（计算机应用技术专业论文）基于模糊理论的热风炉燃烧控制系统研究与设计.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 热风炉的燃烧控制是高炉生产中一个非常重要的过程控制，但其在很 大程度上依赖于操作者的经验，很难实现自动化燃烧控制，不利于节能降 耗。而基于知识且不依赖于模型的智能控制为解决这类问题提供了新的思 路，成为目前提高过程控制质量的重要途经。 本文针对热风炉燃烧控制的难点问题，首先分析了常规p i d 控制、模 糊控制以及自适应模糊控制几种复合模糊控制的优缺点，然后将模糊控制 和p i d 控制结合起来，使之既具有模糊控制灵活且适应性强的优点，又具 有p i d 控制精度高的特点，对热风炉燃烧控制算法进行优化。另外，根据 热风炉不同燃烧阶段的特性选择相应的控制策略对燃烧过程的空燃比和 煤气流量进行调节，从而达到有效控制拱顶温度和废气温度的目的。最后 对应用在燃烧控制系统中的算法进行了仿真实验。实验结果表明，此方案 可以有效提高控制的稳定性，明显的减小超调量，并可协调快速性与超调 量之间的矛盾，使参数间相互影响减小且相对容易整定，提高系统的控制 品质。 关键词：p i d 控制，模糊控制，热风炉，空燃比 辽宁科技大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t c o m b u s t i o nc o n t r o lo ft h eh o t - b l a s ts t o v ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s sc o n t r o l s d u r i n gt h ep r o d u c t i o no ft h eb l a s tf u r n a c e h o w e v e r ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt oo p e r a t ea u t o m a t i c a l l y ， w h i c hi sn of a v o r a b l ef o re n e r g ys a v i n g , d u et ot h ec o m b u s t i o nc o n t r o lm a i n l yd e p e n d so n o p e r a t o r s e x p e r i e n c e t h e r e f o r e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，b a s e do nk n o w l e d g eb u tn o tm o d e l ，o f f e r sa n e wi d e af o rr e s o l v i n gt h i sk i n do f p r o b l e ma n da ni m p o r t a n tw a yf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f t h e p r o c e s sc o n t r 0 1 t h i sd i f f i c u l tp r o b l e mw a si n v e s t i g a t e da n dr e s o l v e da tp r e s e n tw o r k t h ea d v a n c ea n d d i s a d v a n t a g eo f t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，t h ef u z z yc o n t r o l ，t h es e l f - a d a p t i v ec o n t r o la n d s e v e r a l c o m p o s i t ef u z z yc o n t r o ls y s t e m sw l f f r ea n a l y z e df i r s t a n dt h e nt h ec o m b u s t i o nc o n t r o l sa r i t h m e t i c o f t h eh o t - b l a s ts t o v ew a so p t i m i z e db yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so f t h ef u z z yc o n t r o l ，w h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f a g i l i t ya n dh i g ha d a p t a b i l i t y , a n dt h ep i dc o n t r o l ，w h i c hh a sah i g hp r e c i s i o n t h ea i r f u e lr a t i oa n dg a sf l o wd u r i n gt h ep r o c e s so fc o m b u s t i o nw e r ea d j u s t e df o rc o n t r o l l i n gt h e v a u l tt e m p e r a t u r ea n dw a s t eg a st e m p e r a t u r eo ft h eh o t - b l a s ts t o v ee f f e c t i v e l y , b yu s i n go f c o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc o m b u s t i o ns t a g e s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h ea r i t h m e t i ca p p l i e di nt h ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mw a s c o n d u c t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i ss c h e m ec o u l de n h a n c e dt h eq u a l i t yo f t h es y s t e mc o n t r o l b yi m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo f t h es y s t e me f f e c t i v e l y , r e d u c i n gt h eo v e rs h o o tc l e a r l y , a n dr e s o l v i n g t h ec o n f l i c to ft h es p e e da n do v e rs h o o te f f e c t i v e l y , w h i c hc o u l dr e d u c et h ee f f e c ta m o n gt h e s e p a r a m e t e r sa n do b t a i nt u n i n ge a s i l y k e yw o r d s ：p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；h o t b l a s ts t o v e ；a i r f u e lr a t i o 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志 对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：ql 互2 z 关于论文授权使用的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 日期：姐占。! 垒钩 纽 丫出鹳勋 坪 娃 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究意义及来源 我国是一个发展中国家，在经济发展的相当长时期内钢铁需求量较 大，我国钢铁产量虽然已多年居世界第一，但产业能耗与国际先进水平相 比仍存在很大差距，今后的发展重点是技术升级、结构调整、降低能耗， 使我国成为世界钢铁生产的大国和具有竞争力的强国。这是我国钢铁产业 发展的大纲，也是我国钢铁产业“十一五”发展规划的基本方针。 随着现代高炉向着高产、低耗、长寿的目标发展和钢铁冶金新工艺的 迅速兴起，热风炉燃烧控制的完善也显得越来越迫切和重要。热风炉是按 “蓄热”原理工作的热交换器【lj ，是在炼铁生产过程中把冷风加热到要求 温度送给高炉的重要配套设备。在燃烧室里燃烧煤气，高温烟气通过格子 砖使之蓄热，当格子砖充分加热后改为送风，冷风经格子砖被加热后送到 高炉，使其获得较高风温。高风温可提高炉缸温度，使炉缸热量充沛，改 善炉缸工作状态；高风温对增加煤粉喷吹量、改善煤粉燃烧效果也具有积 极意义，是氧煤强化炼铁的必要条件；高风温是炼铁工艺技术发展的重要 标志，是降低焦比、增加生铁产量、提高生铁质量和降低生铁成本的有效 措施之一，是推动炼铁技术进步和产生巨大经济效益的有效途径。资料显 示【2 】，热风温度每提高1 0 0 可降低焦比2 0 2 5 千克吨铁，同时增产3 5 ；可允许增加喷吹煤粉4 0 千克吨铁，或增加喷吹重油2 5 千克盹铁， 相应地进一步降低焦比。 在炼铁生产工艺中，获得高风温一个非常有效的方法就是优化热风炉 控制，而热风炉燃烧控制是其中一个相当重要的部分。由于热风炉燃烧控 制系统的复杂性和多样性，采用常规的控制方案难以满足复杂的现场工况 要求，智能控制方式成为解决热风炉燃烧问题的首选。智能控制是近年发 展起来的一类控制方法，它的最大特点在于不需要对象精确、定量的数学 模型，可以采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。智能 控制系统的类型很多，各种类型也可以相互结合，形成新的控制方式。本 文采用模糊控制与p i d 控制相结合的方式实现热风炉燃烧控制，它将智能 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 控制的研究成果应用于热风炉燃烧控制过程之中，丰富和发展了智能控制 的内容，为解决复杂工业过程控制问题提供了一种新的途径。 1 2 热风炉燃烧控制系统简介 1 2 1 热风炉燃烧控制技术发展现状 由于高炉的操作或炉况等种种原因，造成煤气压力不稳定、煤气热值 存在波动，因而热风炉燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之， 燃烧控制的好坏将直接影响到热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率。 目前国内外热风炉燃烧控制主要有传统控制方式、数学模型控制方 式、人工智能控制方式三种。 1 传统控制方式 传统的热风炉燃烧控制方法中，有比例极值调节法【3 8j 、单交叉限幅 控制法【9 1 、双交叉限幅控制法【1 叭、烟气氧含量串级比例控制法【1 卜1 3 】等。 比例极值调节法是在烧炉时依靠操作者的经验预先设定一个空燃比， 然后以拱顶温度为信号，改变空气和煤气比例进行搜索，寻找拱顶温度上 升速率最快或最合适的值，即用极值的方法来获得空气、煤气的最佳配比。 国内很多企业曾经或者仍然在采用这种烧炉方法，由操作者的经验来随时 手动改变燃烧的空燃比。此种方法对检测点的要求不多，但并不能在煤气 热值发生变化的时候及时改变空燃比，不容易实现热风炉的最佳燃烧。 单交叉限幅控制法是对煤气的流量进行限幅控制，保证煤气不在缺氧 状态下燃烧；双交叉限幅控制不仅对煤气流量进行了控制，还对空气流量 进行了限幅，既保证煤气充分燃烧，同时保证适当的过氧量。由于煤气热 值不稳定等原因，造成空燃比波动较大，再加上其它外界和内部的影响， 单、双交叉限幅控制实现起来较为困难。 传统的烟气氧含量串级比例控制法是以比例调节作为粗调，以烟气中 氧含量反馈控制作为细调，对空气、煤气量进行控制，使烟气残氧量接近 于依经验预先确定好的目标值，达到燃料最充分的利用。普遍认为，热风 炉废气中可燃物含量为0 2 0 4 ，氧含量为0 2 0 8 时，燃烧比较理想 【1 1 。烟气氧含量串级比例控制法能够实现热风炉较合理的燃烧，但因其粗 调和细调都是用常规的p i d 控制方法，如果参数整定不佳，系统的响应性 2 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 及稳定性不好。 2 数学模型方式 用数模法对热风炉进行燃烧控制的关键在于建立符合生产实际的控 制模型，而建立模型的基础是热风炉的全炉热平衡计算。依此获得的控制 模型不仅是使空气、煤气配比合理，而且能够对燃烧速率进行控制，使燃 料的流量最佳化，进而提高热风炉的热效率【1 4 ”】。 日本在1 9 7 4 年就发表了关于热风炉数模法控制的专利，该法除对热风 炉进行了精确的热平衡计算外，最大的特点是依据半经验公式求出了热风 炉的“热焓”。由于该模型可随时反映炉子的热状态，故操作者可依据高 炉生产的需要，使热风炉随时满足高炉对风温的要求。最近几年，国外在 热风炉数学模型开发及应用上仍有新的进展1 6 叫引。上世纪8 0 年代中期， 国内宝钢等企业的几座高炉的热风炉开始相继采用数模法控制燃烧【1 9 ，2 0 1 ， 从其应用实践来看，用数学模型控制热风炉燃烧及有关操作制度，选择合 理的热工参数，及时调整控制变量，可以达到节约能源、提高风温的效果。 实现热风炉燃烧的最优控制，数模法有其严密、科学的优势，能根据 各燃烧阶段的不同特点对整个燃烧过程进行合理的控制，并能融换炉、送 风为一体，实现全闭环自动控制。但数学模型不是万能的，还需要以人机 对话的形式，由操作人员根据经验和高炉操作条件的变化来设定热风炉的 烧炉操作条件和参数，而且对于热风炉这种比较复杂的热工设备，为其建 立一个比较理想的燃烧控制数学模型非常困难，因此限制了数学模型方法 的广泛应用。 3 人工智能方式 热风炉是一个具有本质非线性、大滞后、慢时变特性的复杂被控对象， 随着燃烧工作环境的变化其特性也在不断发生变化，要准确的掌握热风炉 的运行状态是很困难的。近年来，国内外都在致力于热风炉的智能控制研 究 2 1 , 2 2 l 。如日本川崎钢铁公司就开发了模糊控制系统，新日铁则使用专家 系统。国内热风炉智能控制的研究也取得了一定进展，如模糊控制技术、 专家控制技术 2 3 , 2 4 】、遗传算法优化技术、神经元网络技术【2 5 q7 1 、基于规 则的仿人智能控制技术等技术 2 8 , 2 9 ，而且有些技术己经从实验模拟阶段发 展到了工程化和实用化的阶段。 模糊控制的优点是不必建立被控系统的数学模型，它能将操作者或专 家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去 控制系统，给出短期的控制信号，具有较强的鲁棒性。正是由于模糊控制 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 的这些优点，因此广泛应用于热风炉这种复杂被控对象，而且在设备配置 水平较低的中小型高炉也有很强的应用性。模糊控制可以基于很少的检测 点，其至只需要拱顶及废气的温度信号，即可实现较好的控制。 图1 1 热风炉计算机控制系统构成 从2 0 世纪8 0 年代后期，模糊控制技术开始成功的应用于热风炉燃烧控 制，而f i 本的应用比例居世界首位。同本川崎制铁公司的水岛铁厂3 号高 炉热风炉和千叶制铁所6 号高炉热风炉等先后成功应用了模糊控制技术。 其热风炉计算机控制构成如图1 1 所示，从图中可以看出，实际上其控制 思想仍以物理模型为基础，根据高炉的情况，以节省燃气消耗、提高热风 炉热效率为目的。当高炉作业条件确定后，计算燃烧条件的物理模型根据 预先设定的热风温度和风量要求确定出热风炉工作条件的最佳理论值。然 而所需的过程量是很难测得的，所以只用模型是不能确定出最佳燃烧条件 的。模糊模型控制的作用就是根据几个周期以来送风终了时的混风蝶阀开 度、耐火砖的温度等来判断热风炉的热状态，输出一个既满足耐火砖温度 条件，又能使燃烧接近于最佳状态的燃烧条件的变化量。物理模型只在高 炉作业条件发生变化时才启动，而模糊模规则在热风炉送风完了时启动。 对于热风炉这种具有不确定性的复杂控制对象，熟练的操作人员却能 从某些过程数据确定热风炉的热状态，并进行良好的操作，这正是专家系 统的适用课题。专家系统是一类包含着知识和推理的智能计算机程序，基 本组成如图1 2 所示。其内部包含着大量的某个领域专家水平的知识和经 验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。专 家系统的最大优点在于功能上运用专家( 包括技术专家和熟练的操作人员) 所掌握的专业知识和技术诀窍，使原先数学模型方法难以做定量化处理的 业务，可以进入计算机系统所覆盖的范围。 4 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 图1 2 专家系统的基本结构 专家控制系统的任务是要自适应地管理一个客体或过程的全面行为。 将专家系统的理论同控制理论、方法与技术相结合，设计出的热风炉专家 控制系统，可以实现热风炉的智能控制【3 0 , 3 u 。国内自主开发的热风炉专家 系统还处于起步阶段。 热风炉燃烧的控制朝着智能控制方向发展是必然趋势，但具体情况不 同，所适用的控制方法也会有所区别。对于国内大部分中小高炉热风炉设 备水平较低的情况，进行模糊控制技术、仿人智能控制、专家控制系统等 以及综合应用技术的_ 丌发，有实际意义。而设备水平较高、具备开发一定 程度的数学模型的热风炉，应该统筹兼顾，把数学模型的优点和智能控制 方法有机结合起来，将使热风炉的燃烧控制技术得以提高。 1 2 2 面临的主要问题 热风炉燃烧控制系统是一个非线性、大滞后系统，影响热风炉燃烧控 制的因素很多且相互牵制，冈此导致它的控制过程非常复杂，很难用精确 的数学模型描述。用传统的方法建模，使整个控制系统置于模型框架下， 缺乏灵活性及应变性，很难胜任对复杂系统的控制。 目前许多企业的热风炉燃烧控制系统存在的问题主要有以下两个方 面： ( 1 ) 基础自动化设计不合理 国际上通用的热风炉全自动化系统是以完善的基础自动化加上数学 模型或智能控制组成的，但基础自动化所设置的仪表和控制四路较多，而 且人都采用町编程控制器( 或集散系统) 进行控制，为了将各部分连接成 一个统一的系统，必须投入相当大的工程费用、时间将不同类型的软件和 用户接口予以配置、编程、调试和测试。这也使得整个控制系统变得复杂、 维护网难。至于设置数学模型，需要设置自动分析煤气成份的仪器，这种 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 仪器比较昂贵且需要良好的维护，很多工厂难以实现。因此，数学模型虽 然有效，但在国内除宝钢以外，很少有工厂采用。 ( 2 ) 热风炉燃烧控制问题 传统的高炉热风炉燃烧自动化系统采用数学模型计算所需的煤气流量 和助燃空气流量，并计算出空燃比。热风炉流量设定数学模型的基本原理 是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量能够满足热风温度和流量的要求，以获 得最佳经济效益。由于热风炉的燃烧过程是一个连续的动态变化过程，控 制的主要困难是不能及时得到控制作用的反馈信息，等控制效果能通过输 出测量体现时，此时的控制作用强度往往已过头了。因此，欲实现燃烧过 程的实时控制所需的数学模型相当复杂。此外，对于燃烧高炉煤气和焦 炉煤气的具有三眼燃烧器的热风炉来说，由于高炉煤气和焦炉煤气流量比 例控制，这使得系统回路更多、更复杂。 目前，国内很多大型钢铁厂的高炉都使用较简单的热风炉燃烧系统， 即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位或流量的自动控制，然后 由人工控制阀位或流量的设定值。人工控制，不但需要专人操作，且难以 在热风炉整个燃烧时期各个阶段及时设定煤气和助燃空气流量，也难以在 预热煤气和空气温度变化时、高炉所需鼓风温度和流量变化时、助燃空气 压力变化时、热风炉蓄热量尚有富裕时，及时修正热风炉加热的煤气和空 气量，因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。如何有效的控制热风炉 燃烧，使热风炉既能充分蓄热，达到最佳燃烧效率，以保证向高炉送风的 温度和时间；能最大限度的降低能源消耗，防止热风炉拱顶温度过高，以 延长热风炉寿命是各大钢铁企业亟待解决的问题之一。 1 2 3 提高热风炉燃烧控制性能的主要方法 现代高炉都是大型化高炉，要求热风炉稳定地提供规定的风温和风 量。热风炉也是耗能较大的设备，故其有效操作是至关重要的，而满足其 高风温条件下实现热风炉系统的全部自动化则尤为关键。热风炉改造的控 制系统在设计时应充分考虑热风炉的生产现状，并做到努力提高生产过程 的自动化管理与控制水平，以提高劳动生产率。 热风炉的热源主要来自煤气燃烧放出的热量，而能源的利用上希望用 在冷风上的比例越高越好，被烟气带走的热量越少越好，如何提高热效率 成为关键。燃料流量和空气流量的合理配比是高效燃烧的首要条件，空燃 6 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 比与空气过剩系数是成正比的，也存在着一个极大值，而这种极值关系因 煤气热值变化会产生漂移。因此，怎样提高热效率，就转化为如何寻找最 佳空燃比的问题。实现热风炉燃烧自动控制的关键是随着煤气压力和质量 的波动，根据热风炉的不同状态进行煤气流量和空气流量的实时调整，所 以助燃空气流量的调整可以转化为对空燃比的调整。 空燃比的设定既要满足工艺对热风炉燃烧的要求，又要符合节能和降 低对环境污染的要求。空燃比太大，一部分热量就从烟道随空气带走，热 效率降低；反之，空燃比太小，则燃烧不完全，尾气中含有未燃燃料，热 效率也随之降低，理论上，可以通过计算燃料的热值给出一个最优的空燃 比，当前生产中大多是在积累了大量经验的基础上进行人为设定，由于燃 料的实际热值总是在某一范围内波动，当波动较大时人为地设定一个固定 的空燃比就不太合适，最好是根据燃料的具体情况动态地确定空燃比。为 了获得最佳的燃烧控制，本文针对我国热风炉的操作、自动化及维护水平 的实况，将模糊控制技术用于高炉热风炉燃烧的自动控制中，开发一种适 合于我国冶金工业实际情况的、成本较低且便于推广的热风炉自动控制系 统。 1 3 模糊控制应用简介 1 3 1 模糊控潮理论的特点及研究动态 模糊控制理论由美国著名学者、加利福尼亚大学教授l _ a z a d e h 于 1 9 6 5 年首先提出，它是以模糊数学为基础，采用语言规则表示方法和先进 的计算机技术，通过模糊推理迸行判决的一种高级控制策略1 3 2 , 3 3 】。从线性 和非线性控制的角度划分，模糊控制是一种非线性控制：从控制器的智能 性角度划分，模糊控制属于智能控制的范畴，目前己经成为实现智能控制 的一种重要而有效的形式，尤其是模糊控制、神经网络、遗传算法、变结 构控制及混沌理论等新学科相融合后34 1 ，更显示出其巨大的应用潜力。 1 模糊控制理论的特点： a 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制，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 7 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 单，便于应用； b 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 象适用； c 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， 利用这些控制规则间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于 常规控制器： d 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t 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； e 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。 2 模糊控制理论的研究现状 目前，世界上研究“模糊理论”的学者己超过万人，发表的重要论文 达5 0 0 0 多篇，研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用、模糊系统及 其硬件集成。与知识t 程和控制有关的研究有：模糊建模理论、模糊序列、 模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊推理、模糊辨识等。 最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、 模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复 杂系统的自学习与参数( 或规则) 的自调整模糊系统方面的研究，尤其受到 各国学者的重视。将神经网络和模糊控制相结合，取长补短，形成一种模 糊神经网络，组成更接近人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分广阔。 我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，在模糊控 制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊识别1 3 5 】 等领域取得了很多有影响的成果。目前，我国在模糊控制理论方面己经接 近或达到世界领先水平，但是在模糊控制应用的程度和水平上与日本、美 国、德国等发达国家仍有很大的差距f 3 6 , 3 7 1 。 3 模糊控制理论的发展方向 虽然模糊控制理论在工程上己获得了许多成功的应用，但总体来说仍 处于发展的初级阶段，在以下方面还有待于进一步深入研究 1 0 , 3 9 】。 a 建立一套系统的模糊控制理论。模糊控制理论研究还期待着坚实的、 系统的、奠基性的内容，以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设 8 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 计方法、新型白适应模糊控制系统、专家模糊控制系统、神经模糊控制系 统和多变量模糊控制系统的分析与设计等一系列问题； b 模糊集成控制系统设计方法研究。随着被控对象只益复杂，往往需 要两种或多种控制策略的集成，通过动态控制特性上的互补来获得满意的 控制效果。现代控制理论、神经网络理论与模糊控制的相互结合以及相互 渗透，可构成所谓的模糊集成控制系统，对其建立一套完整的分析与设计 方法也是模糊控制理论研究的一个重要方向； c 模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模、模糊规划的建立和推理 算法的深入研究： d 自学习模糊控制策略、智能系统及其实现； e 常规模糊控制系统稳态性能的改善； f 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； g 把己经取得的研究成果应用到工程实际中，尽快转化为生产力，因 此需加快简单、实用的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统 的开发与推广应用。 1 3 2 模糊控制的应用回顾 模糊控制技术适宜在各个领域中应用，最早取得应用成果的是1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i 首先利用模糊控制语句组的模糊控制 器，应用于锅炉和汽轮机的运行控制，在实验室中获得成功【 l 。它不仅把 模糊控制首先应用于控制领域，并且充分展示了模糊控制技术的应用前 景；1 9 7 5 年英国的p j k i n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业 反应过程的温度控制中 4 0 , 4 1 1 ；1 9 7 6 年荷兰学者w j m k i e k e r t 和 h r v a n n a u t a 将模糊控制器应用于热水装置中：1 9 7 7 年丹麦学者j j o s t e r g a a d 利用模糊控制器对双输入双输出的热变换过程进行控制1 4 2 1 ， 同时英国学者r m t o n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力容器内部的压力和 液面进行控制，以及他随后发表的多篇文章【4 卜”l ，对模糊控制的应用和 发展起到了积极的推动作用。他们的研究成果解决了过程中非线性、强耦 合、时变和滞时等难题，达到了最佳p i 控制效果；1 9 7 7 年英国的 c p p a p p i s 和e h m a m d a n i 对十字路口的交通枢纽指挥采用模糊控制，试 验结果使车辆平均等待时间减少7 f 4 8 】；1 9 7 9 年英国i j p r o c y k 和e h 9 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 m a m d a n 研究了一种自组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整 控制规则，使控制系统的性能不断完善1 4 9 。这标志着模糊控制器“智能化” 程度进一步向高级阶段发展，毫无疑问地证实了它归属于“智能控制器” 的范畴。1 9 8 0 年，丹麦f l s m i d t h 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制 系统最早被应用于水泥窑生产控制，并且和1 9 8 2 年研制成功地n 0 分析器 配套使用，使模糊程度大、熟练操作人员的专家知识和参与起作用的水泥 生产过程自动化，在采用模糊控制后获得了满意的控制性能和强鲁棒性， 这是采用经典理论和现代控制理论所难以达到的。1 9 8 2 年，日木大阪水泥 窑生产自动化也成功的应用了模糊控制。1 9 8 3 年日本学者m s u g e n o 和 k m u r a k a n i 将一种基于语言真值推理的模糊控制器，应用于汽车速度自动 控制，并取得成功1 5 0 q 引。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉 窑、水处理、食品生产等多个领域中得到应用，充分显示了在大规模系统、 多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效 果。 1 4 本文所做的主要工作 本文以模糊控制理论为依托进行实验研究，同时对热风炉燃烧控制中 的技术难题进行了深入的探讨研究。最终利用该技术进行主要控制器的设 计，充分利用了模糊控制技术的特点，对热风炉燃烧控制问题提出了可行 性解决方案，具有重要的工程应用价值。 本论文主要研究工作和内容如下： 第一章是“绪论”，简要介绍了热风炉燃烧控制的主要问题，概述了 模糊控制理论的特点、研究现状及发展趋势，重点阐述了模糊控制在热风 炉燃烧控制系统中的应用研究概况，进而提出本论文研究工作的内容和意 义。 第二章是“模糊控制理论研究”，在简要说明模糊控制理论基本概念的 基础上，详细说明了一个常规模糊控制器的设计步骤，并说明了在设计中 应该注意的问题，为设计热风炉模糊控制系统打下理论基础。 第三章是“热风炉燃烧控制系统设计”，在介绍热风炉的发展状况的基 础上对热风炉工艺及燃烧过程进行了深入的探讨和分析。本章重点是对燃 烧制度进行比较分析，并提出满足现场控制要求的燃烧制度改进方案，最 后研究了经典控制算法下热风炉燃烧控制系统的动态性能指标。 1 0 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 第四章是“最佳空燃比控制策略设计”，对目前工程上应用的p i d 控制 算法进行了仿真研究，针对其不足，提出了热风炉燃烧控制系统的模糊p i d 控制算法，建立数学模型进行了仿真研究，结果表明采用模糊p i d 控制后， 系统超调量和调节时间比经典控制算法和p i d 控制算法都显著减小，极大 的提高了系统的稳定性。之后利用模糊p i d 控制技术对加热期最佳空燃比 控制器进行了改进，并对仿真结果加以分析说明。 第五章是“管理期废气温度控制策略设计”，在对热风炉蓄热期进行 深入分析的基础上得出燃烧特性，针对这一阶段的燃烧特性提出采用模糊 控制技术的新发展一一自适应控制进行模糊控制器的设计，最后建立仿真 模型加以验证。 第六章是“系统实现”，主要介绍了两个辅助模块的实现方案，并简述 了热风炉燃烧控制方案实现的软、硬件条件及方式。最后对系统仿真实验 的具体语言及过程加以阐述。 第七章是“结论与展望”，对论文的创新工作进行了总结，并且就模 糊控制技术在热风炉燃烧系统中的进一步应用阐述了自己的想法。 辽宁科技大学硕士论文 第二章模糊控制理论研究 第二章模糊控制理论研究 在工业生产过程中，经常会遇到大滞后、时变、非线性的复杂系统。 其中有的参数未知或变化缓慢，有的存在滞后和随机干扰，有的无法获得 精确的数学模型。模糊控制器是砷p 新型控制器，其优点是不要求掌握被 控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则建立控制决策表，然后由该 表决定控制量的大小。 模糊控制理论的提出至今已有四十年的时问。它是以模糊数学为基础， 用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行推理决策的一 种高级控制策略。它无疑是属于智能控制范畴，而且发展至今已成为人工 智能领域的一个重要分支。1 9 7 4 年，英国伦敦大学教授e h m a m d a n i 研制 成功第一个模糊控制器，充分展示了模糊控制技术的应用前景。模糊控制 技术是由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科相互渗 透且理论性很强的科学技术。 2 1 模糊控制的数学基础 2 1 1 模糊集合与隶属函数 正如集合是现代数学的基础一样，模糊集合是模糊理论的基础，隶属 函数是模糊理论中最重要的基本概念。通过隶属函数可以将模糊集合的模 糊性作定量描述，故隶属函数在模糊集合中占有十分重要的地位。萨确确 定隶属函数，是运用模糊集合理论解决模糊控制问题的基础，也是模糊理 论中的重要问题。 1 模糊集合 定义2 1 ：设u 是变量u 的论域，u 代表论域u 上的一个元素。u 上的 一个实值函数用心来表示，即心：z 斗【o ，1 】 对于u u ，儿( u ) 称为u 对a 的隶属度，简单记为心。 若( u ) = 1 ，则认为完全属于a ； 若。( u ) = 0 ，则认为完全不属于a ； 辽宁科技大学硕士论文第二章模糊控制理论研究 若0 心( u ) 毋。( x 2 ) 时 这里五，x 2e u ，若由g ( 五) 为元素构成矩阵，并设g ( 葺x ，) ，当i = j 时，取值为1 ，则得到矩阵g ，被称为“相及矩阵”。如 g = ( g 。之，一，g 毛1 ，而 cz 。， c 专家经验法 专家经验法是根据专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或相应权 系数数值来确定隶属函数的一种方法。专家经验越成熟，实践时间和次数 越多，则按此专家经验确定的隶属函数将取得更好的效果。 2 1 2 模糊关系及其合成 u 和v 是两个普通集合，各任取一个元素组成的所有有序对( u ，v ) 的 集合称为u 和v 的笛卡儿积( 直积) ，记为u x v ， 即 u v = ( u ，v ) l u uv y 。对于多个集合的笛卡儿积则为： u 。u ：p ，= ( “，如，“。) f h ，如u ：、“。v ， ( 2 1 0 ) 关系r 是笛卡儿积上的一个子集，即r f u 。，u ：，u n ) c u 。x u ：氓。 它是笛卡儿积中满足某个条件的所有有序对的集合。 1 模糊关系 因为关系表达的是集合问的清晰关系，要么有关系，要么没关系。但 某些关系很难用有无来表达，于是引入模糊关系的概念。 u 砜上的模糊关系楚如下的模糊集合： 盟宁科技大学硬士论文 第二章模糊控制理论研究 r = ( ( “。，“二，“。) 如( q ，“! ，z f ，) ) ，“：，。) u j 。，u 。 ( 2 1 1 ) 式( 2 11 ) 中，如( “，“：，“。) f 0 ，1 】是任一序对( 坼，u 2 c - ) 对关系r 的 隶属度。 2 模糊关系的合成 分析关系之问的相互联系，从而形成新的关系，叫做关系的合成。将 共同拥有集合v 的两个普通关系集合p m ，v ) 和q ( v ，w ) 合成为u x w 中的一 个关系，记p o q ，它满足至少存在一个v e v 使( u ，v ) p 且( v ，w ) q 。若p 、 q 是模糊关系，那么新模糊关系p 。q 满足对任意( u ，w ) u x w ，其隶属度 函数为： 饰。q w ) 2 警 ，( 脚( z , v ) ，心( v ，w ) ) 】 ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，t 是t 范数。最常用的合成是最大一最小合成和最大一代 数积合成。它们分别是定义t 一范数为取小和乘积的结果。当u ，v ，w 为 有限集时使用模糊关系矩阵进行合成运算很方便。设u ，v ，w 分别有m ，n ， 1 个元素 p = 【脚( u ，v ) 】，q = 【心( v ，w ) 。，p 。q = r = 【t 。( “，w ) 】。 ( 2 1 3 ) 式( 2 t 3 ) 中，l ”( u ，w ) 2 瞥( r n i 脚( u ，v ) 帕( v ，”) ) 。模糊矩阵合成与普 通矩阵的乘法过程很相似，只是将对应元素相乘改为取小，相加改为取大。 2 2 模糊控制的工作原理 2 2 1 模糊控制系统组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组 成类似于一般的数字控制系统，其框图如图2 1 。 图2 i 模糊控制系统框图 1 6 辽宁科技大学硕士论文 第二章模糊控制理论研究 模糊控制系统一般可分为五个组成部分： a 模糊控制器：是各类自动控制系统中的核心部分。在模糊控制理论 中，采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型模糊控制器。 b 输入输出接口：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数 字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变 为模拟信号，然后送给被控对象。 c 执行机构：执行机构主要是各种交、直流电动机，伺服电动梳，步 避电动枫等，还有各种气魇的和液压的装置等。 d 被控对象：被控对象可以是一种设备或设备组成的集合体，也可以 是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他各种的状念转移过程。这 些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量的或多变量的、有滞后的或无 滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或是对变的系统以及具有强 耦合和干扰等多种情况。 e 。传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号 的一类装置。 2 2 2 模糊控制的基本原理 模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员，他 并非需要了解被控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采 取适当的对策来巧妙地控制一个复杂过程。若能把这些熟练操作员的实践 经验加以总结和描述，并用语言表达出来，他就是一种定性的、不精确的 控制规则。如果用模糊数学将其定量化为模糊控制算法，就形成模糊控制 理论。 摸凝控制的基本思想是利用计算机来实现入的控制缀验，丽这些经验 多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。其实质是一种非线性控 制，从属于智能控制的范畴，非常适合于工业生产过程和大系统控制方法， 特剐是在纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性、不确定分布参数系统中， 经典控制和现代控制理论是难以奏效的，键是采用模糊控制可取锝令人满 意的成果。模糊控制的基本原理珥由图2 2 所示。它的核心部分为摸糊控 制器，如虚线框部分所示。 辽宁科技大学硕士论文第二章模糊控制理论研究 | 离j x 警删挣， ：； i r 一一一一一一一一一一 2 2 3 模糊系统的结构 图2 2 模糊控制原理图 通常，在一个实验的模糊控制系统中，模糊推理系统的功能与模糊控 制器的功能足等价的。从系统的观点而言，模糊控制器本身也就是一个系 统。在本文中，模糊控制系统与模糊控制器两个词的意义是相同的，两者 可以互换使用。 一个模糊推理系统( f u z z ys y s t e m ) 的结构如图2 3 所示。 奠糊系统 图2 3 模糊系统结构 在该模糊系统中，包括所有的应用模糊算法和解决所有相关的模糊性 的必要成分。它由如下4 部分要素组成： a 知识库( k n o w le d g eb a s e ) ：它包括模糊集和模糊算子的定义。 b 推理机制( jn f e r e n c ee n g ir l e ) ：它执行所有的输出计算。 c 模糊器( f u z z i f i e r ) ：它将真实的输入值表示为一个模糊集。 d 反模糊器( d e f u z z i f i e r ) ：它将输出模糊集转化为真实的输出值。 知识库中包含了每一个模糊集的定义，并保持一套算子以实现基本的 逻辑( a n d ，o r ，等等) ，同时用一个规则信度矩阵表示模糊规则映射。推理 单元与模糊器和反模糊器一起，从真实的输入值计算出真实的输出值。模 1 8 辽宁科技大学硕士论文 第二章横糊控制理论研究 糊器将输入表示为一个模糊集，使得推理单元在存储于知识库中的规则下 与之匹配。然后推理单元计算每一规则的作用强度，并输出一个模糊分布 ( 所有模糊输出集的并) ，该模糊分布表示真实输出的模糊估计。最后， 这些信患被反模糊化( 压缩) 为单值，该值郄为模糊系统的输出。 这些系统非常复杂，它可以被用作一个基本的装置模型、一个控制器 或一个估计器，或表示一个性能函数，或用作一个期望的轨迹发生器。它 们可以实现一个通用的非线性映射，并由此根据系统输入输出的选择，被 用诈实现诸多的遥近和分类任务。 模糊系统在其初始化、确认及解释过程中都使用模糊逻辑。一般可以 用一套称为模糊运算法则的模糊产品规则来初始化一个模糊系统。相似 地，一个训练后的模糊系统可以用一套模糊算法来解释其行为。当一个模 糊系统在解释过程中应用模糊逻辑时，所霄与模糊表达式相联系的内在的 不精确性都将被完全解决，同时也决定了系统的输入输出行为。接下来将 探讨怎样实现一个模糊系统。 2 3 模糊控制器的设计 模糊控制器的设计包括以下内容： a 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) ； b 。设计棱糊控制器的控制规则； c 确立模期化和非模糊化( 又称清晰化) 的方法； d 。选择模糊控制器的输入交量及输出变量的论域并确定模糊器的参 数( 量化因子、比例因子等) ； e 编制模糊控制算法的应用程序； f 合理选择模糊算法的采样对间。 2 3 1 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构选择得合理与否直接影响模糊控制器的性能，按输 入输出变量的个数可将模糊控制器的结构分为“单变量”和“多变量”两 种结构。在这里我们只研究目前比较常用的“单变量”结构。 1 一维模糊控制器：这是一种最简单的模糊器。在这种模糊控制器中， 输入和输出变量均只有一个。假设控制器的输入变量为x 。输出变量为y ， 1 9 辽宁科技大学硕士