模糊自适应内模PI控制算法在小型生物质锅炉控制系统中的应用

生物质锅炉是主要的热能转化设备，锅炉温度作为评价设备运行状况的重要指标之一，其控制系统品质的好坏直接影响到锅炉的安全性和经济性。考虑到生物质燃料锅炉温度控制系统存在非线性、大时滞、强耦合、多干扰等问题，提出一种基于模糊自适应内模PI控制的温度控制策略。该算法采用模糊自适应PI控制，结合内模控制算法，配合低阶滤波器，并通过MATLAB工具箱进行了系统的仿真实验。实验结果表明：同常规PI、模糊PI及内模PI控制方法相比，该控制器能够极大地改善温度控制系统的控制品质，响应快速，控制精准，鲁棒性强，能够应用于工业的实际生产。

生物质能源是国际公认的“零碳”可再生能源，已经成为世界上最主要的化石燃料的替代品之一。

在双碳目标背景下， 生物质能在中国发展现状呈现持续向好趋势[1]。

生物质锅炉为主要的热能转化设备， 锅炉温度作为评价设备运行状况的重要指标之一， 其控制品质的好坏直接影响着锅炉的安全性和经济性。

目前国内生产的生物质锅炉存在产能利用不充分、自动化程度低和排放不稳定等问题，严重阻碍了生物质锅炉的推广[2]。因此，改进生物质锅炉控制系统及其控制算法是提高生物质锅炉自动化程度和燃烧效率的关键。

生物质燃烧过程是一个非线性、强耦合的多变量延迟系统，有多个输入，如燃料供应、空气供应， 以及多个输出，如加热功率、水温(热气温度)、炉膛压力，烟气中氧气或一氧化碳含量等。由于不同的生物质原料特性不同(水分含量，灰分含量，化学成分等)，或者燃料批次不同，燃料水分含量的变化导致燃料能量含量的不确定性，使燃烧器的操作复杂化。传统PID 控制存在控制参数整定不良、控制工况适应性差等缺点，在实际使用过程中受到一定的限制[3]。模糊控制不依赖于精确的数学模型，具有较强鲁棒性和适应性，但控制精度较低[4]。针对上述存在的控制难点，采用将常规PID 控制与模糊控制相结合的控制策略能够明显提高系统的性能[5]。模糊自适应PID 控制使系统具有较强的灵活性和抗干扰性，一定程度上提高了生物质锅炉的燃烧效率，满足高效清洁的燃烧要求，但不能很好地适应实际工业生产中复杂的工况环境[6]。内模控制能够消除干扰对系统的影响，改善时滞系统的控制品质[7]。

影响锅炉出水温度是否能够沿着预设值进行波动的关键变量就是送料量。而生物质成型燃料的热值差异以及送料速率的不同都会导致锅炉实际出水温度产生一定的波动，这种波动会使锅炉复杂的燃烧过程出现明显的滞后效果。本文通过比较模糊控制、PID 控制以及内模控算法各自的优势，提出一种基于模糊自适应内模PID 的控制方案，通过搭建实验平台建立锅炉出水温度控制系统的数学模型，并将这种控制策略应用到该控制系统当中。随后在MATLAB/SIMULINK 平台上进行仿真分析，通过对比实验， 确定生物质锅炉最优控制方法。