回轉窯燒成帶溫度模糊控制器的設計及仿真

佘乾仲，覃新穎，彭 奎

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

廣西水泥制造業發展迅猛，能耗指標卻與國際先進水平存在較大差距。回轉窯作為新型干法水泥生產過程中的重要工段，是一個高耗煤、耗電的環節，也是水泥企業增產、節能及降耗的關鍵所在。保持回轉窯熟料煅燒生產過程中的熱工制度的平衡，是提高生產效率、節約能源、降低能耗的重要途徑。但由于該過程具有多變量、強耦合、時變、非線性、大滯后等特點，傳統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際生產過程的數據為基礎，應用模糊控制技術，實現了對水泥回轉窯燒成帶溫度無超調量、控制精度高等的穩定控制。

1 模糊控制的基本結構和原理

模糊控制器的功能，是根據觀測控制過程中的狀態量來計算控制量的值，狀態量和控制量之間的關系，可看作是一組邏輯法則，當這個關系只能定性知道時，則可指定許多模糊邏輯法則來完成一個近似的策略。其模糊邏輯法則，即語言控制規則，模糊控制器，實質上反映輸入語言變量和輸出語言變量及語言控制規則的模糊定量關系算法結構，其功能的實現是要把計算機觀測控制過程得到的精確量，轉化為模糊輸入信息，按照總結人的控制經驗及策略取得語言控制規則，進行模糊推理和模糊決策，求得輸出控制量的模糊集，再經模糊判決，得出輸出控制的精確量，作用于被控對象。因此，模糊控制器的結構，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構，如圖1所示

圖1 模糊控制器的基本結構

2 模糊控制器的設計

根據操作人員經驗，回轉窯窯頭燒成帶是燒制熟料的重要反應區，熟料品質的好壞，直接與燒成帶溫度有關，燒成帶物料溫度大約控制在1450℃左右為最佳。故設定目標溫度為1450℃。模糊控制器的設計步驟如下：

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模型有單輸入單輸出型和雙輸入單輸出型。本設計選擇溫度誤差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象，這樣模糊控制器具有二輸入一輸出的結構。

2.2 隸屬函數的建立

運行MATLAB軟件，在MATLAB窗口中鍵入命令fuzzy，進入模糊邏輯編輯窗口FISEditor，建立e、ec、u的隸屬度函數，各子集隸屬函數均采用高斯分布函數。對于輸入變量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 確定控制規則

模糊控制規則如表1所示。

3 回轉窯燒成過程的系統建模

正常運行情況下，回轉窯作為典型的熱工過程，由于窯體體積和質量都很大，運轉起來就會出現一定的慣性，并且狀態量對控制量的變化反應緩慢，故可近似用一階慣性加純滯后

環節表示：

G（s）=Ke-τs/Ts+1

模擬實際系統加入階躍增量后的響應。

這里，

放大系數K=2，

純滯后時間τ=30s，

慣性時間常數T=55s。

表1 模糊控制規則表

4 仿真結果分析

針對水泥回轉窯燒成帶溫度控制，采用傳統PID控制算法進行仿真，運行曲線如圖2所示。采用模糊控制算法的運行曲線圖如圖3所示。對比兩圖可知，傳統PID控制算法雖上升時間較短，但過渡時間與超調量之間存在矛盾，而且調節時間長，超調量大。相比而言，模糊控制無超調，控制精度更高，控制效果得到明顯改善。

圖3 模糊控制運行曲線

5 結束語

本文針對傳統PID無法很好的實現水泥回轉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計溫度控制器的方案，結合工程師的回轉窯控制經驗，構造了模糊控制規則表，選擇模糊方法和模糊判決，建立了模糊控制系統。最后通過MATLAB仿真實驗得出，所設計的模糊控制器具有無超調、控制精度高、穩定性好等優點，控制效果優于傳統的PID控制器，滿足了水泥回轉窯燒成帶溫度控制的要求。

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