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        回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)及仿真

        2010-03-16 01:19:00佘乾仲覃新穎
        裝備制造技術(shù) 2010年11期
        關(guān)鍵詞:控制精度回轉(zhuǎn)窯控制算法

        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)卻與國際先進(jìn)水平存在較大差距?;剞D(zhuǎn)窯作為新型干法水泥生產(chǎn)過程中的重要工段,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。但由于該過程具有多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性、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)觀測控制過程中的狀態(tài)量來計(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完成一個(gè)近似的策略。其模糊邏輯法則,即語言控制規(guī)則,模糊控制器,實(shí)質(zhì)上反映輸入語言變量和輸出語言變量及語言控制規(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)觀測控制過程得到的精確量,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

        一般來說,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程,由于窯體體積和質(zhì)量都很大,運(yùn)轉(zhuǎn)起來就會(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)行曲線如圖2所示。采用模糊控制算法的運(yùn)行曲線圖如圖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,超調(diào)量大。相比而言,模糊控制無超調(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

        5 結(jié)束語

        本文針對(duì)傳統(tǒng)PID無法很好的實(shí)現(xiàn)水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度控制的問題,提出了采用模糊控制的方式來設(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MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)得出,所設(shè)計(jì)的模糊控制器具有無超調(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,滿足了水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度控制的要求。

        [1]劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

        [2]商 丹,高永清.回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].工況自動(dòng)化,2009,(1):30-32.

        [3]汪海峰,諸 靜.模糊預(yù)測控制在水泥生產(chǎn)過程中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2003,(2):10-13.

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