模糊PID水泥分解炉温度控制

王盛慧，　王子峰,　姜长泓

(长春工业大学 电气与电子工程学院, 吉林 长春　130012)



模糊PID水泥分解炉温度控制

王盛慧，王子峰,姜长泓*

(长春工业大学 电气与电子工程学院, 吉林 长春130012)

摘要：将模糊控制与PID控制相结合，主要解决水泥生产系统的非线性、大滞后问题。仿真实验表明算法可行。

关键词：水泥分解炉；PID控制； 模糊控制

0引言

水泥分解炉是新型干法水泥生产中的核心设备,它的诞生和发展代表国际水泥生产行业先进水平,其主要功能是承担碳酸盐分解的任务。分解炉出口温度不仅决定碳酸盐分解的程度,也决定了水泥窑系统是否可以稳定运行。如果出口温度过高,可能会导致旋风旋预热器内部壳体堵塞。如果出口温度太低,会导致进入到回转窑的碳酸盐分解率过低,增加了回转窑的负担[1]。所以在水泥生产过程中，分解炉出口温度控制是至关重要的。

控制的困难在于分解炉的特性,如非线性、时变性、延迟大,这些因素决定了国内的水泥生产企业大多使用手工方法来控制水泥分解炉中的温度,只有一小部分企业的技术和设备具有先进水平，能够使用自动控制方法。不同水平的操作员会造成分解炉出口温度具有很大的波动，影响水泥窑系统和热稳定性，对水泥生产和质量产生负面影响。与此同时,分解炉的特点,如非线性、时变、大延时等，使得传统的PID控制很难得到较好的动态响应特性，抗干扰能力也差。针对分解炉出口温度控制情况，提出了一种模糊PID复合控制方案，这个方案是模糊控制和PID控制算法相结合，它的合理性和实用性已经在连续和稳定的水泥生产过程中得到证实。

1影响水泥分解炉出口温度的因素

1.1喂煤量

煤是煅烧窑的燃料。在空气流通不便和煤完全燃烧的情况下，喂煤量的改变将会改变分解炉内的温度。在生料量相同的情况下，喂煤量的改变将会改变分解炉的分解速率。喂煤量越大，分解率越大，同时出口温度越高；相反，喂煤量越小，分解率越小，同时出口温度越低。所以，喂煤量的变化主要是改变了分解率及出口温度。在水泥生产中，通过改变喂煤量来控制出口温度是比较普遍的一种方法。

1.2生料量

生料量越大，分解过程中吸热越多，出口温度越低;相反，生料量越小，分解过程中吸热越少，出口温度越高。但是，在水泥生产过程中，不能运用这种改变生料量的方法来控制分解炉出口温度。

2模糊PID控制器的设计

模糊控制被广泛使用并能取得良好的效果，其优势在于它不需要控制系统有精确的数学模型，而且对于非线性、时变、延迟大的系统，系统的鲁棒性也非常好。虽然模糊控制系统很容易获得良好的动态特性，但其静态性能仍不令人满意，而且PID控制能够得到更稳定的动态响应和高精度，所以，PID控制可以和模糊控制相结合形成模糊PID控制，使得控制效果更好。模糊PID控制结构如图1所示[2]。

图1　模糊PID结构图

2.1PI控制增量的设计

为了避免控制器的输出严重影响水泥的生产，使用了PI控制增量，规则如下[3]：

(1)

(2)

式中：Kp----比例系数；

Ki----积分系数；

T----采样时间；

k----采样序列；

e(k)----时刻k的偏差；

Δu(k)----时刻k时的控制器输出增量。

PI控制的好坏取决于PI控制器的参数选择，理想的控制参数是：Kp为0.046，Ki为0.001。

2.2模糊控制器的设计

模糊控制器由四部分组成：模糊化接口输入、知识库、推理引擎、去模糊化接口输出。

2.3模糊化接口的确定

系统运用一个两输入、单输出的模糊逻辑控制器。根据分解炉出口温度的控制过程，输入选定的出口温度偏差e和偏差变化率ec，输出选择的增量窑尾煤喂量的增量Δu。利用斜率确定偏差的趋势。对于一个时间序列X=x(T)，x(2T)，x(3T)，…，x(nT)，T是采样周期，那么曲线的斜率k(iT)为[4]：

(3)

式中:x(iT)----第i个采样数据。

变量选好后，要选择适当的变量值。在确保控制规则灵活且详细的基础上，选择适当的输入和输出的变量值，即{PA，PB,PM，PS，O，NS，NM，NB，NA}，它们的含义是{正最大，正大，正中，正小，零，负小，负中，负大，负最大}，输入和输出变量值的值域为(-10，10)。隶属函数选择的是三角隶属函数，如图2所示。

2.4各系数的确定

根据实际情况，e的值域确定为[-6，+6]，ec的值域确定为[-1.82，+1.82]，各量化系数为：Ke=10/6=1.666 7，Kec=10/1.82=5.494 5。Δu的值域为[-3，+3]，比例系数Ku=3/10=0.3[5]。

图2三角隶属函数

2.5模糊规则的设计

模糊控制规则的形成是把有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定成若干控制决策表，这些规则可以用自然语言来表达，但一般要进行形式化处理[6]。系统运用下述方式描述这种控制规则：

1)IfAThenB；

2)IfAThenBElseC；

3)IfAandBThenC。

例如，如果出口温度偏差为负大，偏差的变化率为负大，那么喂煤量的增量就是正大。具体控制规则见表1。

表1　模糊控制规则

2.6输出端的模糊化

对于以上提出的控制规则，运用三角隶属函数和加权平均的方式来进行模糊操作。

(4)

式中,μi是属于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控制中要用到各种算法来实现其推理过程,这些算法包括推理的数据结构、隶属函数的定义、隶属函数的形状及表示算法、控制规则的表示和识别算法以及反模糊化的算法等。 针对文中提出的模糊PID控制策略，选择如下式具有纯滞后二阶惯性经典模型作为控制对象，对文中提出的模糊PID控制方案进行仿真研究[7]。

(5)

式中：K----静态增益;

T1、T2----时间常数;

τ----滞后时间系数。

在Matlab7.0 环境下，进行仿真试验[8]。

文中在初始值、分解炉模型等因素都完全相同的条件下，出口温度最终设定在860 ℃，分别做出在常规PID控制和模糊PID控制的仿真。结果如图3和图4所示。

图3　模糊PID仿真曲线

图4　常规PID仿真曲线

通过对比两条曲线图可以清晰地看出，文中提出的模糊PID(Fuzzy-PID)控制系统可以使分解炉出口温度稳定在设定值，而且还具有调整时间短、几乎没有超调量、波动稳定、稳态误差几乎为零等优点，满足水泥生产的控制要求，在提高系统抗干扰性及参数变化的鲁棒性等方面优于常规的PID调节器，所以模糊PID控制器展现了它良好的控制效果。

4结语

针对水泥生产过程中具有时变、非线性、延时大等特点，提出了一种用于控制水泥分解炉出口温度的基于模糊控制和PID控制相结合的复合模糊PID控制策略，这个方案是模糊控制和PID控制算法的结合。采用这个方案对水泥分解炉出口温度进行控制，可以得到良好的控制效果。从图中可以看到，模糊PID控制比起传统的PID控制方法具有更好的系统动态性能，在缩短过渡时间、最大超调量上都有较明显的效果。模糊PID控制的应用不仅能够节省在水泥生产过程中所需的燃料，并且能够实现水泥生产过程中的最优控制。所以，该策略具有一定的理论价值，同时，模糊PID控制在水泥生产过程中一定会有很好的前景。

参考文献：

[1]刘俞铭.预分解窑水泥生产新技术新工艺流程与质量控制及窑炉机械设备设计改造操作参数、系统运行维护实务全书[M].北京:北方工业出版社，2006.

[2]诸静.模糊控制原理与系统原理[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]王莉莉.模糊控制与PID控制在水泥生产中的应用[J].工业控制计算机,2012,25(12):36,38.

[4]姚维.水泥回转窑分解炉温度的模糊控制[J].电子技术应用,2000(11):27-28.

[5]董乃飞.新型干法水泥分解炉的模糊控制研究[D].昆明:昆明理工大学,2009.

[6]姚维,孟溶,颜文俊,等.水泥回转窑分解炉温度的模糊控制[J].自动化仪表,2001,22(2):35-37.

[7]苏明,陈伦军,林浩.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].现代机械,2004(4):51-54.

[8]石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社,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

基金项目：吉林省科技厅基金资助项目(20150203003SF)

作者简介：王盛慧(1976-)，女，汉族，吉林吉林人，长春工业大学副教授，硕士，主要从事信号检测与处理方向研究,E-mail:wangshenghui@ccut.edu.cn. *通讯作者：姜长泓(1969-)，男，汉族，吉林延吉人，长春工业大学教授，博士，主要从事复杂工业过程的智能控制与优化方向研究,E-mail:jiangchanghong@ccut.edu.cn.

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

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)03-0252-04