of control system. By learning

the fuzzy model reference learning control method, this paper introduces the reference

model which represents the control system performance index. When the furnace

temperature control system response is not following the reference model output, the

method real-time adjusts the parameters of the fuzzy controller to optimize the control

performance.

Two control methods will be simulated with the MATLAB software, and

conventional PID control method is introduced to compare with them. Observe the

response of the control system process and the response speed under the disturbance

of furnace temperature. Results show that based on the fuzzy control and based on

fuzzy model reference learning control furnace temperature control system are able to

quickly reach the target temperature, and can also quickly response to the target

temperature after a disturbance, fuzzy model reference learning control performance is

superior to the fuzzy control of furnace temperature control.

Key Word：Sludge incineration, Fuzzy control, Fuzzy model reference

learning control, Simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 课题背景与研究意义 .................................................................................. 1

1.2 污泥焚烧处理的国内外研究状况 .............................................................. 1

1.3 污泥焚烧炉温度控制的研究现状 .............................................................. 2

1.4 课题研究的主要内容 .................................................................................. 3

第二章污泥焚烧温度控制系统分析 ..................................................................... 4

2.1 污泥焚烧的工艺流程 .................................................................................. 4

2.1.1 污泥干化系统 ....................................................................................... 4

2.1.2 污泥焚烧系统 ....................................................................................... 5

2.1.3 烟气净化系统 ....................................................................................... 6

2.2 污泥焚烧硬件控制系统 .............................................................................. 6

2.3 污泥焚烧温度控制原理分析 ...................................................................... 6

2.3.1 污泥的成分分析 ................................................................................... 6

2.3.2 污泥焚烧的基本原理 ........................................................................... 7

2.3.3 污泥焚烧温度控制原理 ....................................................................... 8

2.4 污泥焚烧温度控制模型 ............................................................................ 10

2.5 本章小结 .................................................................................................... 12

第三章污泥焚烧温度模糊控制器的研究 ........................................................... 13

3.1 基于模糊控制的污泥焚烧温度控制器 .................................................... 13

3.1.1 模糊控制器的基本原理 ..................................................................... 14

3.1.2 污泥焚烧温度模糊控制器设计 ......................................................... 16

3.2 基于模糊模型参考学习控制的炉温控制系统 ...................................... 23

3.2.1 模糊模型参考学习控制的原理 .......................................................... 23

3.2.2 基于模糊模型参考学习控制的污泥焚烧温度控制设计 ................. 25

3.2.3 基于模糊模型参考学习炉温控制的程序流程 ................................. 27

3.3 本章小结 .................................................................................................... 28

第四章系统仿真结果与分析 ............................................................................... 29

4.1 建立污泥焚烧温度控制仿真系统 .......................................................... 29

4.1.1 建立基于模糊控制的污泥焚烧温度控制仿真系统 ......................... 29

4.1.2 建立基于模糊模型参考学习控制的炉温控制仿真系统 ................. 30

4.2 污泥焚烧温度控制仿真系统的结果与分析 ............................................ 31

4.3 本章小结 .................................................................................................... 35

第五章结论与展望 ............................................................................................... 36

附录 ......................................................................................................................... 38

参考文献 ................................................................................................................. 44

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................................... 47

致谢 ......................................................................................................................... 48

第一章绪论

1.1 课题背景与研究意义

在当今社会，由于城市居民不断增多、工业迅速发展，城市中产生了大量的

生活污水与工业废水，在处理污水后会沉淀大量的污泥。污泥是污水中存在的废

物固体，一般是含有微生物、有机物和无机物的絮状物[1]。污泥中含有的病原微

生物、重金属以及其他难以降解的物质会污染自然环境，为人类带来潜在的危害，

而且未处理的污泥会占用公共土地，因此必须妥善处理污泥。在处理污泥时，需

要做到使污泥减量化、无污染化，处理污泥的过程最好能快速化、能源化，相对

于传统的污泥填埋、露天搁置等方法，污泥焚烧方法能够更好的达到以上要求[2]。

污泥在经过干化、焚烧后，可燃部分被燃烧，仅留下少量固体炉灰，可以减少将

近90%的污泥体积；并且污泥中的病原体与细菌也会被杀死，能够有效防止污泥

污染环境。

燃烧是个复杂的过程，焚烧污泥时最主要的是控制焚烧炉的炉温与炉内的负

压状态[3]。焚烧污泥时需要将炉温维持在 850℃~950℃范围内，才能有效的焚烧

污泥。污泥焚烧系统内环境比较复杂，影响温度变化的因素很多。污泥焚烧的炉

温变化会受到投入炉膛的污泥量、鼓风机的风量、炉膛内负压及周边环境温度影

响，这是一个多耦合、非线性的系统，炉温变化起伏较大，很难实时的建立精确

的数学模型。

炉温控制的方法可以分为人工监控法、PID 控制法以及智能控制法。人工监

控方式实现起来比较简单，让车间工人学习控制规则，实时调节炉温；但如果监

控人员不慎忽略了焚烧炉温度的变化，容易造成温度失去控制。PID 控制方法控

制线性系统时能达到较好效果，在面对非线性、环境复杂的污泥焚烧系统时，PID

控制参数难以实时调整，控制效果不太理想。智能控制方法包括模糊控制、神经

网络控制、遗传算法等，对于难以获得精确数学模型的污泥焚烧温度控制系统，

模糊控制可以较好的通过炉温状态与控制规则，达到稳定焚烧炉温度的效果；再

结合自适应控制，可以灵活的变换控制规则的参数，以适应炉温系统的变化[4]。

1.2 污泥焚烧处理的国内外研究状况

污泥焚烧处理方式能够快速彻底地处理污泥，完全热解其中的有机物，高温

杀死有害的病原体，合理的处理烟气避免环境污染，有效的降低污泥的体积。在

国内，污泥焚烧方法处理的污泥大约占总处理量的 4%，在污泥焚烧处理方面的

研究较少。现在主要是中国科学院、清华大学、浙江大学、华中科技大学对污泥

焚烧处理工艺与原理有许多研究。1992 年，浙江大学热能所是中国最先开始研

究污泥流化床焚烧技术的机构。2004 年上海成立了石洞口污水处理厂污泥焚烧

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摘要：

摘要在现代社会，人们生活中的污水和工业生产中的污水量逐年增加，污水处理时会沉淀大量的污泥。如果充满恶臭的污泥无法好好处置，将侵占城市空间，其中的细菌以及重金属也会破坏自然生态环境。污泥焚烧方法快速地将体积庞大的污泥转化为少量的灰烬，并且杀死细菌防止污染，是污泥处理方法中比较彻底，效果较好的一种方法。泥焚烧方法要达到良好的效果，需要稳定的焚烧温度，本文以上海石洞口污水处理厂污泥焚烧车间为对象，深入的研究了控制污泥焚烧炉温度的方法。本文研究了污泥焚烧的工艺流程，污泥焚烧系统通过人工调节污泥输送量来控制焚烧炉温度稳定在目标温度。通过分析污泥的具体成分，了解到要使污泥中有机物能够完全分解，并且减少有害...

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