蔡紅梅，張光利

（1.集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古烏蘭察布012000；2.烏蘭察布中聯(lián)水泥有限公司，內(nèi)蒙古烏蘭察布012000）

基于模糊PID控制算法的回轉(zhuǎn)窯溫度控制系統(tǒng)的研究

蔡紅梅1，張光利2

（1.集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古烏蘭察布012000；2.烏蘭察布中聯(lián)水泥有限公司，內(nèi)蒙古烏蘭察布012000）

回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度的控制水平直接影響水泥的質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗，由于回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)過程具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)PID控制算法難以滿足其控制要求。探索將模糊PID控制算法引入到回轉(zhuǎn)窯溫度控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。詳細(xì)介紹了模糊PID控制器的設(shè)計(jì)過程，通過仿真試驗(yàn)表明，模糊PID控制器提高了系統(tǒng)抗外部干擾和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性，保證了回轉(zhuǎn)窯溫度控制系統(tǒng)的精度。

回轉(zhuǎn)窯；模糊算法；模糊PID控制器；溫度控制

0 引言

水泥回轉(zhuǎn)窯是現(xiàn)在生產(chǎn)水泥的主要機(jī)械設(shè)備，其在生產(chǎn)過程中能量消耗較大，成為了當(dāng)前各水泥生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降耗的重點(diǎn)。水泥生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的生料煅燒理化反應(yīng)在窯內(nèi)進(jìn)行，回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度的控制水平直接影響水泥熟料的質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗，也體現(xiàn)了國(guó)家的工業(yè)和技術(shù)水平。水泥生料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煅燒過程，是一個(gè)復(fù)雜的大滯后、多變量等等綜合的反應(yīng)過程，因此回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制系統(tǒng)的建模以及控制難度大，不容易實(shí)現(xiàn)[1]。

回轉(zhuǎn)窯為一旋轉(zhuǎn)筒裝設(shè)備，并有一定傾斜度，生料煅燒時(shí)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部發(fā)生劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)，并且隨著重力的作用由窯尾向窯頭滑落，經(jīng)篦冷機(jī)強(qiáng)風(fēng)冷卻后形成水泥熟料并儲(chǔ)存[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。生料在煅煉過程中，其對(duì)熱能的分布、旋轉(zhuǎn)的平衡性等方面有較高的要求，為了達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行狀態(tài)就要對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。如果回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度沒有達(dá)到生料的額定值時(shí)，生料不能進(jìn)行全化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致不合格的水泥；如果溫度高于生料的額定值，生料就很有可能因?yàn)闇囟冗^高而粘成一團(tuán)，導(dǎo)致熟料無法正常排出，而且窯體溫度過高也會(huì)影響它的使用年限。所以采用通過對(duì)燒料量的控制來控制回轉(zhuǎn)窯各個(gè)部位的溫度，確保其溫度在一個(gè)適合的范圍內(nèi)，這樣既能提高水泥的質(zhì)量又能提高其生產(chǎn)設(shè)備的使用年限[3]。

因窯爐燃燒存在一個(gè)大慣性的延遲，有很多因素對(duì)生產(chǎn)的參數(shù)影響較大，其參數(shù)要經(jīng)常的變化，采用單一的PID進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的控制效果不佳，使得系統(tǒng)控制結(jié)果不穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)特性不理想，不能滿足其要求。模糊控制算法是解決各個(gè)影響因素非線性變化的有效方法，因此將模糊控制算法引入到回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制系統(tǒng)中，采用模糊算法對(duì)傳統(tǒng)PID控制相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以此提出基于模糊PID控制器的回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制系統(tǒng)，該控制方法有效地提高了回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制的精度。圖2為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中T0代表煅燒帶給定溫度，T代表回轉(zhuǎn)窯煅燒帶實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度。

圖1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)圖

圖2 溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 PID控制算法

控制偏差的計(jì)算公式為：

把P,I，D進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得出控制值，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)控制，故稱PID控制器[4]。PID控制系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖

2 模糊控制

模糊控制算法的過程：將偏差和偏差率的精確輸入量進(jìn)行模糊化計(jì)算處理，計(jì)算出其大概值；再依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)操作人員或相關(guān)專家建立的操作規(guī)律庫進(jìn)行模糊推理，推導(dǎo)出一個(gè)模糊值然后進(jìn)行輸出；最后把模糊值通過解模糊算法轉(zhuǎn)換為精確值，把值傳輸給執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)控制。圖4為其原理圖。

圖4 模糊控制基本原理圖

圖4中e,ec為系統(tǒng)偏差與偏差變化率，是精確量，它們是模糊控制器的輸入值；E,EC為經(jīng)模糊化處理的偏差和偏差變化率值；U為理論推導(dǎo)出的模糊控制量；u為模糊量被控對(duì)象。

3 配料系統(tǒng)的模糊PID控制的設(shè)計(jì)

在通常情況，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)無法對(duì)過程進(jìn)行控制，無法滿足生產(chǎn)控制要求[5]。將模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，對(duì)其各自的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化，設(shè)計(jì)出模糊PID控制器。經(jīng)過模糊控制方法成功地對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，能根據(jù)環(huán)境變化對(duì)各個(gè)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整。既有以往系統(tǒng)的良好特性，又有自適應(yīng)性、靈活性和良好的穩(wěn)定性，可作為一種通用的控制算法。圖5是其結(jié)構(gòu)圖。

圖5 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

圖5是典型的模糊PID控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)的輸入是二維的，輸出是三維的，輸入?yún)?shù)為煅燒帶給定溫度和煅燒帶實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度之差e及其變化率ec，輸出為ΔkP, ΔkI,ΔkD三個(gè)參數(shù)值[6]。模糊PID的自調(diào)整功能是對(duì)這三個(gè)參數(shù)ΔkP,ΔkI,ΔkD與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系進(jìn)行分析，控制器會(huì)對(duì)e和ec進(jìn)行監(jiān)控檢測(cè)，并對(duì)ΔkP,ΔkI,ΔkD進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同偏差e和偏差變化率ec時(shí)對(duì)kP,kI,kD的適應(yīng)性。

3.1 輸入輸出語言變量的模糊化

設(shè)計(jì)中的偏差e的基本論域?yàn)閇-e,e]，量化域?yàn)镋=[-3,-2,-1,0,1,2,3]，設(shè)定輸入偏差變化率ec基本論域?yàn)閇-ec,ec]，量化論域?yàn)镋C=[-3,-2,-1,0,1,2,3]，輸出ΔkP基本論域?yàn)閇-m,m],量化論域ΔkP=[-3,-2,-1,0,1,2,3]，同樣，輸出ΔkI,ΔkD的模糊量化方法與上述的方法相同，不再詳細(xì)介紹。

3.2 確定輸入輸出變量的模糊子集及其隸屬度函數(shù)

輸入變量模糊子集分別為：E/EC=[NB,NM,NS, ZO，PS，PM，PB]

輸出變量的模糊子集為：ΔkP/ΔkI/ΔkD=[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]

E，EC,ΔkP,ΔkI,ΔkD的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖6所示。

依據(jù)三角形隸屬度函數(shù)的曲線特點(diǎn)，推導(dǎo)出e,ec, ΔkP,ΔkI,ΔkD的隸屬度函數(shù)，見表1，表2。

表1 e,ec隸屬度函數(shù)表

圖6 三角形隸屬度函數(shù)

表2 ΔkP,ΔkI,ΔkD隸屬度函數(shù)表

3.3 制定模糊控制規(guī)則求取其模糊關(guān)系R以及模糊控制表

對(duì)工作者的PID參數(shù)調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)，得到了模糊PID控制器的三個(gè)參數(shù)調(diào)整控制規(guī)律，得到針對(duì)ΔkP,ΔkI, ΔkD三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表[7]，如表3所示。

表3 ΔkP,ΔkI,ΔkD模糊控制表

在這里使用Mamdani所采用的if…then…原理[8]。

以ΔkP為例，從表3中可以找到49個(gè)模糊關(guān)系，對(duì)49個(gè)參數(shù)關(guān)系進(jìn)行“并”運(yùn)算，可得到RP的計(jì)算公式：

運(yùn)用模糊算法進(jìn)行計(jì)算可以得到：

由Mamdani型模糊控制器所采用的if…then…模糊規(guī)則可得：

當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)際誤差量為e，同時(shí)誤差的變化為ec，計(jì)算出ΔkP1為：

同理，可以計(jì)算出控制量ΔkP2，ΔkP3,…,ΔkP49，那么控制量為模糊集合ΔkP，表示為：

采用平均最大隸屬度的算法進(jìn)行判決，把控制量精確化，得到ΔkP的模糊控制查詢表，如表4所示。依此類推得到ΔkI,ΔkD的模糊控制查詢表。

表4 ΔkP模糊控制查詢表

3.4 模糊PID參數(shù)計(jì)算

在系統(tǒng)的運(yùn)行中，連續(xù)地對(duì)給定煅燒帶溫度與煅燒帶實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度之間的偏差e和偏差變化率ec進(jìn)行檢測(cè)，采樣得到的采樣值進(jìn)行模糊化計(jì)算，通過三個(gè)模糊控制查詢表得到ΔkP，ΔkI，ΔkD的相應(yīng)值，根據(jù)以下變形公式，計(jì)算出最優(yōu)的PID量，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

式中：kP，kI，kD是模糊PID控制器的最優(yōu)量；k′P,k′I,k′D為最初量。

4 模糊PID控制仿真及分析

采用Matlab軟件設(shè)計(jì)出常規(guī)PID控制和模糊PID控制器模型，進(jìn)行模擬分析[9]。得到常規(guī)PID控制系統(tǒng)和模糊PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線對(duì)比圖，如圖7所示。

圖7 常規(guī)PID控制和模糊PID控制階躍響應(yīng)曲線對(duì)比圖

從圖7可以明顯看出，模糊PID控制方法具有快速反應(yīng)、快速調(diào)節(jié)以及良好的穩(wěn)定性。由此說明，采用模糊PID算法調(diào)整的回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制系統(tǒng)是合理有效的，具有較高的可行性。

5 結(jié)語

本文對(duì)回轉(zhuǎn)窯工藝特點(diǎn)及其控制進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。為解決現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)窯溫度控制方面的不足，利用模糊控制器自適應(yīng)功能強(qiáng)的特點(diǎn)，提出了本文方法。采用模擬軟件進(jìn)行分析研究，分析表明本設(shè)計(jì)提高了回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制的精度和速度，為水泥制造產(chǎn)業(yè)提供了可靠保證。

[1]黃清寶，林小峰，宋紹劍，等.基于Elman網(wǎng)的水泥回轉(zhuǎn)窯模型及其DHP控制器設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23（3）：583-587.

[2]高玉琦，李友善，馬家辰.水泥回轉(zhuǎn)窯的計(jì)算機(jī)控制[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1991，17（2）：166-173.

[3]韓大平，林國(guó)海，杜鋼，等.模糊PID控制算法在回轉(zhuǎn)窯溫度控制中的應(yīng)用[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2005，4（4）：321-325.

[4]李牡丹，李麗宏，雷張偉.基于模糊PID控制的配料秤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34（2）：116-119.

[5]WANG Guimei，SONG Hui，NIU Qingna.Mine water level fuzzy control system design based on PLC[C]//Proceedings of 2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation.Changsha，China：IEEE，2009：130-133.

[6]GENG R.Computer simulation of the self-adaptive fuzzy PID control system based on Matlab[J].Information Technology，2007，1：43-46.

[7]LI L，BAI R X.Application of fuzzy-PID control in hot water boiler temperature control system[J].Industrial Control Computer，2007，2：41-42.

[8]CHANG Q L，ZHOU H Q，QING JY，et al.Using artificial neural network model to determine the prescription of paste filling materials[J].Journal of Mining&Safety Engineering，2009，1：74-76.

[9]ZHANG Y P，F(xiàn)AN Z R.Simulation of nonlinear control system based on self-adaptive fuzzy PID controller[J].Computer Simulation，2007，24（6）：150-154.

Study on rotary kiln temperature control system based on fuzzy PID control algorithm

CAI Hongmei1，ZHANG Guangli2
（1.Department of Computer，Jining Normal University，Wulanchabu 012000，China；2.China United Cement Wulanchabu Co.，Ltd.，Wulanchabu 012000，China）

The control level of rotary kiln burning zone temperature directly affects on the quality and yield of cement，and energy consumption.Since the production process of rotary kiln has great inertia，pure time-delay and non-linear characteristic，it is difficult to get the accurate mathematical model，so the general PID control algorithm is hard to meet the control requirements.The fuzzy PID control algorithm is introduced into the kiln temperature control system to achieve the good control effect. The design process of fuzzy PID controller is introduced in detail.The simulation experiment results show that the fuzzy PID controller can improve the system′s external disturbance resistance and the robustness adapting to the internal parameters changes，and ensure the accuracy of the rotary kiln temperature control system.

rotary kiln；fuzzy algorithm；fuzzy PID controller；temperature control

TN919-34

A

1004-373X（2015）23-0167-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.044

蔡紅梅（1973—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，副教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)控制。

2015-07-31

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJZY286）：回轉(zhuǎn)窯熟料燒成系統(tǒng)分解爐（DDF爐）自動(dòng)恒溫噴煤控制系統(tǒng)的研究