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1、中北大学信息商务学院2009届毕业论文1 引言1.1 研究背景城市生活垃圾又称城市固体废物，是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，主要包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、砖瓦渣土以及废家用什具、废旧电器、庭院废物等。城市生活垃圾主要产自城市居民家庭、城市商业、餐饮业、旅馆业、旅游业、服务业、市政环卫业、交通运输业、文教卫生和行政事业单位、工业企业单位以及水处理污泥等。它的主要特点是成分复杂、有机含量高。影响城市生活垃圾的主要因素有居民生活水平、生活习惯、季节、气候等1。中国改革开放的30年来，随着经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，城市化进程的不断加
2、快，城市垃圾产生量急剧增加。目前，我国城市垃圾年产量已达1.7亿吨以上，人均垃圾年产量为450500kg，且仍在以每年810的速度增长。此外，城市生活垃圾存量约为70多亿吨，垃圾侵占土地面积已超过5亿平方米，全国已有200多个城市被垃圾包围2。从数量来看，1998年全世界每年产生的4.9亿吨垃圾中，我国城市就占到1.4吨，仅北京市日产生活垃圾总量就达2.09万吨，相当于两座石景山的体积，每年运送这些垃圾就耗去北京市财政近7亿元。据预测，按现在垃圾增长的速度，2010年我国城市生活垃圾产生量将达到2.64亿吨，2030年为4.09亿吨，2050年为5.28亿吨。在这样的形式下，城市污染防治已成为
3、我国现代化建设中一个越来越紧迫的问题。如何增强人们的环境观念，提倡适度消费，减少城市垃圾数量，并加强垃圾管理，提高垃圾处理技术水平是当前十分重要的研究课题3。城市生活垃圾是人们生活中产生的固体废弃物。城市生活垃圾在输送、贮存与燃烧过程均存在产生二次污染的可能，对大气、土壤、水等造成污染，不仅影响城市环境质量，而且威胁着国民的健康，成为社会公害之一。当复杂多变、量大面广的生活垃圾被排放到人们四周时，就会对大气、水体、生态环境带来严重的破坏。（1）生活垃圾裸露污染大气。大量氨、硫化物等有害气体释放，严重污染大气，加速了地球的温室效应。（2）严重污染水体。生活垃圾不但含有病原微生物，在堆放腐败的过程
4、中还会产生大量的酸性或碱性有机污染物，并会将垃圾中的重金属游解出来，形成有机物质、重金属和病原微生物三位一体的污染源，雨水淋入后混合的渗滤液必然会造成地表水和地下水的严重污染。（3）生物性污染。生活垃圾中有许多致病微生物，同时垃圾往往是蚊蝇等的孳生地，这些必然危害着广大市民的身体健康。（4）侵占大量土地。据初步调查，1998年全国668座城市中已有2/3被垃圾包围。全国堆放的生活垃圾已达到70亿吨，占地累计75万亩。（5）垃圾的爆炸事故不断发生。随着城市中生活垃圾有机物含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆存，如只采用简单覆盖易造成产生甲烷气体的厌氧环境，易燃易爆。另外，还将影响城乡的景观，优雅
5、景色中突然有堆垃圾裸露，将大煞风景。因此能否妥善解决垃圾问题，是关系到国计民生的一件大事，是环境治理的一项主要内容4。 城市生活垃圾处理技术受地理环境、经济发展、垃圾状况、城市文明程度及气候条件等多种因素影响和制约。生活垃圾处理是指通过物理、化学、生物等加工的一切过程，使生活垃圾转化成适于贮存、资源化利用、以及最终处置的一种手段。目前生活垃圾处理方法基本上是堆肥、焚烧、卫生填埋、综合利用四种。生活垃圾处理过程是混合物资流的有序运动，它包括生活垃圾收集、运输、转运、处理、处置、最终达到无害化、减量化、资源化目标。随着人们生活条件的普遍提高，生活垃圾结构在不断发生变化，渣土少了，可烧物质多了，容重
6、在逐渐降低，体积在日趋加大，厨余物在增加，尤其分类收集在城市中推广，这给垃圾处理带来了一些有利条件。生活垃圾处理发展的总趋势是：综合处理优势多，是今后城市或区域性处理生活垃圾的首选技术，能回收的回收，有机质做堆肥处理，可燃物则焚烧，不可燃物送去填埋；在分类收集基础上的再生利用越来越受到重视，比例逐渐提高；生活垃圾填埋标准越来越高，场地越发难选择，运距越来越远，运转费用越来越高，填埋将呈逐步下降趋势；由于生活垃圾中厨余垃圾含量在逐年增加，加上生物制肥技术进一步推广，堆肥综合处理技术将得到迅速发展，有利资源循环再利用，回归大自然，有利于改良我国广大农田有机质的严重缺乏和土壤板结化；生活垃圾热值大幅
7、度提高，焚烧及尾气净化技术设备进一步国产化，焚烧将稳步发展，焚烧余热综合利用（蒸汽、发电）比例将有所上升。然而我国在今后相当长的一段时期与世界上大多数国家一样，生活垃圾填埋仍然是大多数城市解决生活垃圾出路首选方案，但在一些人口密度高，特别是东南沿海一带许多城镇经济发展快，土地资源十分宝贵，焚烧处理将成为这些区域的重要手段4。1.2 焚烧处理概况相比较其他处理技术而言，焚烧是目前世界上一些经济发达国家广泛采用的一种对城市生活垃圾进行高温热化学处理技术。将生活垃圾作为固体燃料送入炉膛内燃烧，在8001000的高温条件下，城市生活垃圾中可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的
8、燃烧气体和少量的性质稳定的固体残渣。当生活垃圾有足够的热值时，生活垃圾能靠自身的能量维持自燃，而不用提供辅助燃料。垃圾燃烧产生的高温燃烧气体可作为热能回收利用，性质稳定的残渣可直接填埋处理，经过焚烧处理，垃圾中的细菌、病毒等能被彻底消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经过处理达标后排放。因此，可以说焚烧处理是实现城市垃圾无害化、减量化和资源化的最有效手段之一2。1.2.1 国外焚烧处理现状城市生活垃圾焚烧技术发展至今已有100余年的历史，最早出现的焚烧装置是1874和1885年，分别建于英国和美国的间歇式固定床垃圾焚烧炉。随后，德国于1896年、法国于1898年、瑞士于1904年相
9、继建成城市生活垃圾焚烧炉。20世纪初欧美一些工业发达国家开始建设大规模的连续式垃圾焚烧炉。从20世纪70年代初到90年代末的近30年间，由于世界经济和技术的高速发展，城市建设规模的日益扩大，城市人口数量的剧增，城市生活垃圾的产量也快速递增，原来的垃圾填埋场日益饱和，而新的垃圾填埋地又难于寻找，采取垃圾燃烧的办法，可使生活垃圾减容90%左右，最大限度的延长现有垃圾填埋场的寿命，此外随着人们生活水平的不断提高，生活垃圾中可燃物，易燃物的含量大幅度增长，提高了生活垃圾的热值，为生活垃圾燃烧技术的应用和发展提供了必要的条件。凡是国土资源比较紧张，人口密度比较高的国家，其城市生活垃圾采用焚烧处理技术的比
10、例就较高。在日本、荷兰、瑞士、丹麦、瑞典等国，焚烧已成为垃圾处理的主要手段，瑞士垃圾80%为焚烧，日本的垃圾焚烧比例在90年代中期已达75%，全国现有大小垃圾焚烧厂接近1900座。瑞士、比利时、丹麦、法国、卢森堡、瑞典、新加坡等国焚烧的比例也都已接近或超过填埋5。焚烧已逐渐成为当今世界经济发达国家广泛采用的城市垃圾处理技术。从焚烧工艺上看，已建成的焚烧发电厂以直接焚烧法为主，垃圾热解气化所占比例小，但由于环境指标日益严格，新的焚烧垃圾发展趋势是垃圾热解气化焚烧。垃圾焚烧是一种技术高度复杂，成本相对昂贵的生活垃圾处理技术。因此，无论是其发展源流与应用现状，目前均以欧美、日本等发达国家最具有代表性
11、。发达国家应用的垃圾焚烧技术，其特征代表了当前生活垃圾焚烧技术的最前沿，同时其所应用的垃圾焚烧技术对今后垃圾焚烧技术的发展也具有相当的指导作用。目前发达国家所采用的主要垃圾焚烧工艺特征见表1.1。表1.1 四种垃圾焚烧炉的比较比较项目机械炉排炉模组式回转窑式流化床式主要应用地区欧洲、美国、日本美国、日本美国、丹麦日本处理能力大型200t/d以上中小型200t/d以下大中型200t/d以上中小型150t/d以下设计、制造及操作维修已成熟已成熟供应商有限供应商有限前处理设备除大件垃圾外不分类破碎无法处理大件垃圾除大件垃圾外不需分类破碎需分类破碎至5cm以下垃圾处理性佳垃圾与空气混合效果较差佳佳优点
12、适用大容量；公害易处理；燃烧可靠；运行管理容易；余热利用高垃圾搅拌及干燥性佳；可适用中、大容量；可高温安全燃烧；残灰颗粒小适用小容量；构造简单；装置可移动、机动性大适用中容量；燃烧温度较低；热传导较佳；公害低；燃烧效率较佳缺点造价高；操作及维修费高；应连续运转；操作运转技术高连接传动装置复杂；炉内之耐火材料易损坏燃烧不安全；燃烧效率低；使用年限短；平均建造成本较高操作运转技术高；燃料的种类受到限制；需添加流动媒介；进料颗粒较小；单位处理量所需动力高；炉床材料冲蚀损坏1.2.2 国内焚烧处理现状我国生活垃圾焚烧技术的研究起步于20世纪80年代中期，“八五”期间被列为国家科技攻关项目，一开始仅有深
13、圳等极少数城市采用了生活垃圾焚烧技术。随着我国东南部沿海地区和部分中型城市的经济发展和生活垃圾低位热值的提高，近年来已有不少城市投入建设生活垃圾焚烧厂，如深圳、珠海、上海、广州、顺德、中山、常州、北京、厦门等。综合目前我国生活垃圾焚烧技术应用的现状，大致可以归纳为两个等级：一、国产化焚烧设备。它有以下几种形式：顺推式机械炉排焚烧设备；逆推式机械炉排焚烧设备；履带式炉排焚烧设备；立窑式焚烧设备；流化床焚烧设备。二、综合型焚烧技术设备。随着我国经济的发展，有利于垃圾焚烧应用和推广的因素正在逐步成熟，焚烧技术成为近年来许多城市解决垃圾出路问题的新趋势和新热点：随着国民经济及城市建设的发展、环保标准的
14、提高，新建垃圾填埋场受到越来越多的限制，填埋成本也越来越高，致使我国的许多大城市和经济比较发达的城市考虑采用焚烧处理；近年来，相当部分城市的生活垃圾，尤其是一些分类收集的垃圾，其低位热值已达41805852kJ/kg，不仅达到了自燃的要求，热能回收发电也有了较稳定的基础；城市生活垃圾可焚烧性好的城市，一般也是经济力较强、填埋空间较困难的城市，从管理方面也具有进行垃圾焚烧能力和要求；国内对城市生活垃圾焚烧技术的积累已有了较好的基础。 同发达国家相比，我国的垃圾焚烧技术刚刚起步，目前还远远不能满足日益增长的需要。但是，巨大的市场潜力正在吸引着越来越多的企业来投资垃圾焚烧技术设备的研制，一个新兴的环
15、保产业正逐步形成。如果能尽快开发出适合国情的垃圾焚烧技术，应该能在我国得以较大的推广6。1.2.3 焚烧技术的发展展望目前以机械炉排焚烧炉为代表的垃圾焚烧技术已比较成熟，并在应用中取得了良好的效益，但垃圾焚烧技术远非完善，综观近年来生活垃圾焚烧技术的发展过程，可以发现有以下四个比较明显的特点。（1） 焚烧技术正向着自我完善方向发展焚烧设备构造的不断改进，废气处理新技术的广泛应用，特别是许多高新技术在垃圾焚烧厂的应用，促使垃圾焚烧厂向高新技术发展。另外，先进的自控技术和新颖的外观设计，都使垃圾焚烧厂更加趋于完善。（2） 焚烧技术正向着多功能方向发展 现代垃圾焚烧厂不仅具有焚烧垃圾的功能，还具有发
16、电、供电、供热、供气、制冷以及区域性污水处理等多种功能。（3） 焚烧技术正向着资源化方向发展如垃圾焚烧余热发电、焚烧残渣制砖等，使垃圾焚烧与能源回收有机结合起来。利用焚烧垃圾产生的余热进行发电不仅可以解决垃圾焚烧厂内的用电需要，还可以外售盈利，促使了垃圾焚烧技术的迅速发展。另外，节能化也被国内外垃圾焚烧厂所普遍重视。如提高焚烧炉燃烧效率及余热锅炉的热回收率，减少排烟等散热损失，均是提高节能化的有效措施。（4） 焚烧技术正在向智能化方向发展垃圾焚烧厂运行实现自动化后，为了保证较佳的运行状态，目前仍然必须依赖人的经验判断。智能控制技术，它不要求已知受控对象的精确数学模型，却能很好地解决了大量常规控
17、制难以解决的控制难题，在自动控制领域得以成功应用，取得了巨大的成就。智能控制技术的发展，使垃圾焚烧厂设备及系统故障的自我诊断功能成为可能，从而得以实现低故障率和高运转率7。2 垃圾焚烧机理及其稳定性研究21 焚烧机理简述在垃圾焚烧机理和热力模型方面，国内外有过一些研究。从工程技术的观点看，垃圾物料从送入焚烧炉起，到形成烟气和固态残渣的整个过程，总称为焚烧过程。垃圾的焚烧过程比较复杂，通常由热分解、熔融、蒸发和化学反应等传热和传质过程8。结合各种资料，焚烧包括了四个阶段：第一阶段是物料的加热干燥阶段；第二阶段是热解阶段；第三阶段是焚烧处理的主阶段真正的燃烧阶段；第四阶段是燃尽阶段，即可燃质最后燃
18、尽生成固态残渣的阶段。各个阶段并非界限分明，尤其是对混合垃圾之类的焚烧过程更是如此。从炉内实际过程看，一起送入的垃圾物料中，有的还在预热干燥，而紧邻的其他物料已开始燃烧，甚至已燃尽。对同一物料而言，物料表面已进入燃烧阶段，而内部还“湿可出水”等待加热干燥。这就是说，由于垃圾物料的成分多种多样和几何尺寸的千差万别，它的焚烧过程就比燃烧煤、油、气之类的化石燃料复杂得多。一、 干燥过程城市生活垃圾的干燥是利用热能使水分汽化，并排出生成的水蒸气的过程。按热量传递的方式，可将干燥分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥3种方式。城市生活垃圾的含水率较高，一般含有30%55%。故干燥过程中需要吸收很多的热能。生活
19、垃圾的含水量越大，干燥过程所需的热能就越多，所花的时间也越长，导致垃圾焚烧炉内的温度下降也就越快，对生活垃圾焚烧的影响也就越大。严重时会使生活垃圾的焚烧难以持续下去，而必须从外界供给辅助燃料，以保证燃烧过程的顺利进行。垃圾的干燥包括：炉内高温燃烧空气、炉侧壁以及炉顶的辐射热的干燥；从炉排下部提供的高温空气的通气干燥；垃圾表面和高温燃烧气体的接触干燥；垃圾中部分垃圾的燃烧干燥。利用炉壁和火焰的辐射热，垃圾从表面开始燃烧，部分产生表面燃烧。干燥垃圾的着火温度一般为200左右。如果提供200以上的燃烧空气，干燥的垃圾便会着火，燃烧便从这部分开始。垃圾在干燥带上的滞留时间约为30min。二、 热分解过
20、程城市生活垃圾的热分解过程是生活垃圾中多种有机可燃物在高温作用下的分解或聚合化学反应过程，反应的产物包括各种烃类、固定碳和不完全燃烧物等。生活垃圾中的可燃固体一般由C、H、O、N、S、CL等元素组成。这些物质的热分解包含有多种反应，既有吸热反应也有放热反应。生活垃圾中有机可燃物的热分解速度可以用Arrnenius公式表示： 式（2.1）式中K热分解速度；A系数；E活化能；R气体常数；T热力学温度。城市生活垃圾中有机可燃物的活化能越小、热分解温度越高，则其热分解速度越快。同时热分解速度还与传热传质速率有关。热分解作为燃烧开始的第一阶段，有机物的分解直接关系到垃圾的燃烧、停留时间9。三、 燃烧过程
21、城市生活垃圾的燃烧过程中在氧气存在的条件下有机物质的剧烈氧化放热过程。生活垃圾的实际燃烧过程十分复杂，经干燥和热分解后，产生许多不同种类的气、固态可燃物，这些可燃物在与氧混合并达到一定着火条件后就会形成火焰而燃烧。城市生活垃圾中含有多种有机成分，其燃烧过程不可能是某一种单纯的燃烧形式，而是包含有蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧的综合燃烧过程。燃烧阶段是燃烧的中心部分。在干燥段垃圾干燥、热分解产生还原性气体，在本段产生旺盛的燃烧火焰，在后燃烧段进行静态燃烧（表面燃烧）。燃烧段和后燃烧段的界限称为“燃烧完了点”。即使是垃圾特性变化，但也应通过调节炉排速度而使燃烧完了点位置尽量不变。垃圾在燃烧段的滞留时
22、间约30min。总体燃烧空气的60%80%在此阶段供应。为了提高燃烧效果，均匀地供应垃圾，垃圾的搅拌混合和适当的空气分配（干燥段、燃烧段和燃尽段）等极为重要。空气通过炉排进入炉内，所以空气容易从通风阻力小的部分流入炉内。但空气流入过多部分会产生“烧穿”现象，易造成炉排的烧损并产生垃圾熔融结块。因此，设计炉排具有一定且均匀的风阻很重要。四、 燃尽阶段垃圾焚烧过程的最后阶段是燃尽阶段。将燃烧段送过来的固定碳以及燃烧炉渣中未燃尽部分完全燃烧。垃圾在燃尽段上滞留约1h。保证燃尽段上充分的滞留时间，可将炉渣的热灼减率降至5%以内。22 焚烧稳定性研究对垃圾的焚烧过程特性进行分析研究可知，在对垃圾焚烧效率
23、产生影响的众多因素中，炉温影响最为重要。较高的炉温有利于垃圾在炉内的快速充分干燥和挥发分的析出，保证热解过程的充分，并促进残碳的燃尽，从而提高垃圾的燃尽程度，满足垃圾焚烧处理的热灼减量要求；同时较高的炉温也有利于减少有害污染物例如二恶英等的排放，例如300750是二恶英极易生成的温度段，而当温度到850，烟气停留2s以后，约99.9%的二恶英会被分解，排放量急剧减少；此外，稳定炉温于较高水平也有利于提高蒸汽参数，改善蒸汽品质和产量，真正实现垃圾的资源化利用。一般来说，温度越高，停留时间越短，但是炉体耐火材料增加了负担。在实际操作过程中，当火焰温度足够高时，应对燃烧温度加以限制。可知高燃烧温度也
24、会带来相关的高温结渣、腐蚀和增加炉体负担等问题10。综上所述，炉温的影响直接关系到垃圾焚烧燃烧稳定性、燃尽率、二次污染物的排放、低温腐蚀、高温结渣，生产运行的经济性等等，炉温的波动将引起燃尽率的变化，导致灰渣热灼减率超标，同时也会影响蒸汽的生产，降低焚烧炉运行的经济性。曾总结某实际垃圾焚烧炉的运行情况，发现垃圾焚烧炉在850950范围内运行时，烟气在线监测系统监测的烟气污染物的排放较小，且蒸汽产量稳定。取样分析结果也表明，此时的灰渣热灼减率也是最小且稳定的。因此在整个垃圾焚烧过程中稳定燃烧的一个主要指标是控制炉内的温度分布，维持炉内较高的焚烧温度并保持炉温稳定，特别是炉膛温度控制在850950
25、。23 密闭式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧炉的概述2.3.1工艺过程 密闭式城市生活垃圾焚烧炉的工艺是将收集运送的城市生活垃圾粗粉碎后与石灰石、苏打等添加剂掺混，然后由加料斗加入焚烧炉内，辅助燃料（焦炭、块煤）也从加料斗处定时加入；经烟气余热预热（温度为100300）后的一次空气或富氧经送风管吹入炉内。城市生活垃圾在炉内自上而下先经过预热干燥带，加热到100200下挥发出水分；干燥后的城市生活垃圾下降到炉体中部，城市生活垃圾被加热升温至200600，城市生活垃圾中的有机成分发生热分解气化反应，产物主要含有CH4，CO，H2，CO2等；气化后的残留物进入还原焚烧带，在6001250下燃烧释放出热
26、量保持炉内高温，使得残留物在熔融带的高温（12501450）下完全燃烧，无机物熔化成熔融灰渣。焚烧后产生的高温可燃气体及烟气通过烟道进入二次燃烧室和余热锅炉发电系统或集中供热系统进行完全燃烧和余热利用；整个城市生活垃圾处理过程中焚烧炉内保持还原性气氛，焚烧后的熔融渣与金属通过出渣口排出，由磁力分选出金属回收利用，熔融灰渣可用作建筑材料等。密闭式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧炉的特征：结构简单、基建投资抵，特别适用于处理废旧电视机、计算机等产业垃圾；炉内热交换较好，炉床指数高，处理能力的选择性较大；有价金属易于回收，熔融灰渣可再生资源化；城市生活垃圾燃烧产生的热量易于回收利用；实现了城市生活垃圾处
27、理的减容化、无害化及资源化，基本实现了城市生活垃圾处理过程中二恶英的零排放。其工艺流程见图2.1图2.1 密闭式城市垃圾直接气化熔融焚烧过程处理流程2.3.2 控制系统构成 密闭式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程控制的主要目的就是要确保直接气化熔融焚烧系统达到稳定良好的燃烧状态。欲达到此目标就必须使城市生活垃圾直接气化熔融、气化产生的高分子可燃气体能够完全燃烧并使污染物的排放量降到最低程度。密闭式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程控制系统的操作参数以及处理工序应该包括：（1）城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程中熔融区温度控制；（2）城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程第2燃烧室温度控制；（3）城市生活
28、垃圾直接气化熔融焚烧过程余热锅炉蒸气量控制；（4）城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程炉膛负压控制；（5）城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程中炉膛内氧含量控制；（6）城市生活垃圾直接气化熔融过程城市生活垃圾进料控制。此外城市生活垃圾直接气化熔融焚烧系统另有氮氧化物NOx的浓度控制、副烟道阀门开度控制、助燃空气量及温度控制等。但从整个工艺过程看, 重点控制应该是熔融区温度控制和第2燃烧室温度控制,所以本文将对熔融区温度和第2燃烧室温度进行模糊自适应控制。2.4 本章小结垃圾焚烧炉的燃烧过程是强耦合的多输入多输出非线性系统，其动态特性随运行工况的变化而大幅度变化，且各环节的动态特性差异很大，存在惯性、滞
29、后、非线性、时变、工作环境和干扰的不确定性，很难获得精确的数学模型。即使获得精确的数学模型，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而在应用中这些假设往往与实际不符，因此使得传统的控制理论在焚烧炉的燃烧过程中无法收到良好的控制效果。另外，由于垃圾焚烧炉入炉垃圾因为季节、成分和水分等方面的变化，造成了垃圾热值的不稳定性，另外再运行一段时间或经过重新检修以后，垃圾焚烧炉特性也会有一定的变化，以上这些都易造成垃圾焚烧工况的复杂多变。所以基于精确数学模型、对象特性的传统PID方法无法满足垃圾焚烧控制的需要。在实际的生产过程中熟练的操作工人往往可以对焚烧炉燃烧过程进行有效的控制。操作者对被控对象进行控制时主要
30、是通过不断学习，积累操作经验。这些经验包括他对被控对象特性的了解及在各种情况下的控制策略、性能指标判据。然后根据这些经验建立起一组用自然语言形式表达的具有模糊性的行之有效的控制规则，来对被控对象进行控制。这就是所谓的模糊控制策略，它不要求已知受控对象的数学模型，却能很好的解决了大量常规控制难以解决的控制难题，这已经在不同领域的自动控制系统中得以成功应用。基于经验的模糊控制在一些复杂条件下的控制效果要远远好于传统的控制方法，具有极好的稳定特性和鲁棒特性，可以很好的解决大量常规控制难以解决的控制难题。通过改进焚烧控制方式，可实现较稳定的垃圾燃烧过程，减小温度波动范围，减轻工人劳动强度并为降低二次污
31、染和减弱高温腐蚀奠定基础。3 模糊理论介绍31国内外模糊控制理论的发展概况模糊集合和模糊控制的概念是由扎德教授在其Fuzzy Sets, Fuzzy Algorithm和A Rationale for Fuzzy Control等著名论著中首先提出的模糊集合的引入，可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制器的形成奠定了基础。1972年，以日本东京大学为中心，发起成立了“模糊系统研究会”。1974年在加利福尼亚大学的美日研修班上，进行了有关“模糊集合及其应用”的国际学术交流。1978年在国际上开始发行F
32、uzzy Sets and Systems专业杂志。1984年IFS从International Fuzzy System Association)正式成立，并已召开了几届国际模糊系统会议。从1992年起，IEEE Fuzzy Systems国际会议每年举办一次。1993年，IEEE Trans. On Fuzzy Systems开始出版。至今，世界上研究“模糊”的学者已超过万人，发表的重要论文达5000多篇，研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用、模糊系统及其硬件集成.与知识工程和控制方面有关的研究有:模糊建模理论、模糊序列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等。最近几年，对于
33、经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数(或规则)自调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。日前，将神经网络和模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，由此可以组成一组更接近于人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分诱人。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。1979年李宝绥、刘志俊等人开始用连续数字仿真方法研究典型模糊控制器的性能，随后一些高校及科研单位的专
34、家与学者都加入到研究队伍之中。1981年，成立了中国模糊系统和模糊数学学会，并创办了当时世界上第二份模糊专业学术杂志模糊数学，1987年易名为模糊系统与数学。全国至少有40多所高校开设模糊数学课程，已出版的有关模糊系统方面的著作约有50木，正式发表的论文已达数千篇，引起国际模糊界的特别重视。但在应用的深度和水平上还不高，模糊逻辑技术的开发工具落后，许多系统的开发方法仍停留在原始的手工编程开发阶段。我国政府也十分重视模糊控制理论与应用研究，并在1988年，将模糊控制理论研究正式列入国家自然科学基金项日和“863”计划项日。1989年，国家教委在北京师范大学建立了国家级模糊实验室。刘增良教授主持完
35、成的“模糊控制计算机系统”和“基于因素神经网络理论的学习型模糊推理机”成果，都达到了世界先进水平。汪培庄、楼世博、王立新、张文修、诸静、邓聚龙、龙升一照、李友善、李士勇、徐承伟、张化光、闰世杰、孙庚山等学者在理论上取得了许多突出研究成果，他们所做的工作都对我国的模糊控制理论及其应用研究起到了积极的促进作用11。32模糊控制的应用及其所面临的主要任务1974年，英国伦敦大学教授E.H.Mamdani利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质。其控制方法的特点是把人的经验转化为控制策略，为模型未知的复杂系统控制提供了简便的模式。此项研
36、究开创了模糊控制理论在工程上获得成功应用的先河。随后，荷兰、丹麦、美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功地应用在温度、热水装置、压力与液面、十字路口交通枢纽指挥、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。1979年英国的I.J.Procyk和E.H.Mamdani提出了一种自组织模糊控制器，它可在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。它标志着模糊控制器“智能化”程度进一步向高级阶段发展。1984年，美国推出“模糊推理决策支持系统”。80年代末在日本兴起的模糊控制技术是高科技领域的一次革命，其成果己被广泛地应用于各个领域，使得日本的模糊控制理论研究和应用水平处于世界领先地位
37、。与此同时，其它国家也不示弱，美国也投入了相当大的人力与财力.支持模糊控制理论与应用的研究。日前美国国家航空与航天局(NASA)正在考虑把模糊系统用于太空和航空系统。国际原子能机构(IAEA)和国际工业应用系统机构(IIASA )也准备在大型系统高速推理上应用模糊系统理论。有文献表明，在航天器空间对接的研究中，国外己将模糊控制应用于绕飞和最后逼近阶段的控制，克服了难以建立精确数学模型的困难:在空NJ机器人的控制系统中应用模糊控制，使其对负载和工作条件的变化有很强的适应性。日本九州大学的户贝博士与山川教授于1983年分别开发了将模糊推理作为硬件的模糊集成块，后来制成了推理机及模糊控制用的“模糊计
38、算机”。虽然户贝博士实现了模糊推理，但由于使用了常规数字技术，1秒钟只能推理1000万次。模糊集成块的研究除日木外，中、美、英等国都在进行，它将朝着体积小、速度快、应用广等方面迅速发展，从而为模糊控制的实时应用提供了强有力的硬件支持。1985-1986年，日本进入了模糊控制实用化时期，特别反映在：1. 过去以大型机械设备和生产过程为研究对象，而目前以家用电器产品为应用对象。根据日本电气公司(NEC) 1991年9月统计，松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等电器中普遍应用了模糊控制理论，到1994年其普及率已超过50%,有的超过了80%。2. 向复杂系统、智能系统、人类与社会系
39、统以及自然系统方向扩展。3. 在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片.并且开发“模糊控制通用系统”。在国外，模糊控制器集成硬件己有出售。如富士电机公司的FRUITAX(Fuzzy Rule Information Processing Tool for Advanced Control System);立石电机公司的FZ-30U0. FZ-50013和英国Image Automation公司的LINK man。推理方法有Max-Min, Max-Product等多种，规则数多达500条，前提命题数6个，结论部命题数为2个，输出算法根据规则可分为速度型和位置型。所有这些努力都极大地加
40、强了模糊控制理论研究与应用的效果。国内在模糊控制应用方面也同样取得了显著成果. 1986年，都志杰等人用单片机研制了工业用模糊控制器.随后，何刚、能秋思、刘浪舟、于旭亮、张广成、川成力、李友善等人相继将模糊控制方法成功地应用在碱熔金反应温度、气炼机、玻璃窑炉、化工大滞后过程、功率因素补偿、九管还原炉与选矿破碎过程、锅炉与甜菜制搪控制系统中。可以预料，随着模糊控制理沦的不断完善，应用领域将会更加广泛。虽然经典模糊控制理论己在工程上获得了许多成功的应用，但目前仍处于发展过程的初级阶段，还存在大量有待解决的问题，目前所面临的主要任务是:1. 建立一套系统的模糊控制理论。模糊控制理论研究还期待着坚实的
41、、系统的、奠基性的内容，以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设计方法、新型自适应模糊控制系统、专家模糊控制系统、神经模糊控制系统和多变量模糊控制系统的分析与设计等一系列问题.以促进模糊控制理论的发展，从而建立一套严格的、系统的模糊控制理论。2. 模糊集成控制系统设计方法研究。随着被控对象日益复杂，往往需要二种或多种控制策略的集成，通过动态控制特性上的互补来获得满意的控制效果。现代控制理沦、神经网络理论与模糊控制的相互结合以及相互渗透，可构成所谓的模糊集成控制系统。对其建立一套完整的分析与设计方法也是模糊控制理论研究的一个重要方向。3. 模糊控制在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建
42、立和推理算法的深入研究。4. 自学习模糊控制策略和智能化系统及其实现。5. 常规模糊控制系统稳态性能的改善。6. 把已经取得的研究成果应用到工程实际过程中，尽快转化为生产力。因此，需要加快简单、实用的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发与推广应用。综上所述，模糊控制在工业中的应用是一个相对迅速发展的领域。随着模糊控制理论的不断发展和运用，模糊控制技术将为工业过程控制开辟新的应用途径，前景十分光明11。33模糊控制方法的设计步骤模糊控制理论发展至今天，已形成了比较完善的理论体系，其设计方法也日益成熟。这给工程设计带来了方便，同时也对模糊控制器的设计提出了一些基本要求。模糊控制器的设
43、计实际上有两大部分：（1） 信号的处理过程的设计。这部分包括测量信号的模糊化，模糊表查询，以及输出控制量的解模糊化。（2） 模糊控制器核心的设计。这部分包括模糊控制器结构的设计、模糊控制查询表的建立，查询表的建立又包括隶属函数、控制规则和推理方法的确定。一、 模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。究竟选择哪些变量作为模糊控制器的信息量，还必须深入研究在手动控制过程中，人如何获取、输出信息，因为模糊控制器的控制规则归根到底还是要模拟人脑的思维决策方式。通常将模糊控制其输入变量的个数称为模糊控制的维数。一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种模
44、糊控制器只有误差这一个输入变量，它的动态控制性能不佳。目前被广泛采用的均为二维模糊控制器，这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。二、 模糊控制规则的设计模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言控制器，它在某种程度上体现了人的思维方式。但客观世界上并没有现成的控制规则，它需要设计者根据控制器的结构从大量的观察和实验中提取，经过去伪存真、去粗存精的过程，形成一系列用模糊条件语句描述的语言控制规则。因此，模糊控制器又称模糊语言控制器。在许多情况下模糊规则的提取和选择
45、是一个繁复的过程，往往掺杂着许多设计者的主观思维，而作为设计者本身，应尽量避免或减弱这种主观性的影响。模糊控制规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句，他们反映了人类的某种思维方式。例如，人在描述车速时，常用“快”、“较快”、“很快”、“较慢”等词汇，在描述人的年龄时，常用“老年”、“中年”、“青年”等。一般控制规则的表达方式则是：若“A”则“B”（即if A then B）等形式，而里面的A、B即是“快”“慢”等此类的模糊子集。在控制参数模糊化前，首先要确定其基本语言值，然后根据语言值确定其隶属函数和论域。如在描述误差的大小时，先确定语言变量的三个元值：“正”、“零”、“负”，如果需要的话还可
46、以生成“正大”、“正中”、“正小”、“正零”、“负零”、“负小”、“负中”、“负大”等。一般来说，一个语言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制效果就越好。但是，过细的划分反而有可能使控制规则变得很复杂。因此，应根据具体情况来定。控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。三、 精确量的模糊化方法由于模糊控制器内部的推理和规则表达都是采用模糊语言描述，而系统测量得到的却是精确的数字，所以就存在着一个将精确量（数字量）转换为模糊量的过程。如图3.1所示：模糊控制器的输入变量的实际变化
47、范围a，b（a，b为实数）称为这些变量的基本论域，基本论域内的量为精确量。模糊化则是要将在基本论域a，b中的精确量映射为到论域-n，n（n为正整数）中。图3.1 论域模糊化设某精确量的实际变化范围为a，b，其相应的论域为-n，n，则可知其转化公式为式3.1=n-(-n)e-(a+b)/2/(b-a) 式（3.1）即 其中，称为量化因子。四、模糊推理过程和查询表的建立模糊推理过程首先就要解决一个从论域到模糊子集的转换问题。假定输入的模糊变量为温差量，将在-6，6上连续变化的温差量BE分为语言变量的七个档次：NB“很低”，-6附近，即炉温比控制目标温度低很多；NM“比较低”，-4附近，即炉温比控制目标温度低；NS“有点低”，-2附近，即炉温比控制目标温度有点低；ZO“正常”，0附近，即炉温比控制目标温度一致；PS“有点高”，+2附近，即炉温比控制目标温度有点高；PM“比较高”，+4附近，即炉温比控制目标温度高；PB“很高”，+6附近，即炉温比控制目标温度高很多；其中：论域为-6，-5，-4，-34，5，6，模糊子集为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，英文缩写为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。一个精确的测量值通过模糊化，映射到论域中，最终归属到哪个模糊子集，主要就是通过模糊子集的隶属函数。隶属函数就是在一定论域到0，1上的映射，用