医疗垃圾热分解焚烧炉结构及其控制系统设计

摘要

医疗垃圾具有极强的传染性,生物病毒性和腐蚀性被我国列入47种危险废弃物目录中的首位。热分解焚烧技术将热分解低污染与焚烧无害化结合起来,具有研发周期短、技术路线灵活、耗资少、易于实现工业化等显著优点,已经成为医疗垃圾处理技术发展领域中的焦点所在。本文根据医疗垃圾热分解焚烧处理实际情况,借鉴国内外先进技术与经验,对医疗垃圾热分解焚烧炉进行了研究与设计,主要包括炉体结构设计、控制算法设计、控制系统软硬件设计和自动控制功能的实现。
　　炉体结构设计中,设计了热分解室与燃烧室同轴的圆筒形炉体,使结构紧凑,且减少了能量损失。同时对炉壳厚度、炉门结构、炉体功率大小等进行了设计,保证了医疗垃圾热分解焚烧炉的硬件基础。
　　炉温作为热分解焚烧炉最关键的控制参数。本文对温度的控制策略进行了深入研究。通过对控制策略的分析,得出传统的PID闭环控制与单一的模糊控制对温度控制效果不佳。因此,提出了将模糊控制的智能性与PID控制的通用型、可靠性相结合的模糊PID控制策略。模糊PID控制包括模糊自整定PID控制和模糊控制器与PID的混合结构。模糊自整定 PID实现了实时依据现场条件对 PID参数进行整定。模糊控制器与PID的混合结构实现了温度的分段控制。即偏差大时采用模糊控制加快系统响应速度,偏差小于某一阈值时自动切换成PID控制,以消除静态误差。
　　控制系统采用工控机作为上位机,西门子S7-200PLC作为下位机,传感器、变送器、执行机构等组成的集散控制系统。控制系统的研究工作主要包括软硬件的设计。系统的硬件设计包括 PLC及传感器的选型等。软件设计包括上位机与下位机的软件开发两部分。上位机软件在EV5000组态软件开发平台上研制开发,实现了历史趋势曲线显示、控制参数的设定与显示、历史数据存储及查询、数据报表打印、安全管理、数据通信等功能。下位机软件由Step7软件包开发,完成系统的数据采集、控制回路、数字滤波和模糊PID控制算法等功能。模糊 PID控制算法在下位机中的应用,实现了PID控制参数的在线调整和温度系统的分段控制。
　　最后,利用Matlab中Simulink环境和Fuzzy逻辑工具箱对温度系统的不同控制策略了进行了仿真与分析。仿真结果表明,温度系统具有非线性、时滞性、不确定性等特点,采用单一PID控制、带Smith预估器的PID控制无法同时解决超调量与调节时间的矛盾。模糊控制虽能满足超调量与调节时间的要求,但存在稳态误差。模糊PID控制很好解决了上述问题,明显改善了系统的超调量与调节时间,是一种理想的智能控制方案。

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第一章 绪论

§1.1 课题研究背景及意义

§1.2 医疗垃圾处理技术

§1.3 医疗垃圾热分解焚烧炉的处理工艺

§1.4 医疗垃圾焚烧炉概述与对比分析

§1.5 国内外医疗垃圾热分解焚烧控制现状

§1.6 医疗垃圾热分解焚烧炉控制策略的分析

§1.7 论文主要内容及构成

第二章 医疗垃圾热分解焚烧炉结构设计

§2.1 医疗垃圾热分解焚烧炉结构设计的基本要求

§2.2 炉膛结构设计

§2.3 炉壳厚度设计

§2.4 炉门结构设计

§2.5 炉体功率大小的设计

§2.6 加热元件的设计

§2.7 热交换器的选型

§2.8 除尘器选型

§2.9 脱盐塔的设计

第三章 医疗垃圾热分解焚烧炉控制系统总体结构及硬件设计

§3.1 系统控制技术指标

§3.2 控制系统总体设计

§3.3 控制子系统的设计

§3.4 系统硬件设计

§3.5 本章小结

第四章 温度系统控制策略的研究与设计

§4.1 被控对象与系统特性

§4.2 PID控制

§4.3 PID整定的方法

§4.4 模糊控制

§4.5 本章小结

第五章 医疗垃圾热分解焚烧炉控制系统软件设计

§5.1 控制系统概述

§5.2 系统下位机程序设计

§5.3 上位机软件的设计

§5.4 本章小结

第六章 温度系统控制策略的仿真研究

§6.1 单一PID控制温度系统仿真结构的搭建

§6.2 带Smith预估器的PID控制仿真结构的搭建

§6.3 PID温度系统的仿真及分析

§6.4 模糊控制器的仿真

§6.5 模糊自整定PID控制的仿真

§6.6 模糊控制器与PID的混合结构仿真

§6.7 仿真结果分析

§6.8 本章小结

第七章 总结与展望

§7.1 总结

§7.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果