回转窑烧成带温度模糊控制器的设计及仿真

佘乾仲，覃新颖，彭 奎

（1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.百色学院电信与物理工程系，广西 百色 533000）

广西水泥制造业发展迅猛，能耗指标却与国际先进水平存在较大差距。回转窑作为新型干法水泥生产过程中的重要工段，是一个高耗煤、耗电的环节，也是水泥企业增产、节能及降耗的关键所在。保持回转窑熟料煅烧生产过程中的热工制度的平衡，是提高生产效率、节约能源、降低能耗的重要途径。但由于该过程具有多变量、强耦合、时变、非线性、大滞后等特点，传统PID控制算法很难取得理想的控制效果。本文以广西某大型水泥厂的实际生产过程的数据为基础，应用模糊控制技术，实现了对水泥回转窑烧成带温度无超调量、控制精度高等的稳定控制。

1 模糊控制的基本结构和原理

模糊控制器的功能，是根据观测控制过程中的状态量来计算控制量的值，状态量和控制量之间的关系，可看作是一组逻辑法则，当这个关系只能定性知道时，则可指定许多模糊逻辑法则来完成一个近似的策略。其模糊逻辑法则，即语言控制规则，模糊控制器，实质上反映输入语言变量和输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，其功能的实现是要把计算机观测控制过程得到的精确量，转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得语言控制规则，进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经模糊判决，得出输出控制的精确量，作用于被控对象。因此，模糊控制器的结构，通常是由其输入和输出的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。在模糊控制器中，大多数选择偏差值e以及偏差变化率ec作为它的输入变量，而把控制量作为模糊控制器的输出变量。这样就确定了模糊控制器的基本结构，如图1所示

图1 模糊控制器的基本结构

2 模糊控制器的设计

根据操作人员经验，回转窑窑头烧成带是烧制熟料的重要反应区，熟料品质的好坏，直接与烧成带温度有关，烧成带物料温度大约控制在1450℃左右为最佳。故设定目标温度为1450℃。模糊控制器的设计步骤如下：

2.1 确定控制器的输入输出

一般来说，常用的模糊控制系统模型有单输入单输出型和双输入单输出型。本设计选择温度误差e及误差变化量ec为输入，输出变量u作为控制器的输出用于控制对象，这样模糊控制器具有二输入一输出的结构。

2.2 隶属函数的建立

运行MATLAB软件，在MATLAB窗口中键入命令fuzzy，进入模糊逻辑编辑窗口FISEditor，建立e、ec、u的隶属度函数，各子集隶属函数均采用高斯分布函数。对于输入变量e、ecu及输出变量u均选取[-6，6]的论域，并都记为模糊子集[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]。

2.3 确定控制规则

模糊控制规则如表1所示。

3 回转窑烧成过程的系统建模

正常运行情况下，回转窑作为典型的热工过程，由于窑体体积和质量都很大，运转起来就会出现一定的惯性，并且状态量对控制量的变化反应缓慢，故可近似用一阶惯性加纯滞后

环节表示：

G（s）=Ke-τs/Ts+1

模拟实际系统加入阶跃增量后的响应。

这里，

放大系数K=2，

纯滞后时间τ=30s，

惯性时间常数T=55s。

表1 模糊控制规则表

4 仿真结果分析

针对水泥回转窑烧成带温度控制，采用传统PID控制算法进行仿真，运行曲线如图2所示。采用模糊控制算法的运行曲线图如图3所示。对比两图可知，传统PID控制算法虽上升时间较短，但过渡时间与超调量之间存在矛盾，而且调节时间长，超调量大。相比而言，模糊控制无超调，控制精度更高，控制效果得到明显改善。

图3 模糊控制运行曲线

5 结束语

本文针对传统PID无法很好的实现水泥回转窑烧成带温度控制的问题，提出了采用模糊控制的方式来设计温度控制器的方案，结合工程师的回转窑控制经验，构造了模糊控制规则表，选择模糊方法和模糊判决，建立了模糊控制系统。最后通过MATLAB仿真实验得出，所设计的模糊控制器具有无超调、控制精度高、稳定性好等优点，控制效果优于传统的PID控制器，满足了水泥回转窑烧成带温度控制的要求。

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