模糊PID水泥分解爐溫度控制

王盛慧，　王子峰,　姜長泓

(長春工業大學 電氣與電子工程學院, 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*

(長春工業大學 電氣與電子工程學院, 吉林 長春130012)

摘要：將模糊控制與PID控制相結合，主要解決水泥生產系統的非線性、大滯后問題。仿真實驗表明算法可行。

關鍵詞：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中的核心設備,它的誕生和發展代表國際水泥生產行業先進水平,其主要功能是承擔碳酸鹽分解的任務。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是否可以穩定運行。如果出口溫度過高,可能會導致旋風旋預熱器內部殼體堵塞。如果出口溫度太低,會導致進入到回轉窯的碳酸鹽分解率過低,增加了回轉窯的負擔[1]。所以在水泥生產過程中，分解爐出口溫度控制是至關重要的。

控制的困難在于分解爐的特性,如非線性、時變性、延遲大,這些因素決定了國內的水泥生產企業大多使用手工方法來控制水泥分解爐中的溫度,只有一小部分企業的技術和設備具有先進水平，能夠使用自動控制方法。不同水平的操作員會造成分解爐出口溫度具有很大的波動，影響水泥窯系統和熱穩定性，對水泥生產和質量產生負面影響。與此同時,分解爐的特點,如非線性、時變、大延時等，使得傳統的PID控制很難得到較好的動態響應特性，抗干擾能力也差。針對分解爐出口溫度控制情況，提出了一種模糊PID復合控制方案，這個方案是模糊控制和PID控制算法相結合，它的合理性和實用性已經在連續和穩定的水泥生產過程中得到證實。

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，喂煤量的改變將會改變分解爐內的溫度。在生料量相同的情況下，喂煤量的改變將會改變分解爐的分解速率。喂煤量越大，分解率越大，同時出口溫度越高；相反，喂煤量越小，分解率越小，同時出口溫度越低。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，在水泥生產過程中，不能運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控制器的設計

模糊控制被廣泛使用并能取得良好的效果，其優勢在于它不需要控制系統有精確的數學模型，而且對于非線性、時變、延遲大的系統，系統的魯棒性也非常好。雖然模糊控制系統很容易獲得良好的動態特性，但其靜態性能仍不令人滿意，而且PID控制能夠得到更穩定的動態響應和高精度，所以，PID控制可以和模糊控制相結合形成模糊PID控制，使得控制效果更好。模糊PID控制結構如圖1所示[2]。

圖1　模糊PID結構圖

2.1PI控制增量的設計

為了避免控制器的輸出嚴重影響水泥的生產，使用了PI控制增量，規則如下[3]：

(1)

(2)

式中：Kp----比例系數；

Ki----積分系數；

T----采樣時間；

k----采樣序列；

e(k)----時刻k的偏差；

Δu(k)----時刻k時的控制器輸出增量。

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

2.2模糊控制器的設計

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

2.3模糊化接口的確定

系統運用一個兩輸入、單輸出的模糊邏輯控制器。根據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。對于一個時間序列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個采樣數據。

變量選好后，要選擇適當的變量值。在確保控制規則靈活且詳細的基礎上，選擇適當的輸入和輸出的變量值，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，負小，負中，負大，負最大}，輸入和輸出變量值的值域為(-10，10)。隸屬函數選擇的是三角隸屬函數，如圖2所示。

2.4各系數的確定

根據實際情況，e的值域確定為[-6，+6]，ec的值域確定為[-1.82，+1.82]，各量化系數為：Ke=10/6=1.666 7，Kec=10/1.82=5.494 5。Δu的值域為[-3，+3]，比例系數Ku=3/10=0.3[5]。

圖2三角隸屬函數

2.5模糊規則的設計

模糊控制規則的形成是把有經驗的操作者或專家的控制知識和經驗制定成若干控制決策表，這些規則可以用自然語言來表達，但一般要進行形式化處理[6]。系統運用下述方式描述這種控制規則：

1)IfAThenB；

2)IfAThenBElseC；

3)IfAandBThenC。

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

表1　模糊控制規則

2.6輸出端的模糊化

對于以上提出的控制規則，運用三角隸屬函數和加權平均的方式來進行模糊操作。

(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現其推理過程,這些算法包括推理的數據結構、隸屬函數的定義、隸屬函數的形狀及表示算法、控制規則的表示和識別算法以及反模糊化的算法等。 針對文中提出的模糊PID控制策略，選擇如下式具有純滯后二階慣性經典模型作為控制對象，對文中提出的模糊PID控制方案進行仿真研究[7]。

(5)

式中：K----靜態增益;

T1、T2----時間常數;

τ----滯后時間系數。

在Matlab7.0 環境下，進行仿真試驗[8]。

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

圖3　模糊PID仿真曲線

圖4　常規PID仿真曲線

通過對比兩條曲線圖可以清晰地看出，文中提出的模糊PID(Fuzzy-PID)控制系統可以使分解爐出口溫度穩定在設定值，而且還具有調整時間短、幾乎沒有超調量、波動穩定、穩態誤差幾乎為零等優點，滿足水泥生產的控制要求，在提高系統抗干擾性及參數變化的魯棒性等方面優于常規的PID調節器，所以模糊PID控制器展現了它良好的控制效果。

4結語

針對水泥生產過程中具有時變、非線性、延時大等特點，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控制相結合的復合模糊PID控制策略，這個方案是模糊控制和PID控制算法的結合。采用這個方案對水泥分解爐出口溫度進行控制，可以得到良好的控制效果。從圖中可以看到，模糊PID控制比起傳統的PID控制方法具有更好的系統動態性能，在縮短過渡時間、最大超調量上都有較明顯的效果。模糊PID控制的應用不僅能夠節省在水泥生產過程中所需的燃料，并且能夠實現水泥生產過程中的最優控制。所以，該策略具有一定的理論價值，同時，模糊PID控制在水泥生產過程中一定會有很好的前景。

參考文獻：

[1]劉俞銘.預分解窯水泥生產新技術新工藝流程與質量控制及窯爐機械設備設計改造操作參數、系統運行維護實務全書[M].北京:北方工業出版社，2006.

[2]諸靜.模糊控制原理與系統原理[M].北京:機械工業出版社,2005.

[3]王莉莉.模糊控制與PID控制在水泥生產中的應用[J].工業控制計算機,2012,25(12):36,38.

[4]姚維.水泥回轉窯分解爐溫度的模糊控制[J].電子技術應用,2000(11):27-28.

[5]董乃飛.新型干法水泥分解爐的模糊控制研究[D].昆明:昆明理工大學,2009.

[6]姚維,孟溶,顏文俊,等.水泥回轉窯分解爐溫度的模糊控制[J].自動化儀表,2001,22(2):35-37.

[7]蘇明,陳倫軍,林浩.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].現代機械,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

基金項目：吉林省科技廳基金資助項目(20150203003SF)

作者簡介：王盛慧(1976-)，女，漢族，吉林吉林人，長春工業大學副教授，碩士，主要從事信號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，長春工業大學教授，博士，主要從事復雜工業過程的智能控制與優化方向研究,E-mail:jiangchanghong@ccut.edu.cn.

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

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0252-04