佘乾仲，覃新穎，彭 奎

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.百色學(xué)院電信與物理工程系，廣西 百色 533000）

廣西水泥制造業(yè)發(fā)展迅猛，能耗指標(biāo)卻與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距。回轉(zhuǎn)窯作為新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程中的重要工段，是一個(gè)高耗煤、耗電的環(huán)節(jié)，也是水泥企業(yè)增產(chǎn)、節(jié)能及降耗的關(guān)鍵所在。保持回轉(zhuǎn)窯熟料煅燒生產(chǎn)過(guò)程中的熱工制度的平衡，是提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、降低能耗的重要途徑。但由于該過(guò)程具有多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線(xiàn)性、大滯后等特點(diǎn)，傳統(tǒng)PID控制算法很難取得理想的控制效果。本文以廣西某大型水泥廠的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度無(wú)超調(diào)量、控制精度高等的穩(wěn)定控制。

1 模糊控制的基本結(jié)構(gòu)和原理

模糊控制器的功能，是根據(jù)觀測(cè)控制過(guò)程中的狀態(tài)量來(lái)計(jì)算控制量的值，狀態(tài)量和控制量之間的關(guān)系，可看作是一組邏輯法則，當(dāng)這個(gè)關(guān)系只能定性知道時(shí)，則可指定許多模糊邏輯法則來(lái)完成一個(gè)近似的策略。其模糊邏輯法則，即語(yǔ)言控制規(guī)則，模糊控制器，實(shí)質(zhì)上反映輸入語(yǔ)言變量和輸出語(yǔ)言變量及語(yǔ)言控制規(guī)則的模糊定量關(guān)系算法結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)是要把計(jì)算機(jī)觀測(cè)控制過(guò)程得到的精確量，轉(zhuǎn)化為模糊輸入信息，按照總結(jié)人的控制經(jīng)驗(yàn)及策略取得語(yǔ)言控制規(guī)則，進(jìn)行模糊推理和模糊決策，求得輸出控制量的模糊集，再經(jīng)模糊判決，得出輸出控制的精確量，作用于被控對(duì)象。因此，模糊控制器的結(jié)構(gòu)，通常是由其輸入和輸出的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判決等部分組成。在模糊控制器中，大多數(shù)選擇偏差值e以及偏差變化率ec作為它的輸入變量，而把控制量作為模糊控制器的輸出變量。這樣就確定了模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示

圖1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)，回轉(zhuǎn)窯窯頭燒成帶是燒制熟料的重要反應(yīng)區(qū)，熟料品質(zhì)的好壞，直接與燒成帶溫度有關(guān)，燒成帶物料溫度大約控制在1450℃左右為最佳。故設(shè)定目標(biāo)溫度為1450℃。模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟如下：

2.1 確定控制器的輸入輸出

一般來(lái)說(shuō)，常用的模糊控制系統(tǒng)模型有單輸入單輸出型和雙輸入單輸出型。本設(shè)計(jì)選擇溫度誤差e及誤差變化量ec為輸入，輸出變量u作為控制器的輸出用于控制對(duì)象，這樣模糊控制器具有二輸入一輸出的結(jié)構(gòu)。

2.2 隸屬函數(shù)的建立

運(yùn)行MATLAB軟件，在MATLAB窗口中鍵入命令fuzzy，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口FISEditor，建立e、ec、u的隸屬度函數(shù)，各子集隸屬函數(shù)均采用高斯分布函數(shù)。對(duì)于輸入變量e、ecu及輸出變量u均選取[-6，6]的論域，并都記為模糊子集[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]。

2.3 確定控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則如表1所示。

3 回轉(zhuǎn)窯燒成過(guò)程的系統(tǒng)建模

正常運(yùn)行情況下，回轉(zhuǎn)窯作為典型的熱工過(guò)程，由于窯體體積和質(zhì)量都很大，運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)就會(huì)出現(xiàn)一定的慣性，并且狀態(tài)量對(duì)控制量的變化反應(yīng)緩慢，故可近似用一階慣性加純滯后

環(huán)節(jié)表示：

G（s）=Ke-τs/Ts+1

模擬實(shí)際系統(tǒng)加入階躍增量后的響應(yīng)。

這里，

放大系數(shù)K=2，

純滯后時(shí)間τ=30s，

慣性時(shí)間常數(shù)T=55s。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 仿真結(jié)果分析

針對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度控制，采用傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行仿真，運(yùn)行曲線(xiàn)如圖2所示。采用模糊控制算法的運(yùn)行曲線(xiàn)圖如圖3所示。對(duì)比兩圖可知，傳統(tǒng)PID控制算法雖上升時(shí)間較短，但過(guò)渡時(shí)間與超調(diào)量之間存在矛盾，而且調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大。相比而言，模糊控制無(wú)超調(diào)，控制精度更高，控制效果得到明顯改善。

圖3 模糊控制運(yùn)行曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)PID無(wú)法很好的實(shí)現(xiàn)水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度控制的問(wèn)題，提出了采用模糊控制的方式來(lái)設(shè)計(jì)溫度控制器的方案，結(jié)合工程師的回轉(zhuǎn)窯控制經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造了模糊控制規(guī)則表，選擇模糊方法和模糊判決，建立了模糊控制系統(tǒng)。最后通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)得出，所設(shè)計(jì)的模糊控制器具有無(wú)超調(diào)、控制精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，滿(mǎn)足了水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度控制的要求。

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