基于Mat1ab的回轉(zhuǎn)窯模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：以水泥回轉(zhuǎn)窯的控制為對(duì)象，采用模糊控制器來實(shí)現(xiàn)控制。闡述了控制器的設(shè)計(jì)思想，利用MATLAB中的模糊工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器，通過語言變量的模糊化，并有機(jī)地將MATLAB與SIMULINK結(jié)合起來方便有效地實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。通過仿真證明模糊控制響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)定性好
關(guān)鍵詞：模糊控制；MATLAB；仿真；回轉(zhuǎn)窯

0 引言
水泥生產(chǎn)過程是一個(gè)理化反應(yīng)過程，具有大慣性、純滯后、非線性的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜多變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國各類回轉(zhuǎn)窯約有3000臺(tái)左右，其中存在的最大問題是能耗高、熱效率低，是我國工業(yè)中重要耗能設(shè)備。雖然造成回轉(zhuǎn)窯能耗高、效率低的原因是多方面的，但是其中的一個(gè)重要因素是回轉(zhuǎn)窯工作過程中的檢測(cè)與控制手段還很落后，其中大部分還是通過現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)判斷窯內(nèi)熱工狀態(tài)，以此來調(diào)節(jié)進(jìn)給燃料，生產(chǎn)效率低、能耗高、自動(dòng)化控制水平低、質(zhì)量不穩(wěn)定，而且難以達(dá)到控制要求和效果。傳統(tǒng)的PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好且可靠性高，因此被廣泛應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)過程控制中，而水泥生產(chǎn)過程的非線性、時(shí)變性和難以建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)決定了用常規(guī)PID控制器通常不能達(dá)到理想的控制效果。在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，因受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)被控過程的適應(yīng)性差。模糊控制理論的提出，提供了一種新的控制方法。這種方法以微計(jì)算機(jī)構(gòu)成的模糊控制器為核心，以模擬人腦的思維方式為基本出發(fā)點(diǎn)，不需要我們對(duì)控制模型的精確描述，就能很好的解決非線性、大時(shí)滯、變參數(shù)對(duì)象的控制問題。

1 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝控制分析
在水泥生產(chǎn)過程中，回轉(zhuǎn)窯擔(dān)負(fù)著物料的最終分解和熟料形成的任務(wù)，是水泥熟料煅燒的關(guān)鍵設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯溫度控制的好壞對(duì)整條水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)定、高產(chǎn)和節(jié)能具有重大影響。實(shí)際生產(chǎn)中，水泥回轉(zhuǎn)窯的監(jiān)控參數(shù)很多，許多參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，互為因果，控制也比較復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研情況，可以發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯溫度的穩(wěn)定主要有賴于四個(gè)參數(shù)：
1)燒成帶溫度若其溫度過低，熟料質(zhì)量不佳；若其溫度過高，則會(huì)使窯體過熱，縮短耐火磚的壽命乃至回轉(zhuǎn)窯的壽命。
2)窯尾溫度若其溫度控制過低，不利于窯內(nèi)傳熱及化學(xué)反應(yīng)。溫度過高，會(huì)使物料粘度增加，容易引起窯尾煙室及上升管道結(jié)皮或堵塞。
3)喂煤量增加燃料用量可提高燒成帶溫度并降低氧含量；減少燃料用量則可以降低燒成帶溫度和提高氧含量，過多或過少均影響燒成質(zhì)量。
4)主排風(fēng)機(jī)速度主要用于改變二次風(fēng)速、保證風(fēng)煤配合和含量氧：同時(shí)也用來改變窯內(nèi)的溫度分布，控制窯尾溫度。
從上面的分析可以看到：影響回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)的因素很多，其中燒成帶溫度和窯尾溫度是兩個(gè)主要因素，而主排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速也對(duì)其有一定的影響，以上四個(gè)參數(shù)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，難以建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述該過程。而且在實(shí)際操作中，對(duì)窯的控制的好壞完全取決于工人的操作熟練程度，所以生產(chǎn)不穩(wěn)定、效率低、耗能嚴(yán)重。故擬采用了模糊控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其的自動(dòng)控制以達(dá)到提高生產(chǎn)率和節(jié)能的目的。

2 回轉(zhuǎn)窯模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2．1 模糊控制器的設(shè)計(jì)
水泥回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)過程中，基于水泥煅燒工藝，燒成帶溫度和窯尾氣體溫度的穩(wěn)定是保證水泥回轉(zhuǎn)窯熱工制度穩(wěn)定和生產(chǎn)高質(zhì)量水泥熟料的重要標(biāo)志，常規(guī)的模糊控制器大多采用一維二階，多使用燒成帶溫度的偏差和偏差變化率作為輸入量，而燃料用量作為輸出控制量，考慮到現(xiàn)實(shí)情況下影響的因素較多，僅用燒成帶的溫度作輸入量不能完全描述回轉(zhuǎn)窯的情況，因此采用喂煤量和主排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為被控制量，燒成帶溫度、窯尾溫度作為控制量的控制方案，設(shè)計(jì)一個(gè)雙輸入一雙輸出的二維一階模糊控制器，因回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速基本上保持不變，所以暫不考慮回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速的影響。
模糊控制器輸入變量燒成帶溫度的論域?yàn)閇一50℃，50℃]，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，零，正零，正小，正中，正大}，記為{NBl，NMl，NSl，NZ1，ZO1，PZ1，PS1，PM1，PB1}，隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。
窯尾溫度的論域?yàn)閇一25℃，25℃]，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，記為{NB2，NS2，Z02，PS2，PB2}，隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。輸出喂煤量的論域?yàn)閇8．1，lO．3]，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，零，正零，正小，正中，正大}，記為{NB3，NM3，NS3，Z03，PS3，PM3，PB3}，隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。
輸出主排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的論域?yàn)閇720，880]，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，記為{NB4，NS4，Z04，PS4，PB4}，隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。
2．2 模糊規(guī)則庫的建立
模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是，建立模糊規(guī)則庫，常用的方法是借鑒操作人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)控制情況對(duì)控制規(guī)則作適當(dāng)修改。規(guī)則選取的總體原則是：當(dāng)誤差較大時(shí)，選擇控制量以消除誤差為主。而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。得出的控制規(guī)則表如表l所示。

3 模糊控制系統(tǒng)的MAT LAB仿真
3．1 仿真模塊的建立
在MATLAB的命令窗口輸入simulink命令，在simuink環(huán)境下，結(jié)合系統(tǒng)提供的其它功能模塊設(shè)計(jì)完成模糊控制系統(tǒng)。進(jìn)行仿真前把matlab中的文件hzykz01．fis加載到模糊控制器模塊中，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。設(shè)定好仿真時(shí)間、步長(zhǎng)等各項(xiàng)參數(shù)，即可開始仿真。仿真結(jié)束時(shí)，仿真結(jié)果可以通過示波器直接觀察。

3．2 仿真的結(jié)果與分析
由圖2可以看出，模糊控制與單純PID控制相比，模糊控制有更快的響應(yīng)速度和更好的跟蹤性能。模糊控制系統(tǒng)與PID控制系統(tǒng)相比較就具有調(diào)整時(shí)間短、無超調(diào)、恢復(fù)時(shí)間短、跟隨性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論
采用模糊控制方式組成溫控系統(tǒng)，在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識(shí)來模擬人的模糊思維方法，通過仿真證明控制速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)定性好，取得了明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制的控制效果，有利于提高回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)效率，減低能耗。