基于模糊PID的預(yù)熱器分解爐溫度控制

姚連國 陳燕伏 劉 超 周立東 喬俊奇

中材建設(shè)有限公司（100176）

1 分解爐溫度控制系統(tǒng)的核心參數(shù)

分解爐的預(yù)分解技術(shù)是窯外分解技術(shù)的核心，其利用噴入煤粉的燃燒提供大量的熱量，并通過分解爐內(nèi)的氣固懸浮狀態(tài)進(jìn)行熱量交換，保證生料中的碳酸鹽分解，減輕回轉(zhuǎn)窯的燒成負(fù)荷，提高燒成質(zhì)量。因此，穩(wěn)定的分解爐溫度是這一環(huán)節(jié)的重中之重，一旦分解爐溫度過低，會(huì)使生料中的碳酸鹽分解率太低，增加回轉(zhuǎn)窯負(fù)荷，影響燒成質(zhì)量。而分解爐溫度過高，會(huì)使部分生料液化，黏附在分解爐壁，造成分解爐與預(yù)熱器之間的阻塞，影響正常生產(chǎn)。所以，保證分解爐溫度的穩(wěn)定是水泥生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。

圖1 預(yù)熱器分解爐生產(chǎn)工藝

分解爐不僅依靠煤的燃燒放熱實(shí)現(xiàn)碳酸鹽的分解，其內(nèi)部還有著大量的交換氣體，通過高溫風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)，在負(fù)壓的狀態(tài)下保障了預(yù)分解過程在懸浮狀態(tài)下順利進(jìn)行。

生料下料量是分解爐溫度變化的另一因素。生料量較大時(shí)，碳酸鹽分解所需熱量增加，爐內(nèi)溫度會(huì)相應(yīng)下降。其中，分解爐內(nèi)的噴煤量對爐內(nèi)溫度起著直接而深刻的影響，是溫度控制的核心因素，所以以喂煤量為模糊PID的控制參量來實(shí)現(xiàn)分解爐的溫度控制。

圖2 基于模糊PID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于模糊PID控制器的系統(tǒng)組成

模糊PID控制是在傳統(tǒng)PID算法的基礎(chǔ)上，以偏差e及偏差變化率ec（dE/dt）為輸入，利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表，在線實(shí)時(shí)地對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同偏差和偏差變化率對PID參數(shù)的不同要求。

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 推理機(jī)制

模糊控制的基本思想是If X1 is A1，AND X2 is A2，THEN Y1 is A3 （這里 X1，X2 代表分解爐溫度偏差e和溫度變化率ec，Y1代表PID的3個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd， 而 A1，A2，A3 則代表論域中的模糊集合）。模糊控制類似于人類的直覺思考，可以通過事先掌握的一組推理規(guī)則實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的推理計(jì)算，從而建立準(zhǔn)確的辨識(shí)系統(tǒng)。它是一種語言控制器，便于操作人員使用自然語言進(jìn)行人機(jī)對話，并且具有較好的魯棒性、適應(yīng)性以及容錯(cuò)性。文章采用經(jīng)典的Mamdani模糊推理法為基本推理機(jī)制。

3.2 模糊化

模糊控制與傳統(tǒng)的以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制方式不同，它擺脫了對于數(shù)學(xué)模型精確度的過度依賴，以模擬人腦的思維方式來達(dá)到智能控制。經(jīng)典集合使用0和1的特征函數(shù)，強(qiáng)調(diào)非此即彼的關(guān)系，是硬性的精確的分法；模糊集合使用0到1的隸屬度函數(shù)，接受亦此亦彼的關(guān)系，是軟性的模糊的分法。對于一個(gè)模糊集來說，隸屬度函數(shù)是其模糊性的具體反映，其取值為0到1之間的任意值。分別構(gòu)造 e、ec與 Kp，Ki，Kd各自的隸屬度函數(shù)。令其 模糊集均為:{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}（{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}），論域均為:{-6，6}。并且采用對稱的三角形隸屬度函數(shù)。

圖3 隸屬度函數(shù)

3.3 模糊規(guī)則的確定

模糊規(guī)則的確定就是在歸納總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用文章所使用的推理機(jī)制Mamdani模糊推理法，建立 Kp，Ki，Kd 與 e，ec 的模糊控制規(guī)則表。 比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度；積分系數(shù)Ki可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分系數(shù)Kd可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，對偏差變化提前預(yù)報(bào)。模糊規(guī)則的確定不僅要考慮到e和ec對PID 3個(gè)參數(shù)的直接影響，還要考慮到3個(gè)參數(shù)相互之間的互聯(lián)關(guān)系，需要從整體出發(fā)，系統(tǒng)、全局地分析和推敲。表1為e，ec對比例系數(shù)Kp的模糊控制規(guī)則表，相應(yīng)地根據(jù)積分微分環(huán)節(jié)各自的特點(diǎn)和控制經(jīng)驗(yàn)也可以列出Ki,Kd的模糊控制規(guī)則表，整體完成后，展現(xiàn)的是一個(gè)二輸入三輸出的模糊控制器的形式。模糊控制規(guī)則表不是一成不變的，它可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)，也可以利用仿真模型不斷試錯(cuò)，加以完善。

3.4 精確化

精確化是將輸出的Kp，Ki，Kd的隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)值，以調(diào)整現(xiàn)有參數(shù)，此處采用重心法精確化，取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即模糊控制論域內(nèi)的值與對應(yīng)的隸屬度值乘積之和，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更平滑的輸出推理控制。

表1 Kp的模糊控制規(guī)則表

4 模糊PID控制器仿真結(jié)果及總結(jié)

由圖4圖5可知，模糊PID控制器較于傳統(tǒng)PID控制器，具有相應(yīng)速度快、超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)，此外，模糊控制器的抗干擾能力和適應(yīng)能力也更加出色，利用模糊PID控制的強(qiáng)魯棒性，可以較好的解決分解爐控制中滯后性和耦合性的問題，實(shí)現(xiàn)對分解爐溫度的更優(yōu)控制。

圖4 PID控制響應(yīng)曲線

圖5 模糊PID控制響應(yīng)曲線