（控制理论与控制工程专业论文）隧道窑监控系统设计及温度模糊控制器仿真研究.pdf

j ：；：，3 、，j 1 ， 、j 1 ， - ，、l， a t h e s i s r e s e a r j 独创性声明 l 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：礁番 签字日期：撕文矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：柱蔫 导师签名： 签字 日期 ：心玉埸签字日期： - j 东北大学硕士学位论文 摘要 隧道窑监控系统设计及温度模糊控制器仿真研究 摘要 高温隧道窑是一种用于耐火材料烧制的设备，其燃料一般是重油或者天然气。窑内 温度控制的好坏直接关系到耐火材料质量的高低。如何设计控制系统使温度达到工艺要 求，对降低能源消耗，提高成品率以及降低污染具有现实意义。 在深入分析隧道窑生产工艺要求以及国内外隧道窑自动控制系统发展状况之后，本 文根据隧道窑生产过程的工艺要求，在详细的需求分析的基础上，对隧道窑计算机控制 与管理系统的整体结构、控制部分及管理部分进行了设计与实现。完成了一个集回路控 制、过程监控和管理信息系统于一体的隧道窑计算机控制系统。系统采用西门子s 7 3 0 0 系列控制单元实现系统的回路控制，采用、m n c c 组态软件实现系统的监控和管理功能。 隧道窑本身是一个比较复杂的对象，它具有非线性和时变等特征，很难建立一个精 确的数学模型，很多时候只能用一个一阶惯性纯滞后环节来近似的描述它。采用传统的 p i d 控制策略来控制隧道窑的温度，由于参数不易整定、抗干扰性能力差、自适应性差、 严重依赖操作人员的现场经验等一系列的缺点，达不到现代热处理的工艺要求。本文根 据隧道窑热处理工艺的要求，在分析了传统p i d 控制策略和模糊控制两者优缺点的基础 上，设计了一种适合高温隧道窑温度控制系统的模糊p i d 控制器，利用模糊控制器整定 p i d 控制器的三个控制参数k p ，k l ，k d ，并运用m a t l a b 仿真技术对这种算法进行了 仿真研究。仿真结果表明温度控制器具有较好的控制效果并具有较强的抗干扰能力，能 够满足现代热处理工艺的隧道窑温度控制生产要求。 关键词：高温隧道窑；计算机控制系统；模糊控制；模糊p i d 参数自整定 一i i - _ 一 ： 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns u p e r v i s o 巧c o n t r o ls y s t e ma n d t e m p e r a t u r ef u z 巧 c o n t r o l l e rs i m u l a t i o nf o rt u n n e lk i l n a b s t r a c t t h eh i g ht e m p e r a t u r et u n n e lk i l ni se q u i p m e n tw h i c hi su s e df o rb 啪i n gr e 疔a c t o 巧 m a t e r i a l s i ta l w a y su s e sn a t u r eg a so rh e a 、7o i la sm e l a n dm ec o n t l o lt e c h i l i q u eo ft h e t e m p e r a t u r eh a st h ed i r e c te a e c t so nt h eq u a l i t ) ，o fp r o d u c t s s o ，t 0d e s i g na9 0 0 dc o n t r o l s y s t e mt h a t c a nn o to n l ys a t i s 矽t h ep r o c e s sr e q u i r e m e n t sb u ta l s ol o wd o w nt h e e n e 唱y c o n s u m p t i o n ，i n c r e a s et h ep e r c e mo fp a s sa l l dr e d u c et h ep o l l m i o nb e c o m e sr e a s o n a b l e r h et h e s i sa n a l y z e dm et e c h l l i c a l r e q u i r e m e n t s 锄dt 1 1 ed e v e l o p m e n to ft u l l n e lh l n c o m r o ls y s t e ma l la r o u l l dt h ew o r l d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n to ft l l e p r o c e s so ft u n n e lk i l n ，d e s i g n e dac o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，、) r h i c ha g g r e g a t e sl o o pc o n t r o l ， p r o c e s sc o n t r o la 1 1 dm a n a g e m e n ti n f o 衄a t i o ns y s t e mb a s e do nd e t a i l e da l l a l y s i so ft h ed e m a n d u s es i m a t i cs 7 - 3 0 0p l ct ot a k et h el o o pc o n t r o lt a s ki n t h es y s t e ma n dd e v e l o pt h e s u p e r v i s o r ys y s t e ma i l dm i si nw i n c c 1 1 1 et u n n e lk i l ni sac o m p l i c a t e d o b j e c tw h i c h c h a r a c t e r i z e d懿n o n l i n e a ra n d t i m e v a r y i n g i ti sh a r dt oe s t a b l i s ha 1 1e x a c tm a t h e m a t i cm o d e lf o ri t i i lm o s tc a s e ，p e o p l eu s e af i r s t - o r d e ri n e n i a1 0 n gd e l a ys y s t e mt od e s c 舶ei ta p p r o x i m a t e l y t l l ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l t e c h l l i q u ec a n tm e e tt h em o d e mp r o c e s sr e q u i r e m e n t si nt u l l n e lk i l ns y s t e mb e c a u s e t h et 1 1 r e ep i dp a r a m e t e r sc 肌tb es e te a s i l y ，t b ea n t i i m e r f e r e n c ea n ds e l f 二a d j u s ta b i l i t ) ，o fp i d t e c h n i q u ea r ew e e ka i l di td e p e n d so nt h ef i e l do p e r a t o r s e x p e r i e n c eb a d l y o nt h eb a s i so f a i l a l y z i n gt h ea d v a n t a g e 锄ds h o n a g eo ft l l ep i dt e c l l i l i q u ea i l df u z z ) rc o n t r o lt e c h n i q u e ， d e s i g n e daf u z z ) ，一p i dc o n t r o l l e r 响rt h et e m p e r a t u r cc o n t r o l l i n gi nt u m e ll ( i l ns y s t e m t h e t 1 1 r e ep i dp a 触1 e t e r s - - k p ，k i ，ka r ea d j u s t e d b yt h e 缸刃c o n 仃o l l e r 1 1 1 es i m u l a t i o ni n m a t l a bi n d i c a t e st h a tt h e 如z z ) r p i dt e m p e r a l ec o n t r o l l e rh a sb e t t e ra n t i - i n t e r f e r e n c ea n d s e l f 二a d ju s ta b i l i t ) ，m a i lp u r ep i dc o n t r o l l e r i t sc o n t r o le f r e c tc a nt o t a l l ym e e tt h em o d e m b u m i n gr e q u i r e m e n t si nt m m e lk i l ns y s t e m k e y w o r d s ： h i g ht e m p e r a n j r e1 m e lk i l n ；c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ；f u z z yc o m r o l ； f u z z y - p i dp a r a 【n l e t e rs e l f ：a 由u s t m e n t i i i ， ， 矗、川一 k ， f 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 系统软、硬件简介2 l 第三章隧道窑监控系统的实现2 3 3 1 控制系统功能实现 2 3 3 1 1 预热带温度点的选取及控制的实现2 3 3 1 2 烧成带温度控制的实现2 4 3 1 3 压力、流量控制的实现2 6 3 2 监控系统及管理系统的实现2 8 3 2 1 监控系统的组成及实现2 8 3 2 2 管理信息系统的实现3 3 第四章模糊p i d 控制器的设计实现及仿真3 9 4 1p i d 控制简介3 9 4 1 1 常规p i d 控制3 9 4 1 2p i d 参数整定原则4 0 4 1 3 对常规p i d 控制的剖析：4 2 4 。2 模糊控制原理4 3 4 3 模糊p i d 控制技术4 9 4 4 模糊自整定p i d 控制器的设计5 0 4 4 1 论域及隶属函数的确定5 1 4 4 2 输出量的去模糊化5 3 4 5f u z z ) r p i d 控制算法在一个周期内的流程图5 4 4 6 模糊p i d 和传统p i d 的仿真比较5 4 4 6 1 系统阶跃响应分析5 5 4 6 2 系统抗干扰性能分析5 7 4 6 3 系统鲁棒性能分析5 8 4 6 4 仿真结论5 9 第五章结束语6 l 参考文献6 3 致 谢6 7 一v 一 叫1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 。新中国成立后，我国耐火材料工业发展迅速，从1 9 5 7 年第一个五年计划( 简称“一 五”) 起到1 9 8 0 年“五五”期间，国家投资约8 亿元，先后新建、改建了鞍钢、唐钢( 古 冶) 、大石桥等一批耐火材料厂；与此同时，全国耐火材料产量由1 9 5 7 年的1 0 1 4 万吨 发展到1 9 8 0 年的4 1 4 7 万吨，产品包括酸性、中性和碱性制品。特别是“一五”末期，我 国自主开发出了具有我国资源特色、享有国际声誉的高铝砖、镁铝砖等新产品，彻底改 变了我国耐火材料品种单一的落后面貌，满足了钢铁、建材等高温工业建设对耐火材料 的需要，为国民经济的发展做出了历史性贡献i 。 高温隧道窑是定型耐火材料制品生产的一个重要环节，它承担着耐火材料的干燥、 烧成、冷却等工序，对耐火材料的性能、产量、经济效益等有重要影响。因此，保持隧 道窑稳定、安全、长寿是耐火材料企业的必然要求。然而隧道窑的工作条件和操作制度 比较复杂，使这一要求很难满足，由于存在高温的频繁波动、燃料供给的波动，影响了 隧道窑的稳定和产品的质量。为了使隧道窑更好的服务于生产，提高隧道窑的利用率， 降低生产成本，从而创造可观的经济效益【2 1 。当前为了节约能源，改进了窑顶的结构形 式并采用了先进的烧嘴，一般是采用侧烧嘴加热的，其燃料为高发热值的重油或天然气， 热效率较高。其窑衬普遍采用轻质砖、轻质耐火浇注料和耐火纤维作隔热层：隧道窑的 有效断面一般较小，其烧成带窑顶设计或双层拱顶结构，以便使冷却带抽出的热风经过 该层通道时先进行预热，再供各烧嘴使用。 目前，国内隧道窑的控制还大多停留在常规仪表控制的水平上，并且实现自动控制 的并不多，控制水平相对较低，基本仅有显示功能，其控制方式还是凭人的经验，基本 靠人工调节；只有日本、法国等国家的隧道窑实现了真正意义上的计算机自动化控制， 而且少数由国外高价引进的全套控制系统，也由于缺乏必要的维护措施，运行效果并不 理想。 。 1 1 隧道窑结构特点和生产过程 i 1 1 1 隧道窑的结构 隧道窑是由耐火砖和其他材料砌筑而成的一条长的封闭隧道。隧道内铺设供窑车行 驶的钢轨，窑车底部两端以凹凸形式相互衔接，构成隧道窑窑室平面。为了使窑密封， 在窑墙下部设置有砂封槽，窑车衬板插入砂封槽内的砂子中，以达到密封的目的。 隧道窑属于逆流操作的热工设备，即载有砖坯的窑车，在隧道内与沿着与气流依相 一1 一 东北大学硕士学位论文 j 第一章绪论 反方向作连续或间歇移动，并沿窑车前进方向依次完成预热、烧成和冷却过程。本文研 究的隧道窑属于连续推车式高温隧道窑。 ( 1 ) 隧道窑预热带的结构 隧道窑的预热带有1 2 个车位。装满砖坯的窑车由窑头进入预热带，通过从窑尾方 向吹过来的热风预热砖坯。预热带在内窑墙上设有废气孔，窑墙内中空，置有排废气管 道。其目的是保证预热带的废气温度不能超出规定的温度，废气孔的数量根据排出的废 气量来设定。本隧道窑设置4 对废气孔，从窑头的l 4 号车位，每个车位布置一对。 需要特别说明的是，本隧道窑和以往国内所做的隧道窑的一个最大的区别就在于为了保 证预热的效果，在预热带同样设置了烧嘴，数量为5 对，分布在7 1 2 号车位。 ( 2 ) 隧道窑烧成带结构 隧道窑中间制品被烧成的区域，烧成带烧嘴的数量多少主要根据烧成制品的种类以 及制品在烧成带需要的高温时间的多少来决定，隧道窑的烧成带从1 3 号车位到2 6 号车 位共1 4 个车位，每个车位设置一对烧嘴。同时，把烧成带划分为4 个燃烧区间，依次 为：1 3 1 6 号车为第一个区间；1 7 1 9 号车位为第二个区间；2 0 2 3 号车位为第三个区 间；2 4 2 6 号车位为第四个区间。 ( 3 ) 隧道冷却带结构 隧道窑末端冷却的部分，从冷却带鼓入冷空气( 生产上叫集中风) 的量比燃料燃烧所 需要的量要大若干倍，这些冷空气将制品冷却而本身被预热。被预热的空气一部分作为 助燃的二次空气使用，另一部分分别送到每一个烧嘴作一次空气使用，或送至其他的地 方作干燥制品的热源。 在窑头安装有两个窑门，分别为内窑门和外窑门。两个窑门通过卷扬传动机构，借 助终点开关和相应的电器设备进行控制。两个窑门开关逻辑互斥，既正常情况下，外窑 门开时内窑门必须为关，而内窑门开时外窑门必须关闭。 此外，为了实现更高程度的自动化生产，该隧道窑系统除了隧道窑体本身外还配有 一套运转系统。运转系统的任务是压制和运送耐火砖坯和成品砖，主要包括窑头压砖机， 摆渡车，缆绳机，冷却线及窑尾卸砖机。 - 1 1 2 隧道窑系统的生产过程 砖坯在窑头的打砖机压制装上窑车后，由窑头摆渡车将窑车送至隧道窑的外窑门 前，等待窑内的液压推车机将上一窑车推入窑内烧制后，由要外的推车机将次窑车推上 液压推车机送入窑内。 前文已经提到过，隧道窑是属于逆流操作连续作业的热工设备，整个隧道窑沿窑车 的行进方向分为预热、烧成、冷却三个带。正常生产时，装有砖坯的窑车一辆接一辆地 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在狭长的隧道内沿着与气流相反的方向移动。窑内5 1 个车位共有5 1 辆窑车，窑车上的 砖坯先被热空气所预热；而后缓慢地进入烧成带，达到所需要的最高烧成温度，再经过 一段时间的保温，砖坯被烧制成制品；最后进入冷却带，同从窑尾鼓入的大量冷气进行 热交换，制品将本身的热量传给空气，使空气预热同时使制品本身的温度降低，经冷却 的制品被推出窑外。 、户 为了使烧制好的砖充分冷却，出窑后，窑车要由另一台摆渡车送到冷却线上进行自 然冷却，过程大概持续2 4 个。最后再到卸砖口卸砖。 1 2 国内外隧道窑控制系统发展的现状及发展趋势 1 2 1 隧道窑自动控制系统的现状 隧道窑作为砖瓦工业的主要烧成设备已经历了多年的成长和发展，相比于其他类型 的工业窑炉来说，自动化程度较高。但是国内现有隧道窑的控制大多还停留在常规仪表 控制的水平上，实现温度自动调节的不是很多，控制水平较为低下。控制系统的这一现 状产生了大量的工业问题：一是造成操作人员多，劳动强度大；二是导致窑炉运行不稳 “i 定，造成产品质量差异较大；三是热损失较大，造成能源浪引3 1 。 近年来，随着计算机硬件水平和网络技术的飞速发展，隧道窑自动控制设备的硬件 配置也已从传统的模拟仪表、数字仪表发展到计算机控制。系统结构从集中式控制、分 秽舭。 布控制向计算机集成管理控制系统方向发展1 4 】。 国内研究机构及相关企业在该领域做了大量的工作，并取得了显著的成绩，使我国 隧道窑自动控制的水平逐步提高。例如，铁道科学院自主研发的隧道窑多变量智能控制 及管理系统，是专门针对我国现有工业隧道窑特点而设计制造的。适用于以重油、轻油 以及清洁燃气为主要燃料的工业窑炉。该系统采用了先进的计算机硬件、软件、网络通 信以及智能控制技术，无论在控制方式、性能、功能、可靠性和灵活性方面都具有很高 的性能价格比，是代表未来发展方向的新一代工业窑炉自动控制系统。该系统控制精度 达到国外同类窑炉先进水平1 5 】。 从国外引进先进窑炉进行消化和吸收，也是国内隧道窑自动控制系统实现快速发展 的方式之一。例如，河南省焦作市某企业结合现有6 9 m 国产新型宽断面节能隧道窑的 工艺结构特点，借鉴国外窑炉的先进经验，研制开发出了煤气烧成隧道窑的两级微机控 制系统。这一以微机为基础的小型分布式控制系统( d c s ) ，实现了窑炉生产过程集中操 作和分散控制，提高了窑炉的热工性能和节能水平【6 】。 国内部分先进企业的隧道窑自动控制也已经具有了较高的水平。例如，黄冈某企业 隧道窑的温度、压力、气氛及流量等均采用先进的多变量模糊控制( f c ，f u z z ) rc o n t r 0 1 ) 一3 一 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 结合p i 控制的计算机自动控制技术，通过计算机、模糊控制器、可编程序控制器( p l c ) 和智能仪表，实现了高精度的双回路串级自动调节、控制和管理【7 j 。 综合评价，国外新型隧道窑自动控制系统的总体水平好于我国，并向着更快、更轻、 更好、更少的方向发展。一些经济发达的西方国家，在砖瓦工业中己实现了工厂全自动 化生产，无论窑断面大小如何，从码窑车开始，到窑车运转系统、顶车、烧成、窑内温 度和压力的监控，到各风闸的动作，窑门升降全部实现自动控制。 在新型隧道窑自动控制系统应用领域，欧洲和日本都有长足进展。例如，已经在西 班牙投入使用的一座钢外壳隧道窑采用了大功率的过程控制计算机，该计算机同存储程 序控制装置和数字调速器一起以最佳效果控制着隧道窑的运行。该套系统中成功应用了 精心设计的菜单技术，通过彩色的工艺过程图像为用户提供了大量有用信息，并且操作 简便。该系统能够模拟隧道窑全部重要部件及管道的运行状况。过程参数的测量值，设 定值以及工艺过程的状态信息实时的反映在大屏幕显示器上。当产品或吨位数发生变化 时，烧成曲线会全自动的适应该变化，并以最快速度中止所有临界边缘条件，如加热和 冷却速度等。这种现代化的数字硬件调速器借助友好的人机交互界面从过程计算机获得 设定值和设定参数。由于调节系统始终参与生产过程而不是在计算机可能出现故障时才 开启，这样就可以确保较高的运行可靠性博j 。 德国r j e d ha m m e r 燃气t w 6 5 2 1 0 7 5 g 现代轻型隧道窑的控制系统大体由四个 部分组成：a 、电机系统；b 、输车系统；c 、热工检测及自动调节系统；d 、工况监护 及报警系统。全部由微机自动调节和控制。整个控制系统包括：电子自动点火、火焰探 测、喷嘴火焰回流防爆。自动调温及比例调节压力，推车超压报警，煤气阀联锁自动启 闭等功能。操作人员通过人机交互界面设定温度、压力、气氛、流量、燃起与助燃风调 节比值等主要的过程参数。自动显示、记录仪表具有显示窑炉运行状况或记录历史曲线 的功能【9 1 0 为进一步提高耐火材料生产企业的产品质量和管理水平，日本的一些耐火材料生产 厂家也已经广泛采用了计算机控制系统。这些计算机控制系统一方面实现窑温、窑压等 参数的自动调节，设定值的修改、趋势图的绘制以及报警等功能；另一方面可以对窑内 温度、压力分布情况、各台车的生产信息等重要的质量参数进行监测和记录，并将这些 重要的历史数据进行存储，便于对历史生产信息的查询和分析。 1 2 2 隧道窑自动控制的发展趋势 虽然目前隧道窑生产过程的自动化已经取得了长足韵进步，但是限于现有的技术和 工艺水平，并没有真正实现隧道窑生产的全过程自动化。随着自动控制技术的不断进步， 隧道窑生产工艺的不断改进，隧道窑自动控制系统将更加完善，体现隧道窑特性的温度 一4 一 东北大学硕士学位论文 、i ，jr 警 一：；：二 。 ：j ，y 只： 第一章绪论 制度和压力制度将实现智能优化控制，控制系统将具有更高的精度、更快的速度以及更 强的抗干扰性能。例如，窑炉监控系统能够根据已经设定的烧成制度，对窑内发生的各 种变化自动进行调控。当系统当前状态发生变化时，控制系统将驱动执行机构对相应参 数做出调整。隧道窑的辅助过程也将进一步实现自动化、一体化。例如，隧道窑的进车、 出车、窑门升降按预先设定的程序自动完成，在无人干预的情况下，窑车能在回车线 上 顺利完成码坯，砖坯转运，卸砖，返回等作业。利用电子计算机技术实现全过程自动化 控制的隧道窑可以准确、及时、灵敏地调整各项热工参数，减少对操作经验的依赖，降 低操作人员的劳动强度；提高窑炉运行稳定性，进一步改善产品的质量，增加产品的产 量；并且进一步降低能耗，减少能源浪费。 另一方面，隧道窑生产过程是典型的热工生产过程，因此，窑内的温度直接影响着 烧成产品的质量。通常情况下，为了使产品达到要求的技术指标，在焙烧过程中必须严 格保证烧成带各区温度符合技术部门下发的烧成曲线，同时尽可能保持窑内温度制度的 稳定。从控制对象动态特性的角度讲，隧道窑是属于具有时变性、大滞后、多干扰的热 工过程，各调节参数与被调参数之间存在着多层次的交叉耦合作用【l0 1 。目前，在实际过 程中广泛采用传统的p i d 方式对烧成带各区分别进行控制，尽管这种方式能够基本实现 各区温度的自动调节，但是由于多变量相互耦合，使p i d 的参数整定很复杂，而且控制 速度慢、系统超调大，控制效果并不十分理想。 。， 因此，如何进一步提高烧成带温度控制的精度和稳定性，已经成为隧道窑自动控制 中的研究热点和难点之一。 随着智能控制方法的快速发展，针对上述问题的研究取得了一定的进展。文献1 1 0 】 中认为，对此种复杂的生产过程，有经验的操作工人却能凭经验使系统基本正常运行， 主要是对整个系统有综合判断能力，即具有模糊控制能力。基于此，该文章尝试了f u z z y ( 模糊) 控制和p i d 控制相结合的控制系统，并取得了较好的控制效果。文献 1 l 】中也 对在隧道窑温度控制中使用模糊控制方法进行了探讨，并对传统模糊控制方法进行了改 进。 近年来，神经网络在解决与隧道窑过程类似的温度过程的控制问题中得到了越来越 广泛的应用。文献【1 2 】中建立了一种基于d 时州神经网络的p i d 控制器，该控制器具有 参数自整定，多输入多输出特点。文献【1 3 】中采用p i d 神经网络实现在线学习，根据对 象过程参数调整控制作用，达到了系统解耦和控制的目的。 尽管前人已经在该领域的某些方向进行了深入的研究，但由于这些方法或要求大量 操作经验，或结构复杂、稳定性差，要将其应用于实际生产过程还有许多工作要做。 1 3 模糊控制概述 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 模糊( f u z z y ) 控制是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊 逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构 的数字控制系统。其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授扎德( l a z a d e h ) 首 先提出的，经过2 0 多年的发展，模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功。 模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，而是在总结操作经验的基础上实现自动控 制的一种手段。它根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。 其组成核心是具有智能性的模糊控制器，即根据模糊数学的理论和方法，将操作人员的 调整经验和技术知识总结成为：i f ( 条件) + t h e n ( 结果) 形式的模糊规则，并把这 些模糊规则及相关信息参数存入计算机中进行控制【1 4 1 。这也是它与一般的p i d 在原理和 方法上完全不同之处。 模糊控制是经典控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决 的复杂系统的控制，其中包括智能机器人系统、复杂工业过程控制系统、航空航天控制 系统、交通运输系统、汽车驾驶、电梯群控等。实现对生产过程的多模态复合智能控制， 其目的是提高系统的鲁棒性、容错性和解决具有严重的非线性和不确定系统的控制问 题。模糊控制系统包括由模糊量化处理、模糊控制规则、模糊决策、非模糊化处理环节 组成的模糊控制器。 模糊控制具有的突出特点【l5 j ： ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场 操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模 型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 ( 2 ) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那 些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导 致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模 糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 ( 4 ) 模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制 的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤 其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 1 4 模糊控制方法研究的现状 随着模糊控制技术理论的完善以及实践中的不断总结，对模糊控制的研究已经从单 纯的模糊控制逐渐转变到了模糊控制和其它复杂控制技术结合的方向。这里简要的介绍 一6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一下目前研究较多的模糊控制方法。 1 4 1 稹糊p i d 复合控制 铘 模糊p i d 复合控制指的是模糊技术与常规的p i d 控制算法相结合的一种控制方法。 这种控制方法常见的一种是模糊p i d 双模控制形式。这种改进的控制方法的出发点主要 是因为模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 p i d 调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误 差作用。因此把模糊控制和p i d 调节器相结合以增加稳态控制性能。当用常规p i d 控制 无法满足控制精度且系统稳定性差时，可引入智能积分模糊控制器来提高系统动态精 度。 1 4 2 参数自整定模糊控制 参数自整定模糊控制根据控制系统的性能来在线地整定比例因子k l 、勉和k i ，使 它们保持合适的数值，从而使系统的性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规 的固定比例因子的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对 控制器进行自动校正，使得在被控对象特性变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性 能。参数自整定模糊控制比常规的模糊控制系统( f c s ) 增加了两个功能模块，一个是系 统的性能测量模块，它由系统误差e ，误差变化率e c 等计算出表征系统性能指标的数据； 一个是比例因子调整功能模块，它用一套调整算法在线调整比例因子。模型参考自适应 模糊控制利用参考模型输出与控制作用下系统输出间的偏差来修正模糊控制器的输出， 包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则等。 1 4 3 自组织模糊控制 将参考模型和自组织机制相结合，它能自动的对模糊控制规则进行修改、改进和完 善，以提高控制系统的性能。自组织模糊控制系统比一般的模糊控制器增加了三个环节： 性能测量环节、控制量校正环节和控制规则修正环节。性能测量环节用于测量实际输出 特性与希望特性的偏差，以确定输出响应的校正量。控制量校正环节将输出响应的校正 量转换为对控制量的校正量。控制规则修正环节修改模糊控制器的控制规则，这样也就 实现了对控制量的校正。 1 4 4 专家模糊控制 专家模糊控制器e f c ( e x p e r tf u z z yc o n t r 0 1 l e r ) 由r m t o n g 提出，1 9 8 4 年他发表了 关于模糊控制系统展望的论文，首先提出这一新概念。专家模糊控制系统是由专家系统 7 一 论文第一章绪论 技术和模糊控制技术相结合的产物。把专家系统技术引入了模糊控制之中，目的是进一 步提高模糊控制器的智能水平。专家模糊控制保持了基于规则的方法的价值和用模糊集 处理带来的灵活性，同时把专家系统技术的表达，利用知识的长处结合进来。专家系统 技术考虑了更多方面的问题，如是什么组成知识，如何组织、如何表达、如何应用知识。 专家系统方法重视知识的多层次及分类的需要，以及利用这些知识进行推理的计算机组 参口【1 6 】 ：矿、 o 1 5 模糊控制技术在国内外的发展情况 模糊理论自它诞生以来便显示了强大的生命力。1 9 7 4 年英国的马旦尼 ( e h m a m d a n ) 首次提出将模糊控制理论应用于热电厂的蒸汽机控制；1 9 7 6 年英国的 汤哥( r t o n g ) 写出了第一本理论性模糊控制方面的论文。之后，美国、日本、英国先 后将模糊控制理论应用于机器人、航天、生产过程等领域。此后模糊控制技术进入应用 深入化、硬件专门化的时期，模糊控制取得了丰硕的成果。 在日本：8 0 年代，安信诚一、宫本捷二、井广原一，在日本首次把模糊控制应用于 工程实际，即基于模糊控制的列车定位停止控制。日本三菱电气公司生产的a j 2 l o o 电 梯群控系统采用了模糊控制，减少了1 5 2 0 的平均等待时间和3 0 4 0 的长等时间。 事实表明日本的模糊控制从理论到应用都位于世界的前列。从1 9 9 1 年到现在日本在神 经元模糊学习算法和自组织模糊控制系统等有了新的成果。日本松下电器公司于1 9 9 0 年推出了“爱妻”模糊全自动洗衣机，耗电3 8 0 w ，效果很好；日本三洋公司还把模糊控 制应用到电视摄像机、空调机、压力电子炉、电饭锅、机器人控制系统中，均取得了满 意的效果。 在美国：1 9 8 8 年5 月在美国德州休斯顿n a s a 约翰顿航天中心召开的第一届神经 网络和模糊逻辑应用技术研讨会，这预示了美国政府对模糊控制技术开始重视，在1 9 9 2 年，h e e 神经网络协会q 烈c ) 发起召开第一届i e e e 模糊控制系统的国际会议，1 9 9 3 年 在美国i e e e 神经网络协会新创办了国际性模糊逻辑专业杂志模糊控制季刊，有力 的促进并将继续推动模糊逻辑技术的发展( 1 7 】。美国国防部除了休斯顿的约翰顿宇航飞行 中心，把模糊逻辑应用于机器人控制和图象处理，另外尚在研究把模糊逻辑应用于双臂 机器人组装空间站自动控制、碰撞控制、轨道生成系统。加州斯坦福大学的扎德教授是 模糊理论的一创始人；南加州大学考斯特( b a n k o s k o ) 教授提出模糊认知图、模糊联想记 忆( f a m ) 等新概念：佛罗里达州大学有康唐尔为首的一批研究员在图象模糊识别和模糊 数据库方面的研究取得了较大的进展。西佛罗里达州大学由于1 9 9 3 年1 月创刊的i e e e 模糊系统杂志创始人和主编l c ，贝兹德克博士在该校的计算机科学系任职而出名： 杜克大学的玛利诺斯教授在1 9 6 7 年就提出了用通用数字逻辑“与”、“或”门来组成模糊 一8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 逻，辑运算电路的方法；北卡罗来纳州立大学的杜边博士和后来在加州成立第一个模糊 技术专业公司的户贝方规博士在j 1 9 8 5 年曾经在这里研究并开发出数字电路的模糊推理 芯片。 早在7 0 年代中期，我国就开始了模糊控制的研究和应用。目前，我国科学家在国 内外的专业刊物上发表了上千篇研究学术论文，出版了1 0 余部专著。现任国际模糊系 统协会副主席的北师大汪培庄教授及其同事们研究的主要理论有模糊落影理论，因素空 间，真值流理论等，并在模糊理论用于地膜生产、诊断型专家系统以及开发工业等方面 取得了批成果。 1 9 7 9 年开始用连续数学仿真方法研究了典型模糊控制器的性能，随后，一些高校及 科研单位从不同角度对模糊控制从理论到应用进行了全面的探讨。中科院半导体研究所 成功的研制出基于多元逻辑的集成电路，并依此为基础构成了模糊控制器。此外，还涌 现了有关的新型模糊p i d 控制器，预报式模糊控制器，自动修正因子模糊控制器，自寻 优模糊控制器以及多回路智能模糊控制器等研究论文和应用实例。在医药生产、医疗诊 断、气象、冶金、化工等行业，模糊控制也取得了实用性的成果。 1 6 模糊控制技术的展望 模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决其中两个重要的问题是：如何获 得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。 大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为【1 8 】： ( 1 ) 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系：控制器 的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。 ( 2 ) 模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平， 采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题： 进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。 ( 3 ) 模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。 ( 4 ) 模糊动态模型的辨识方法。 ( 5 ) 模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。 ( 6 ) 神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。 ( 7 ) 模糊控制算法改进的研究：由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则； 然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试 有待深入。 1 7 本文的主要内容 ， 一9 一 东北大学硕士学位论文 ， 第一章绪论 我国的隧道窑计算机控制系统的研究和应用技术比发达国家还有所不及，但是其应 用前景却非常广阔，高水平控制系统是提高我国耐火材料产品质量和企业管理水平的必 由之路。 隧道窑作为耐火材料制品的重要烧成设备之一，其机械化程度高，劳动强度低，生 产能力大，节能，适用于大规模生产的特点，更适合镁砖制品的生产。本文的研究是以 l w b 集团1 0 4 5 米1 8 0 0 0 c 高温隧道窑为研究对象，结合现代新型隧道窑的特点，设计 了计算机控制系统。 在耐火砖烧制的过程中，各个部分温度的控制直接影响了产品的合格率。但是隧道 窑的生产过程是个大滞后的过程，常规控制方法对温度的变化所做出的反应往往不是很 灵敏。本文介绍了模糊控制技术和传统p i d 控制技术结合在温度控制中的应用，国内外 的发展现状。本文可分为以下几个部分： ( 1 ) 首先介绍了高温隧道窑的烧制工艺、工作原理以及为更好地对温度实施控制而 对常规控制方法进行的改进； ( 2 ) 介绍了l w b 集团高温隧道窑计算机控制系统，并一次为研究背景，并重点分 析了控制系统的上位机和下位机的相互通讯的模式和管理系统的主要功能； ( 3 ) 详细介绍了隧道窑温控制中应用的基于模糊控制原理的f u z z ) r p i d 参数自整器 的设计过程。 l o 东北大学硕士学位论文 第二章隧道窑监控系统设计 第二章隧道窑监控系统设计 现代化的控制系统多趋向于集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用 于集中监视及管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之 间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递；其结构形式是分层、分级和合作自治。 整个系统把微型计算机、工控机数据通信系统、显示操作装置、过程通道和模拟仪表结 合起来，采用组合积木式结构，构成不同的控制管理系统【1 9 】。 2 1 隧道窑的工艺及原理 2 1 1 隧道窑的工艺 隧道窑是目前耐火材料生产行业中使用较多，工艺比较先进的炉窑。这里为了便于 研究和说明，我们将隧道窑分为窑体结构( 主要包括窑墙、窑顶和钢架结构) 、预热带 结构( 主要包括排烟系统) 、烧成带结构( 主要是燃烧系统) 、冷却带结构( 主要为冷 却系统) 及其他结构( 包括窑车结构和车下冷却结构等) 。图2 1 为隧道窑的简单工艺 结构图。 产品出窑 属碍与勘正空气 图2 1 隧道窑工艺示意图 f i g2 1t h et e c h n o l o g ys k e t c ho ft h et u n n e ik i l n 窑体由窑墙、窑顶和窑车衬砖围成了码烧砖坯的空间，也就是隧道。在这里燃料( 重 油或天然气) 进行燃烧并将热量传给砖坯，使其焙烧成产品。所以隧道窑主要是传热和 砖坯进行物化反应的场地。 燃烧设备包括燃烧室( 也称火箱) 和烧嘴。在这里作为燃料的重油和空气混合后燃 烧，并将热量传入窑内。 通风设备包括排烟系统，气幕和气体的循环装置以及冷却系统。它是由排烟风机、 烟囱、各种鼓风机及烟道、管道组成。其作用是使窑体内的气体按照一定的方向流动， 一1 1 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑监控系统设计 排除烟气，供给空气，抽出热气，并维持窑内的温度，压力和气氛制度【2 0 1 。 这样的工艺结构有一下优点【2 l j ： ( 1 ) 机械化、自动化程度高，劳动强度低，生产能力大，应用范围广。 ( 2 ) 操作环境良好，装卸窑车均在窑外，常温下进行。 ( 3 ) 使用寿命较长，比较好的隧道窑可以使用十几年。 ( 4 ) 热效率高，由于利用燃料燃烧热量预热砖坯和空气以及具有固定的段带，因此 不需要消耗用于砌砖加热和蓄热的热量，从而使单位燃料消耗降低。 2 1 2 隧道窑的原理 隧道窑属于逆流操作的热工设备。正常生产时，窑车进入预热带后，车上坯体首先 与来自烧成带燃料燃烧而成的烟气接触，并逐渐被加热，进入烧成带后，借助燃料燃烧 释放出的大量热量，