基于Mat1ab的回转窑模糊控制系统的设计与仿真

摘要：以水泥回转窑的控制为对象，采用模糊控制器来实现控制。阐述了控制器的设计思想，利用MATLAB中的模糊工具箱设计模糊控制器，通过语言变量的模糊化，并有机地将MATLAB与SIMULINK结合起来方便有效地实现模糊控制系统的设计和仿真。通过仿真证明模糊控制响应速度快，超调量小，稳定性好
关键词：模糊控制；MATLAB；仿真；回转窑

0 引言
    水泥生产过程是一个理化反应过程，具有大惯性、纯滞后、非线性的特点，系统运行工况复杂多变。据统计，全国各类回转窑约有3000台左右，其中存在的最大问题是能耗高、热效率低，是我国工业中重要耗能设备。虽然造成回转窑能耗高、效率低的原因是多方面的，但是其中的一个重要因素是回转窑工作过程中的检测与控制手段还很落后，其中大部分还是通过现场操作人员的工作经验判断窑内热工状态，以此来调节进给燃料，生产效率低、能耗高、自动化控制水平低、质量不稳定，而且难以达到控制要求和效果。传统的PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好且可靠性高，因此被广泛应用于回转窑等工业过程控制中，而水泥生产过程的非线性、时变性和难以建立数学模型的特点决定了用常规PID控制器通常不能达到理想的控制效果。在实际生产现场中，因受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对被控过程的适应性差。模糊控制理论的提出，提供了一种新的控制方法。这种方法以微计算机构成的模糊控制器为核心，以模拟人脑的思维方式为基本出发点，不需要我们对控制模型的精确描述，就能很好的解决非线性、大时滞、变参数对象的控制问题。

1 回转窑生产工艺控制分析
    在水泥生产过程中，回转窑担负着物料的最终分解和熟料形成的任务，是水泥熟料煅烧的关键设备。回转窑温度控制的好坏对整条水泥生产线的稳定、高产和节能具有重大影响。实际生产中，水泥回转窑的监控参数很多，许多参数互相关联，互为因果，控制也比较复杂，根据现场的调研情况，可以发现回转窑温度的稳定主要有赖于四个参数：
    1)烧成带温度若其温度过低，熟料质量不佳；若其温度过高，则会使窑体过热，缩短耐火砖的寿命乃至回转窑的寿命。
    2)窑尾温度若其温度控制过低，不利于窑内传热及化学反应。温度过高，会使物料粘度增加，容易引起窑尾烟室及上升管道结皮或堵塞。
    3)喂煤量增加燃料用量可提高烧成带温度并降低氧含量；减少燃料用量则可以降低烧成带温度和提高氧含量，过多或过少均影响烧成质量。
    4)主排风机速度主要用于改变二次风速、保证风煤配合和含量氧：同时也用来改变窑内的温度分布，控制窑尾温度。
    从上面的分析可以看到：影响回转窑控制系统的因素很多，其中烧成带温度和窑尾温度是两个主要因素，而主排风机的转速和回转窑的转速也对其有一定的影响，以上四个参数之间存在复杂的耦合关系，难以建立一个准确的数学模型来描述该过程。而且在实际操作中，对窑的控制的好坏完全取决于工人的操作熟练程度，所以生产不稳定、效率低、耗能严重。故拟采用了模糊控制技术来实现对其的自动控制以达到提高生产率和节能的目的。

2 回转窑模糊控制系统的设计
2．1 模糊控制器的设计
    水泥回转窑的生产过程中，基于水泥煅烧工艺，烧成带温度和窑尾气体温度的稳定是保证水泥回转窑热工制度稳定和生产高质量水泥熟料的重要标志，常规的模糊控制器大多采用一维二阶，多使用烧成带温度的偏差和偏差变化率作为输入量，而燃料用量作为输出控制量，考虑到现实情况下影响的因素较多，仅用烧成带的温度作输入量不能完全描述回转窑的情况，因此采用喂煤量和主排风机转速作为被控制量，烧成带温度、窑尾温度作为控制量的控制方案，设计一个双输入一双输出的二维一阶模糊控制器，因回转窑的转速基本上保持不变，所以暂不考虑回转窑转速的影响。
    模糊控制器输入变量烧成带温度的论域为[一50℃，50℃]，模糊子集为{负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大}，记为{NBl，NMl，NSl，NZ1，ZO1，PZ1，PS1，PM1，PB1}，隶属度函数采用三角形函数。
    窑尾温度的论域为[一25℃，25℃]，模糊子集为{负大，负小，零，正小，正大}，记为{NB2，NS2，Z02，PS2，PB2}，隶属度函数采用三角形函数。输出喂煤量的论域为[8．1，lO．3]，模糊子集为{负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大}，记为{NB3，NM3，NS3，Z03，PS3，PM3，PB3}，隶属度函数采用三角形函数。
    输出主排风机转速的论域为[720，880]，模糊子集为{负大，负小，零，正小，正大}，记为{NB4，NS4，Z04，PS4，PB4}，隶属度函数采用三角形函数。
2．2 模糊规则库的建立
    模糊控制器设计的核心是，建立模糊规则库，常用的方法是借鉴操作人员的经验和现场控制情况对控制规则作适当修改。规则选取的总体原则是：当误差较大时，选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主。得出的控制规则表如表l所示。

3 模糊控制系统的MAT LAB仿真
3．1 仿真模块的建立
    在MATLAB的命令窗口输入simulink命令，在simuink环境下，结合系统提供的其它功能模块设计完成模糊控制系统。进行仿真前把matlab中的文件hzykz01．fis加载到模糊控制器模块中，仿真结构图如图1所示。设定好仿真时间、步长等各项参数，即可开始仿真。仿真结束时，仿真结果可以通过示波器直接观察。

3．2 仿真的结果与分析
    由图2可以看出，模糊控制与单纯PID控制相比，模糊控制有更快的响应速度和更好的跟踪性能。模糊控制系统与PID控制系统相比较就具有调整时间短、无超调、恢复时间短、跟随性好、抗干扰能力强等优点。

4 结论
    采用模糊控制方式组成温控系统，在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法，通过仿真证明控制速度快，超调量小，稳定性好，取得了明显优于传统控制的控制效果，有利于提高回转窑的生产效率，减低能耗。