王盛慧，　王子峰,　姜長泓

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 吉林 長春　130012)

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模糊PID水泥分解爐溫度控制

王盛慧，王子峰,姜長泓*

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 吉林 長春130012)

摘要：將模糊控制與PID控制相結(jié)合，主要解決水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的非線性、大滯后問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明算法可行。

關(guān)鍵詞：水泥分解爐；PID控制； 模糊控制

0引言

水泥分解爐是新型干法水泥生產(chǎn)中的核心設(shè)備,它的誕生和發(fā)展代表國際水泥生產(chǎn)行業(yè)先進(jìn)水平,其主要功能是承擔(dān)碳酸鹽分解的任務(wù)。分解爐出口溫度不僅決定碳酸鹽分解的程度,也決定了水泥窯系統(tǒng)是否可以穩(wěn)定運(yùn)行。如果出口溫度過高,可能會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)旋預(yù)熱器內(nèi)部殼體堵塞。如果出口溫度太低,會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入到回轉(zhuǎn)窯的碳酸鹽分解率過低,增加了回轉(zhuǎn)窯的負(fù)擔(dān)[1]。所以在水泥生產(chǎn)過程中，分解爐出口溫度控制是至關(guān)重要的。

控制的困難在于分解爐的特性,如非線性、時(shí)變性、延遲大,這些因素決定了國內(nèi)的水泥生產(chǎn)企業(yè)大多使用手工方法來控制水泥分解爐中的溫度,只有一小部分企業(yè)的技術(shù)和設(shè)備具有先進(jìn)水平，能夠使用自動(dòng)控制方法。不同水平的操作員會(huì)造成分解爐出口溫度具有很大的波動(dòng)，影響水泥窯系統(tǒng)和熱穩(wěn)定性，對(duì)水泥生產(chǎn)和質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。與此同時(shí),分解爐的特點(diǎn),如非線性、時(shí)變、大延時(shí)等，使得傳統(tǒng)的PID控制很難得到較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，抗干擾能力也差。針對(duì)分解爐出口溫度控制情況，提出了一種模糊PID復(fù)合控制方案，這個(gè)方案是模糊控制和PID控制算法相結(jié)合，它的合理性和實(shí)用性已經(jīng)在連續(xù)和穩(wěn)定的水泥生產(chǎn)過程中得到證實(shí)。

1影響水泥分解爐出口溫度的因素

1.1喂煤量

煤是煅燒窯的燃料。在空氣流通不便和煤完全燃燒的情況下，喂煤量的改變將會(huì)改變分解爐內(nèi)的溫度。在生料量相同的情況下，喂煤量的改變將會(huì)改變分解爐的分解速率。喂煤量越大，分解率越大，同時(shí)出口溫度越高；相反，喂煤量越小，分解率越小，同時(shí)出口溫度越低。所以，喂煤量的變化主要是改變了分解率及出口溫度。在水泥生產(chǎn)中，通過改變喂煤量來控制出口溫度是比較普遍的一種方法。

1.2生料量

生料量越大，分解過程中吸熱越多，出口溫度越低;相反，生料量越小，分解過程中吸熱越少，出口溫度越高。但是，在水泥生產(chǎn)過程中，不能運(yùn)用這種改變生料量的方法來控制分解爐出口溫度。

2模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制被廣泛使用并能取得良好的效果，其優(yōu)勢(shì)在于它不需要控制系統(tǒng)有精確的數(shù)學(xué)模型，而且對(duì)于非線性、時(shí)變、延遲大的系統(tǒng)，系統(tǒng)的魯棒性也非常好。雖然模糊控制系統(tǒng)很容易獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，但其靜態(tài)性能仍不令人滿意，而且PID控制能夠得到更穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高精度，所以，PID控制可以和模糊控制相結(jié)合形成模糊PID控制，使得控制效果更好。模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1　模糊PID結(jié)構(gòu)圖

2.1PI控制增量的設(shè)計(jì)

為了避免控制器的輸出嚴(yán)重影響水泥的生產(chǎn)，使用了PI控制增量，規(guī)則如下[3]：

(1)

(2)

式中：Kp----比例系數(shù)；

Ki----積分系數(shù)；

T----采樣時(shí)間；

k----采樣序列；

e(k)----時(shí)刻k的偏差；

Δu(k)----時(shí)刻k時(shí)的控制器輸出增量。

PI控制的好壞取決于PI控制器的參數(shù)選擇，理想的控制參數(shù)是：Kp為0.046，Ki為0.001。

2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器由四部分組成：模糊化接口輸入、知識(shí)庫、推理引擎、去模糊化接口輸出。

2.3模糊化接口的確定

系統(tǒng)運(yùn)用一個(gè)兩輸入、單輸出的模糊邏輯控制器。根據(jù)分解爐出口溫度的控制過程，輸入選定的出口溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出選擇的增量窯尾煤喂量的增量Δu。利用斜率確定偏差的趨勢(shì)。對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列X=x(T)，x(2T)，x(3T)，…，x(nT)，T是采樣周期，那么曲線的斜率k(iT)為[4]：

(3)

式中:x(iT)----第i個(gè)采樣數(shù)據(jù)。

變量選好后，要選擇適當(dāng)?shù)淖兞恐?。在確?？刂埔?guī)則靈活且詳細(xì)的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵龅淖兞恐?，即{PA，PB,PM，PS，O，NS，NM，NB，NA}，它們的含義是{正最大，正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大，負(fù)最大}，輸入和輸出變量值的值域?yàn)?-10，10)。隸屬函數(shù)選擇的是三角隸屬函數(shù)，如圖2所示。

2.4各系數(shù)的確定

根據(jù)實(shí)際情況，e的值域確定為[-6，+6]，ec的值域確定為[-1.82，+1.82]，各量化系數(shù)為：Ke=10/6=1.666 7，Kec=10/1.82=5.494 5。Δu的值域?yàn)閇-3，+3]，比例系數(shù)Ku=3/10=0.3[5]。

圖2三角隸屬函數(shù)

2.5模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)

模糊控制規(guī)則的形成是把有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜业目刂浦R(shí)和經(jīng)驗(yàn)制定成若干控制決策表，這些規(guī)則可以用自然語言來表達(dá)，但一般要進(jìn)行形式化處理[6]。系統(tǒng)運(yùn)用下述方式描述這種控制規(guī)則：

1)IfAThenB；

2)IfAThenBElseC；

3)IfAandBThenC。

例如，如果出口溫度偏差為負(fù)大，偏差的變化率為負(fù)大，那么喂煤量的增量就是正大。具體控制規(guī)則見表1。

表1　模糊控制規(guī)則

2.6輸出端的模糊化

對(duì)于以上提出的控制規(guī)則，運(yùn)用三角隸屬函數(shù)和加權(quán)平均的方式來進(jìn)行模糊操作。

(4)

式中,μi是屬于Δu的,ui的值域是Δu。然后可以得到喂煤量的增量Δu，Δu=UKu。

3仿真研究

在模糊PID控制中要用到各種算法來實(shí)現(xiàn)其推理過程,這些算法包括推理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、隸屬函數(shù)的定義、隸屬函數(shù)的形狀及表示算法、控制規(guī)則的表示和識(shí)別算法以及反模糊化的算法等。 針對(duì)文中提出的模糊PID控制策略，選擇如下式具有純滯后二階慣性經(jīng)典模型作為控制對(duì)象，對(duì)文中提出的模糊PID控制方案進(jìn)行仿真研究[7]。

(5)

式中：K----靜態(tài)增益;

T1、T2----時(shí)間常數(shù);

τ----滯后時(shí)間系數(shù)。

在Matlab7.0 環(huán)境下，進(jìn)行仿真試驗(yàn)[8]。

文中在初始值、分解爐模型等因素都完全相同的條件下，出口溫度最終設(shè)定在860 ℃，分別做出在常規(guī)PID控制和模糊PID控制的仿真。結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　模糊PID仿真曲線

圖4　常規(guī)PID仿真曲線

通過對(duì)比兩條曲線圖可以清晰地看出，文中提出的模糊PID(Fuzzy-PID)控制系統(tǒng)可以使分解爐出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，而且還具有調(diào)整時(shí)間短、幾乎沒有超調(diào)量、波動(dòng)穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零等優(yōu)點(diǎn)，滿足水泥生產(chǎn)的控制要求，在提高系統(tǒng)抗干擾性及參數(shù)變化的魯棒性等方面優(yōu)于常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器，所以模糊PID控制器展現(xiàn)了它良好的控制效果。

4結(jié)語

針對(duì)水泥生產(chǎn)過程中具有時(shí)變、非線性、延時(shí)大等特點(diǎn)，提出了一種用于控制水泥分解爐出口溫度的基于模糊控制和PID控制相結(jié)合的復(fù)合模糊PID控制策略，這個(gè)方案是模糊控制和PID控制算法的結(jié)合。采用這個(gè)方案對(duì)水泥分解爐出口溫度進(jìn)行控制，可以得到良好的控制效果。從圖中可以看到，模糊PID控制比起傳統(tǒng)的PID控制方法具有更好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，在縮短過渡時(shí)間、最大超調(diào)量上都有較明顯的效果。模糊PID控制的應(yīng)用不僅能夠節(jié)省在水泥生產(chǎn)過程中所需的燃料，并且能夠?qū)崿F(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的最優(yōu)控制。所以，該策略具有一定的理論價(jià)值，同時(shí)，模糊PID控制在水泥生產(chǎn)過程中一定會(huì)有很好的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉俞銘.預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)新技術(shù)新工藝流程與質(zhì)量控制及窯爐機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)改造操作參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)實(shí)務(wù)全書[M].北京:北方工業(yè)出版社，2006.

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[7]蘇明,陳倫軍,林浩.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].現(xiàn)代機(jī)械,2004(4):51-54.

[8]石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:204-206.

Fuzzy-PIDbasedtemperaturecontrollerfordecomposingfurnace

WANGShenghui,WANGZifeng,JIANGChanghong*

(SchoolofElectrical&ElectronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：CombiningtheFuzzyfunctionwithPIDcontrol,thenon-linearandlongdelayproblemsinthecementproductionprocesscanbesolved.Thesimulationresultsveritythealgorithm.

Keywords：decomposingfurnace;PIDcontrol;Fuzzycontrol.

收稿日期：2015-12-12

基金項(xiàng)目：吉林省科技廳基金資助項(xiàng)目(20150203003SF)

作者簡介：王盛慧(1976-)，女，漢族，吉林吉林人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，碩士，主要從事信號(hào)檢測與處理方向研究,E-mail:wangshenghui@ccut.edu.cn. *通訊作者：姜長泓(1969-)，男，漢族，吉林延吉人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事復(fù)雜工業(yè)過程的智能控制與優(yōu)化方向研究,E-mail:jiangchanghong@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.09

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)03-0252-04