基于Mat1ab的回轉窯模糊控制系統(tǒng)的設計與仿真

摘要：以水泥回轉窯的控制為對象，采用模糊控制器來實現(xiàn)控制。闡述了控制器的設計思想，利用MATLAB中的模糊工具箱設計模糊控制器，通過語言變量的模糊化，并有機地將MATLAB與SIMULINK結合起來方便有效地實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的設計和仿真。通過仿真證明模糊控制響應速度快，超調量小，穩(wěn)定性好
關鍵詞：模糊控制；MATLAB；仿真；回轉窯

0 引言
    水泥生產過程是一個理化反應過程，具有大慣性、純滯后、非線性的特點，系統(tǒng)運行工況復雜多變。據統(tǒng)計，全國各類回轉窯約有3000臺左右，其中存在的最大問題是能耗高、熱效率低，是我國工業(yè)中重要耗能設備。雖然造成回轉窯能耗高、效率低的原因是多方面的，但是其中的一個重要因素是回轉窯工作過程中的檢測與控制手段還很落后，其中大部分還是通過現(xiàn)場操作人員的工作經驗判斷窯內熱工狀態(tài)，以此來調節(jié)進給燃料，生產效率低、能耗高、自動化控制水平低、質量不穩(wěn)定，而且難以達到控制要求和效果。傳統(tǒng)的PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好且可靠性高，因此被廣泛應用于回轉窯等工業(yè)過程控制中，而水泥生產過程的非線性、時變性和難以建立數(shù)學模型的特點決定了用常規(guī)PID控制器通常不能達到理想的控制效果。在實際生產現(xiàn)場中，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，對被控過程的適應性差。模糊控制理論的提出，提供了一種新的控制方法。這種方法以微計算機構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，不需要我們對控制模型的精確描述，就能很好的解決非線性、大時滯、變參數(shù)對象的控制問題。

1 回轉窯生產工藝控制分析
    在水泥生產過程中，回轉窯擔負著物料的最終分解和熟料形成的任務，是水泥熟料煅燒的關鍵設備。回轉窯溫度控制的好壞對整條水泥生產線的穩(wěn)定、高產和節(jié)能具有重大影響。實際生產中，水泥回轉窯的監(jiān)控參數(shù)很多，許多參數(shù)互相關聯(lián)，互為因果，控制也比較復雜，根據現(xiàn)場的調研情況，可以發(fā)現(xiàn)回轉窯溫度的穩(wěn)定主要有賴于四個參數(shù)：
    1)燒成帶溫度若其溫度過低，熟料質量不佳；若其溫度過高，則會使窯體過熱，縮短耐火磚的壽命乃至回轉窯的壽命。
    2)窯尾溫度若其溫度控制過低，不利于窯內傳熱及化學反應。溫度過高，會使物料粘度增加，容易引起窯尾煙室及上升管道結皮或堵塞。
    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量。
    4)主排風機速度主要用于改變二次風速、保證風煤配合和含量氧：同時也用來改變窯內的溫度分布，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主要因素，而主排風機的轉速和回轉窯的轉速也對其有一定的影響，以上四個參數(shù)之間存在復雜的耦合關系，難以建立一個準確的數(shù)學模型來描述該過程。而且在實際操作中，對窯的控制的好壞完全取決于工人的操作熟練程度，所以生產不穩(wěn)定、效率低、耗能嚴重。故擬采用了模糊控制技術來實現(xiàn)對其的自動控制以達到提高生產率和節(jié)能的目的。

2 回轉窯模糊控制系統(tǒng)的設計
2．1 模糊控制器的設計
    水泥回轉窯的生產過程中，基于水泥煅燒工藝，燒成帶溫度和窯尾氣體溫度的穩(wěn)定是保證水泥回轉窯熱工制度穩(wěn)定和生產高質量水泥熟料的重要標志，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窯的情況，因此采用喂煤量和主排風機轉速作為被控制量，燒成帶溫度、窯尾溫度作為控制量的控制方案，設計一個雙輸入一雙輸出的二維一階模糊控制器，因回轉窯的轉速基本上保持不變，所以暫不考慮回轉窯轉速的影響。
    模糊控制器輸入變量燒成帶溫度的論域為[一50℃，50℃]，模糊子集為{負大，負中，負小，負零，零，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)。
    窯尾溫度的論域為[一25℃，25℃]，模糊子集為{負大，負小，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)。輸出喂煤量的論域為[8．1，lO．3]，模糊子集為{負大，負中，負小，負零，零，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)。
    輸出主排風機轉速的論域為[720，880]，模糊子集為{負大，負小，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
    模糊控制器設計的核心是，建立模糊規(guī)則庫，常用的方法是借鑒操作人員的經驗和現(xiàn)場控制情況對控制規(guī)則作適當修改。規(guī)則選取的總體原則是：當誤差較大時，選擇控制量以消除誤差為主。而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，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，結合系統(tǒng)提供的其它功能模塊設計完成模糊控制系統(tǒng)。進行仿真前把matlab中的文件hzykz01．fis加載到模糊控制器模塊中，仿真結構圖如圖1所示。設定好仿真時間、步長等各項參數(shù)，即可開始仿真。仿真結束時，仿真結果可以通過示波器直接觀察。

3．2 仿真的結果與分析
    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)相比較就具有調整時間短、無超調、恢復時間短、跟隨性好、抗干擾能力強等優(yōu)點。

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