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东北大学硕士学位论文 摘璺 水泥养护窑养护过程控制专家系统的研究 摘要 蒸汽养护窑是混凝土构件和水泥制品工艺生产的主要设备，其工作过程的温 度稳定性和精确性直接影响混凝土构件和水泥制品的质量。但现有的大多数养护 窑工作过程的温度控制是以人工手动控制方式实现的，这种控制方式很难保证养 护窑工作温度的精确性和稳定性，而工作效率极低。因此，研究开发养护窑温度 自动控制系统具有较大的实际意义和应用价值。 本文工作包括两方面。一根据蒸汽养护窑的结构特点，建立一套适合用于混 凝土构件和水泥制品蒸汽养护窑的计算机控制系统，具体内容包括智能控制算法 的选择、模糊p i d 控制算法的设计、模糊控制算法中比例因子对控制结果影响的 研究工作等，并提出了用p i d 控制参数整定模糊控制比例因子的方法。通过用 m a t l a b 仿真软件对模糊控制系统进行仿真和现场工业生产过程的试验验证了p i d 控制参数整定模糊控制比例因子方法的有效性。同时，建立了水泥养护窑养护过 程的控制专家系统，根据以往的经验和现场的试验给出了专家系统知识库，并根 据情况设计了推理机。二设计出控制系统硬件。在控制系统工作过程中，传感器 从混凝土养护窑中采集窑温数据，通过p c l d 1 6 r t d 信号调理卡对信号进行调 理，然后采用p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡将温度数据采集到工控机中，用模糊控制算 法对数据经行处理，通过p c l 一7 2 6 d a 输出卡输出电压控制电动调节阀的阀位开 度来达到窑温控制的目的。控制系统的软件采用面向对象的软件工程进行分析、 设计，开发工具采用d e l p h i 6 0 。控制系统软件界面友好，功能强大。能进行实时 数据、图线显示，并且还具有历史数据回放功能。 关键词养护窑温度控制仿真数据采集比例因子 东北人学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d yo nc o n t r o le x p e r ts y s t e mf o rp r e s e r v a t i o nk i l n p r o d u c t i o np r o c e d u r e a b s t r a c t s t e a mp r e s e r v a t i o nk i l ni st h em a i ne q u i p m e n to ft h ep r o d u c t i o np r o c e d u r ef o r c o n c r e t ec o m p o n e n ta n dc e m e n tp r o d u c t i o n t h et e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n da c c u r a c yo f t h ec o u r s eo fw o r ka f f e c t st h eq u a l i t yo ft h ec o n c r e t ec o m p o n e n ta n dc e m e n tp r o d u c t i o n d i r e c t l y b u tm o s tp r e s e r v a t i o nk i l n ，t h ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r ei sb yh a n dc u r r e n t l y , t h e m e t h o do f c o n t r o lh a r d l ye n s u r e st h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo f w o r k i n gt e m p e r a t u r e ，a n d t h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yi sl o w s oi th a sf a i r - s i z e dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i e d c o s tt oe x p l o r et h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f p r e s e r v a t i o nk i l n t h e r ea r et w op a r t si nt h i sp a p e r o n ep a r ti ss e r i n gu pac o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m f o rt h ec o n c r e t ec o m p o n e n ta n dc e m e n tp r o d u c t i o ns t e a mp r e s e r v a t i o nk i l n t h i sp a r t i n c l u d e st h es e l e c t i o no ft h ec o n t r o lm e t h o da n dt h ed e s i g no ft h ef u z z y p i dc o n t r o l l e r a n dt h ea f f e c t i o no fp r o p o r t i o n a lf a c t o rt oc o n t r o lr e s u l ti nt h ef u z z yc o n t r o l l e r i ta l s o p u tf o r w a r dam e t h o dt oa d j u s tp r o p o r t i o n a lf a c t o rb yu s i n gp i dc o n t r o lt h e o r y n l e t h e o r yi sv a l i d a t e db yu s i n ge m u l a t o ri nm a t l a ba n dt h ee x a m i n a t i o no fi n d u s t r i a l p r o c e s s o ns i t e s i m u l t a n e i t y , ac o n t r o le x p e r ts y s t e mo fc e m e n tp r e s e r v a t i o nk i l n p r o d u c t i o np r o c e d u r ei sd e v e l o p e d ，t h ek n o w l e d g el i b r a r yi sb u i l tt h a tb a s e so nt h e f o r m e rk n o w l e d g ea n de x a m i n a t i o no ns i t e ，a n dt h ei n f e r e n c ee n g i n eb a s e st h ec u r r e n t s i t u a t i o ni sd e s i g n t h eo t h e rp a r ti st h a tw o r ko u tt h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e m t h e p r o j e c ti st e m p e r a t u r ec o n t r o lo fc o n c r e t ec o m p o n e n ts t e a mp r e s e r v a t i o nk i l n t h e c o n t r o ls y s t e mw o r k sb yt h ef o l l o w i n gs t e p s ：s e n s o r sa c q u i r et e m p e r a t u r ed a t af r o mt h e k i l n t h ep c l d 一1 6 r t ds i g n a la d j u s t m e n tc a r da d j u s tt h es i g n a lf r o mt h es e n s o r s ， a c q u i r et h ed a t at ot h ep r o d u c t i o nc o n t r o lp cb yp c l 一8 1 2 p gd a t aa c q u i r e m e n tc a r d ，d e a l w i t ht h ed a t ab yf u z z yc o n t r o l l e r , e x p o r tt h ev o l t a g eb yp c l 一7 2 6d ac a r d ，a d j u s tt h e v a l v et oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo ft h ek i l n t h ec o n t r o ls y s t e mu s e st h eo b j e c to r i e n t e d s o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o dt oa n a l y s i sa n dd e s i g n 1 1 1 ed e v e l o p i n gt o o li sd e l p h i6 ，0 t h eu s e ri n t e r f a c eo f t h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei se a s yt ou s ea n dt h ea b i l i t yo f c o n t r o l i sp o w e r f u l i tc a nn o to n l yr e v e a lt h er e a lt i m ed a t aa n dg r a p hb u ta l s or e v e a lt h e h i s t o r yd a t u ma n dg r a p h k e yw o r d sp r e s e r v a t i o nk i l n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，s i m u l a t i o n ，d a t aa c q u i r e m e n t ， p r o p o r t i o n a lf a c t o r i i i 独创性声明 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 的说明并表示谢意。 学位沦文作者签名：蒯、公科 日期：m 2 2 - 矿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导老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。本人授权东北大学可以将学 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：小众翻 导师签名：型毒弓 签字日期：t a r o ；：) 巧 签字日期：切多，2 2 3 东北太学硕士学位论文 第一童绪论 第一章绪论 1 1 蒸汽养护窑温度控制应用背景及意义 蒸汽养护窑是混凝土构件和水泥制品工艺牛产的主要设备，其工作过程的温 度稳定性和精确性直接影响混凝土构件和水泥制品的质量。但现有的大多数养护 窑工作过程的温度控制是以人工手动控制方式实现的，此项工作不仅劳动强度大， 浪费电能和水，而且很难保证养护窑工作温度的精确性和稳定性，并且工作效率 极低。因此，研究开发养护窑温度自动控制系统具有较大的实际意义和应用价值。 本文建立了 整套适用于混凝土构件和水泥制品蒸汽养护窑的计算机控制系 统，以替代现有的人工手动控制方式。利用此计算机控制系统不仪能够适应工业 的生产过程，而且使养护均匀，节约生产成本，提高生产效率，同时提高工，一的 生产经济效益。 1 2 研究现状 1 2 1 理论研究 由锅炉产生的工质( 蒸汽) 经过管路送入窑内热泵( 均衡器) ，蒸汽在热泵( 法 拉尔) 喷嘴作用下，产生流动力，抽吸窑内空气、蒸汽混合物，有热泵上部进入 泵体内，然后喷入窑底部。这样以o 1 0 米秒的流速强制使介质、工质混合， 对流循环，迫使窑内温度升高和湿度均匀分布，使对流热交换性能增强，窑内e f 部温度控制在2 a c 以内，缩短热工分区时间。从而创造了良好的混凝土构件的 蒸汽养护环境。 混凝土构件的养护是构件生产产品质量的关键环节，温度、湿度、和养护时 间是构件养护的三大要素。原材的质量、生产设备状况、施工人员素质、外界环 境、气候等因素也直接影响构件产品的质量。由于湿度参数主要由蒸汽的温度决 定，温度高湿度大，温度低湿度小，所以也可将湿度因素归结为温度因素。 在混凝土构件生产过程中，为了加速混凝构件模型的周转，提高设备利用 率，广泛采用了温热养护措施，以加速掘凝土的硬化，缩短达到脱模温度的时间。 率，广泛采用了温热养护措施，以加速棍凝土的硬化，缩短达到脱模温度的时间。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 混凝土构件的养护过程一般分为静停、升温、保温和降温四个阶段。 ( 1 ) 静停 静停是将待养护的构件放入养护窑后，盖上窑盖，任其自然升温的过程。静 停的作用是能够增强混凝土初始结构强度，增加混凝土中水泥水化程度，从而可 抵抗升温时混凝土的破坏作用。不同的静停时间的效果不同，试验采用l 。c 分钟 的升温和6 0 。c 恒温温度，其静停时间分别为4 0 分钟、6 0 分钟、8 0 分钟，试验结 果如表1 1 所列。 袁1 1 静停阶段试验结果 静停时间升温速度恒温时间试块强度 ( 分钟)( 分钟)( 小时) ( m p a ) 4 0 12 0 4 5 6 0l208 9 8 0 12 o 9 2 在实验条件下，试块均未出现膨胀现象，由表1 1 看出，随着静停时间的延长， 2 小时恒温养护的试块强度是逐渐增加的。但是从规律上看，在6 0 分钟以前强度 值变化较大，6 0 分钟以后变化较小。根据脱模强度要求和总养护时间的限制，我 们取静停6 0 分钟，这时试块强度较高。若调整升温制度和恒温温度，则可以达到 1 m p a 强度，但只是延长静停时间，其养护后强度值变化不是很大。 ( 2 ) 温升 温升阶段是混凝土养护过程中内部结构受到破坏的主要阶段，即产生内应力 的主要阶段。产生这个阶段混凝土内部应力的主要因素是由于蒸汽把热量传给混 凝土构件表面而逐渐由外至内造成内外温度差，而使体积膨胀不均匀，易产生微 小裂缝。由于混凝土内外温度差的存在，构件表面温度高，水化反应速度快，从 而使构件体内外温差更大，这就加大了构件的内应力值。如果这个阶段参数合理， 就可能得到性能良好的混凝土构件，否则就会产生内部缺陷，影响构件强度和耐 久度。现以表1 2 所列的养护制度进行养护。 从以上试验中得出结论：在相同条件下，升温速度应保持在2 0 。c 小时为宜。 升温速度慢，混凝土构件强度达不到要求，并且有轻微的内部缺陷；升温速度快， 混凝土构件强度虽然能够达到要求，但内部缺陷严重。 ( 3 ) 保温 保温阶段是混凝土强度增长的关键阶段。由于混凝土构件在进行蒸汽养护之 前吸有大量的水，在温度较高时水分将蒸发和膨胀。若恒温温度过高，且升温速 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度较快时，混凝土会形成“馒头”状，这将使产品变成废品。因此，必须进行试 验确定养护的恒温温度，保证养护过程中混凝土构件表面平整不产生膨胀。现将 试验结果列于表1 3 中。 表1 2 升温阶段试验结果 静停时间升温速度恒温温度内部缺陷 强度 ( 分钟)( 小时) ( )( m p a ) 6 01 56 5较微o 9 2 6 02 06 5无1 0 5 6 02 56 5较大1 0 8 表1 3 保温阶段试验结果 静停时间升温速度恒温温度膨胀状况 ( 分钟)( 小时)( ) 6 02 06 5无 6 0 2 08 0 微膨胀 6 02 09 0较大膨胀 由表1 _ 3 可知，若采用直线升温，最高养护温度为6 5 0 c 时，恒温阶段可保持 较长时间；若最高养护温度为8 0 0 c ，此时已产生轻微膨胀，恒温阶段时间不宜过 长。 ( 4 ) 降温 恒温结束后，其最高温度降到养护窑可能达到的最低温度的时间称为降温期。 此时，由于降温而产生的外表温度、应力、水分与向外移动而产生的结构破坏， 可能成为矛盾的主要方面。表层降温快，收缩也快；内层降温慢，收缩也慢。于 是就要在构件的表里之间产生温差：在表层混凝土中产生拉应力以致产生裂缝。 混凝土在蒸养脱模后，出现的不规则的表面龟裂现象，就是由于这种表层的急剧 干缩作用所引起的。因此，降温速度不能过过快，一般采用自然降温法，即关闭 蒸汽阀门，不打开窑盖，任其自然降温。 目前国内轨枕厂轨枕生产普遍采用的养护制度为：静停1 2 小时；升温2 4 小时，要求升温速度不超过2 0 。c h ：恒温温度要求不高于6 0 。c 8 0 。c ，时间为4 1 2 小时；降温时间不多于1 小时。也就是说，在混凝土轨枕蒸汽养护过程中，要 求养护窑内的温度按规定的升温、恒温、和降温的曲线进行变化，如图1 2 所示。 1 2 2 实际应用状况 随着社会的进步和科技的发展，养护窑的种类越来越多，性能也越来越完善。 东北人学硕士学位论文 第一蠹绪论 目前，在国外水泥养护窑在技术上已经趋于完善，而国内的养护窑在这方面还存 在着很大的不足。 保温阶段 图l 2 蒸汽养护窑温度变化曲线 f i g 1 2t h et e m p e r a t u r ec u r v eo f s t e a mp r e s e r v a t i o nk i l n 以烟台砌块养护窑计算机控制系统为例，该控制系统采用简单的p i d 控制， 但是我们知道简单p i d 控制器常用于一些线性定常系统进行控制，不能在线调整 参数，对于非线性，时变和耦合系统，如果使用普通p i d 进行控制，不能得到预 期的控制效果，而砌块养护窑是大滞后，非线性系统，可见用普通的p i d 控制器 是不行的。 1 2 3 存在的问题 虽然蒸汽养护窑带有密封措施，是由于养护窑体积较大且混凝土构件具有容 易吸热的特点所以混凝土蒸汽养护窑温度存在着大滞后、非线性的特点。例如： 在升温的开始阶段，由于养护窑的热容量较大，所以升温速度缓慢；当到了升温 的中后期，由于养护窑的热容量较小。所以升温速度变快。另一方面，由于蒸汽 压力不是十分稳定，存在一定的波动，所以操作人员凭经验很难掌握好阀门丌关 的时机以及开关的角度，这样混凝土构件由于没有按照养护窑参数进行养护，造 成构件强度达不到要求，从而导致构件重新养护，更为严重者，将造成混凝土构 件报废，给工厂造成了经济损失。 由于养护窑的加热管路一般布置在底端附近，这样养护窑的上下就存在温差， 测温点不同，所测的窑温就会不同，最大温差达3 4 。c 为了消除这种温度偏差， 需要对温度进行多点测量，然后采用加权平均的方法得出最终的测量值。我们在 养护窑的上、下层不同部位安装两个耐热、耐湿、高灵敏度温度传感器，取它们 的加权平均数作为养护窑的温度值，加权系数则通过反复试验确定。 东北大学硕：l 学位论文 第一章绪论 1 3 本文所作的研究工作 本次论文建立一个通用的蒸汽养护窑微机自动控制系统，拟解决以下两个关 键问题，一是满足不同轨忱养护的工业生产工艺要求：二是确保温度控制的高精 度。主要工作可分为以下五部分。 ( 1 ) 蒸汽养护窑温度控制的建模 现阶段对于自动控制系统有许多控制算法可供选择，如p i d 控制技术、模糊 p i d 控制、模糊控制、人工神经元网络、最优控制理论等。根据混凝土养护窑的大 滞后、非线性等的实际特点，本文选择模糊p i d 控制算法，进行建模。 ( 2 ) 养护窑控制系统的算法设计 在本控制系统中，采用模糊p i d 控制作为养护窑温度控制的算法，这就需要 确定模糊控制系统的输入、输出参数、隶属度函数、模糊控制规则表、模糊控制 查询表以及p i d 的各个参数等，这些工作都将在算法设计部分中实现。 ( 3 ) 控制系统的参数整定 包括两部分，一部分是p i d 参数的整定，另一部分是模糊控制部分的参数调 整，模糊控制调整的参数比常规控制要多，主要由控制规则的调整、隶属函数的 调整和比例因子的调整。至今还没有系统的调整方法，而分析模糊控制的稳定性 更是当今一大难题。在此讨论一下比例因子对模糊控制稳定性的影响，并提出一 种调整方案。控制规则的调整较困难且较繁琐，隶属函数的调整对系统性能影响 并不大，而比例因子对系统有很大影响，且调整起来相对容易一些，故在此主要 讨论比例因子对系统的影响及调整策略。 ( 4 ) 养护窑温度控制系统的软、硬件设计 本次课题采用工控机集中控制，这部分主要介绍养护窑温度控制系统中使用 的硬件设备，如：温度传感器、数据采集卡、信号调理卡、电动调解阀等。以及 采用面向对象的设计方法对温度控制软件的设计、实现。 ( 5 ) 水泥养护窑的控制专家系统 介绍专家系统的原理及应用，水泥窑控制专家系统的建立和仿真比较。 东北人学硕士学位论文第= 章水泥养护工作过程的建模与仿真 第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 2 1 工作过程分析 蒸汽养护窑一般由以下三部分组成。 ( 1 ) 热源蒸汽锅炉( 2 4 个标准大气压) 。 ( 2 ) 蒸汽传输管道蒸汽传输管道用来将蒸汽锅炉的蒸汽传输到养护窑中。根 据现场的实际情况，如果蒸汽锅炉距离水泥蒸汽养护窑较远( 3 0 米以上) 则在蒸 汽传输管道上需要增加隔热层，一般最普通的方法是在管道的表面加隔热泡沫与 沥青，也可以增加特殊的隔热材料。 ( 3 ) 养护窑部分养护窑采用坑式养护窑，有热泵、水封槽、窑盖、垫层、支 座等部分组成，蒸汽养护窑的结构简图如图2 1 所示。 图2 1 蒸汽养护窑的结构简图 f i g 2 1t h es t r u c t u r ef i g u r eo f s t e a mp r e s e r v a t i o nk i l n 蒸汽养护窑一般位于地下，每个养护窑为长约1 3 1 5 米，宽约5 米，深约7 米的长方体机构。在养护窑的四壁及底端均分布有隔热层，还有护轨防止养护窑 收到损害。在养护窑中央放置被养护构件，如混泥土枕轨等。锦州工务器材厂采 东北大学硕士学位论文 第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 用流水作业生产枕轨，过程如下：构件由流水线运到养护窑附近，天吊将某养 护窑打开盖，利用天吊将构件放入养护窑中，盖上窑盖，静停一会，运行程序， 控制蒸汽阀，向养护窑中充入蒸汽。此过程中，程序通过传感器随时监控着窑内 的情况，同时通过反馈来调节蒸汽阀的开度，如果遇到特殊问题，控制器会报警。 2 2 智能模型建立 2 2 1 几种控制算法的比较 随着微型计算机技术的迅速发展和可靠性技术的不断提高，计算机参与工业 控制不仅成为现实，而且h 益广泛的深入到各个领域。计算机参与控制的形式多 种多样，它取决于控制对象的物理过程和工艺要求，但任何一个闭环数字系统都 必须遵守某种控制规律( 控制算法) 来运行，智能模型的建立同样离不开控制算 法的选择，控制算法的选择直接影响控制质量和产品质量。对于混凝土养护窑温 度控制系统，控制算法的选择更是重要，如果选择正确的控制算法，可以保证生 产效率，为工厂创造价值。反之，如果选择了不合适的控制算法将直接导致混凝 土构件养护达不到工艺要求，严重影响正常生产任务。以下就工业控制上几种常 用的控制算法进行比较。 1 大林算法 大林算法是美国i b m 公司的大林( d a n l i n ) 提出的针对工业过程中的纯滞后 特性的控制算法，具有较好的效果。 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或带有纯滞后的二阶惯性环节，它 代表相当一部分工业生产对象，它的传递函数为： ) = 篙 r = l t( 2 1 ) w a s ) = 雨丽k a e - r s r = l t ( 22 ) 式中l ，正，疋对象的时间常数； r 对象的纯滞后时间。 大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，是整个控制系统的闭环 传递函数为带有纯滞后时间的一阶惯性环节，即 东北大学硕上学位论文第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 w a s ) 2 薪 旺s ) 大林算法一般用于工业控制过程中，被控对象具有纯滞后的特性，而且滞后 很大的情况。混凝土养护窑温度控制系统虽然存在着一定的滞后特性，但是滞后 时间很难准确的测定，而且滞后时间不固定，随着窑温的变化呈非线性趋势变化， 所以大林算法并不适合养护窑温度控制系统。 2 模糊控制 模糊控制是近年来发展起来的智能控制算法。其控制思想是建立在人工经验 的基础上的。其主要特点如下。 ( 1 ) 无需知道被控对象的数学模型模糊控制是以人对被控系统的控制经验 为依据而设计的控制器，故无需知道被控系统的数学模型。 ( 2 ) 是一种反映人类智慧思维的智能控制模糊控制采用人类思维中的模糊 量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊 量和模糊推理是人类通常智能活动的体现。 ( 3 ) 构造容易模糊控制算法用软件实现起来很方便。 ( 4 ) 鲁棒性好模糊控制系统无论被控对象是线性还是非线性的，都能执行有 效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识 表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构 的数字控制系统它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。无疑，模糊逻辑控制 系统是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语变量 和模糊逻辑推理的知识，模拟人的模糊思维方法，对复杂过程进行控制。模糊逻 辑从含义上比其他传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真实世界的 近似性、不确切的特征进行刻画。实际上，模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立一 种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复 杂的过程或者提供的信息是定性、非精确的、非确定的系统中，模糊逻辑控制的 效果是相当明显的。模糊逻辑控制系统的基本结构如图2 2 所示。 从图中可以看出，模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、知识库( 含数据库 和规则库) 、推理决策和精确化计算。很显然，模糊控制系统在结构上与传统的控 制系统没有太大的差别。主要不同之处在于控制器采用了模糊控制器。由于模糊 控制器是采用数字计算机来实现的，所以它具备下列三个重要功能。 ( 1 ) 把系统的偏差从数字量转化为模糊量( 模糊化过程、数据库) 。 东北大学硕士学位论文第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 ( 2 ) 对模糊量由给定的规则进行模糊推理( 规则库、推理决策) 。 ( 3 ) 把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或者模 拟量( 精确化接口) 。 图2 2 模糊逻辑控制系统的基本结构图 f i g 2 2t h eb a s i cs t r u c t t l r ef i g u r eo f f u z z yl o g i cc o n t r o ls y s t e m 因此，模糊控制具有动态响应好、上升时间快、超调小的优点，但是模糊控 制对输入变量的处理是离散的，且没有积分环节，必然存在稳态余差，甚至在平 衡点附近出现小幅震荡，控制精度不高，而且还有许多理论方面的问题没有解决， 比如控制器的设计。考虑到现场实际性问题，不采用单纯的模糊控制。 3 p i d 控制算法 p i d 控制算法是一种在工业中被广泛采用的控制算法。p i d 三个参数分别表示 比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 、微分( d i f f e r e n t i a l ) 。对工业对象的静态特 性和动态特性的研究表明：由于绝大数系统中存在储能元件，是系统对外作用有 一一定惯性。另外，在工业生产过程的实时控制中，总是存在外界的干扰和系统中 各种参数的变化，它们将会使系统性能变差。为了改善系统性能，提高控制质量， 通常在控制中引入比例环节来提高系统的快速性；为了消除静差，提高精度，加 强系统对参数变化的适应能力，引入积分环节：为了提高系统的稳定性，克服惯 性滞后，引入微分环节。典型的p i d 控制结构如图2 3 所示。 p i d 控制算法大体上分为位置式p i d 算法和增量式p i d 算法。 ( 1 ) 位置式p i d 算法 这种算法是以连续系统的p i d 控制规律为基础的，然后再将其数字化，写成差分 方程，p i d 调节器的微分方程。 东北大学硕士学位论文第= 章水泥养护工作过程的建模与仿真 韵喝卜扣灿制 旺4 ， 其中，“( f ) _ p i d 调节器的输出量； p ( ，) _ p i d 调节器的输入量； k 。比例系数； r 积分时间常数； 咒微分时间常数。 图2 3 典型p i d 控制结构 f i g 2 3t h et y p i c a lp i dc o n t r o ls t r u c t u r e 在计算机控制系统中，使用数字p i d ，因此将式( 2 4 ) 离散化，令 群o ) “( 乏) e ( f ) p ( 后) d f _ r 杰刚) d e ( t ) e ( k ) 一e ( k 一1 ) d fr 其中t 为采样周期，必须足够短，才能保证精度。则式( 2 4 ) 可以写成差分方程 为。 甜( 七) = k ，8 ( 七) + k ，p ( ) + k d e ( k ) - e ( k 一1 ) 】 ( 2 5 ) j = o 式中k ，= k ，叁积分系数： 伽砗等一分砒 由于u ( k ) 是代替被控对象执行机构的位置，故称为位置式p i d ，可以看出u ( k ) 是全量输出，是执行机构所应达到的位置，数字p i d 的输出跟过去的状态有关， 需要对偏差进行累计，计算机工作量比较大，并且计算机的任何故障都可能引起 u ( k ) 大幅度变化。 东北大学硕士学位论文第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 ( 2 ) 增量式p i d 增量算式也称为速率算式，调节器输出的是控制量每一步的增量a u ( s c ) 。增量 式p i d 方程为： a u ( k ) = u ( k ) 一“( 七一1 ) 2 k p 扣( 七) 一p ( 女一1 ) j + k 口( 七) + k d p ( 七) 一2 e ( k 1 ) + e ( 一2 ) j 增量式p i d 与位置式是有差别的，增量式是把计算机的累计功能由硬件或者被控 对象完成。其优点是积分饱和得到改善，使系统超调减小，过渡过程时间短，也 就是系统的动态性能比全量算法有所提高。 p i d 控制虽然具有结构简单、稳定性好、可靠性高等特点，但普通p 1 d 控制 器常用于一些线性定常系统进行控制，不能在线调整参数。对于非线性，时变和 耦合系统，如果使用普通p i d 进行控制，不能得到预期的控制效果。在混泥七养 护窑温度控制系统中，不能建立起精确的数学模型，滞后量不易确定，可见用普 通的p i d 控制器是不行的。而简单的模糊控制器却能对复杂和模型不确定系统进 行有效地控制，但是由于模糊控制不具有积分环节，在模糊控制的系统中很难完 全消除稳态误差，而且在变量分级不足的情况下，常常会在平衡点附近出现振荡 现象。把两者结合起来就可构成兼有两者优点的模糊p i d 控制器。这也正是本系 统所采用的控制算法。 2 2 2 模型的建立 由于混凝土养护温度控制系统中，不能建立起精确的数学模型，所以通过现 场的考察，建立一个初步的模型框图如图2 4 所示。 图2 4 模型简单框图 f i g 2 4t h ef r a m ef i g u r eo f m o d e l 基于上文所述及现场考察，本文采用p f l l z 巧一p i d 控制器( 结构如图2 5 所示) ，当偏差大于某一阈值时，用比例控制，以提高系统的响应速度，加快响应 过程：当偏差减d , n 这一闽值以下时，转入模糊控制，以提高系统的阻尼性，减 小响应过程中的超调：当偏差在减小到某一阈值以下时，切换到p i d 控制，其积 分作用最终消除控制余差，以提高系统的控制精度。 东北人学硕士学位论文 第二章水泥养护工作过程的建横与仿真 1 p 1 d 参数整定 简单的p i d 控制参数整定就是确定调节器的三个参数k k ，k 。，由p i d 算式可知它们已包含了采样周期t 对系统的影响。以下介绍两种参数整定方法。 ( 1 ) 高桥参数整定公式 在已知连续对象单位阶跃响应( 或称飞升特性) y ( ) 情况f ，如图2 6 所示。 图2 5p - f u z z y p i d 控制 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo f p - f u z z y - p i dc o n t r o l 找到相邻两个采样点之间最大差值。 h 。= y ( k o ) 一y ( k o 1 ) 及对应的采样点k 。，则高桥参数整定经验公式为 l 。：k 。一y - ( k o ) 门m 龋 _ = i 丽0 6 。 。( 三o + 0 5 ) 2 k 。： ! ：! 一堕 3 h 。，。( 三o + 1 ) 2 舻芒呻等 式中k 见图2 6 ，l o t 相应于对象的滞后。 ( 2 ) 扩充临界比例度整定法 用实验方法进行参数整定时，最常用的是扩充临界比例度法，它是整定模拟 调节器参数的临界比例度法的扩充，其步骤是： 根据对象的反应快慢，结合表2 1 选用足够短的采样周期t ： 用选定的t ，求出临界比例系数k k 及临界振荡周期瓦。具体办法是使计算 机控制系统只采用纯比例调节，逐渐增大比例系数，直至出现临界振荡，这时的世。 和振荡周期就是峨和瓦； 东北大学硕士学位论文第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 图2 6 对象飞升特性 f i g 2 6t h ef i g u r eo f o b j e c tc h a r a c t e r i s t i c 选定控制度，控制度是以模拟调节器为基准，将计算机控制效果和模拟调 节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数q 采用误差平方面积表示，即 q = 根据选用的控制度，按表2 2 求取r 、k ，、k ，、k 。的值； 按计算参数进行在线运行，观察结果。如果性能欠佳，可适当加大q 值 重新求取各个参数，继续观察控制效果，直至满意为止。 表2 1 采样周期的选择 控制回路类别采样周期 备注 流量 1 5 优先选用1 2 压力 3 1 0 优先选用6 8 液位 6 8 温度 1 5 2 0 或取纯滞后时间 成份 1 2 5 0 手动输入 l 此课题开始的时候，采用简单的p i d 控制，就是这用方法整定p i d 参数，在 现场调试，经过几个周期的调节窑温曲线还是不理想，可见用简单p i d 控制根本 不适合水泥窑的窑温控制。后来在老师的指导下，采用模糊p i d 控制，效果很明 显。 制一器控一节 机一调算一拟 k r k r 吡 一 眦 d d 诋 一 。p。一p。 东北大学硕士学位论文第= 章水泥养护工作过程的建模与仿真 复合控制的p i d 部分按参数专家自整定算法，使控制器的鲁棒性和适应性有 所提高。工业生产所控制的温湿度对象都具有非线性、时变和分布参数的特性， 为简化分析，解耦后的温湿度对象当作集中参数来处理，用阶惯性加纯延时环 节柬表示。 g p ( 耻篙 ( 2 6 ) 其中，k 对象的静态增益； l 对象的时间常数； r 对象的纯滞后。 表2 2 扩充l 临界比例度法整定的参数值表 控制度控制算法t f t kk p x 女t l | kt ， 瓦 p i0 0 30 5 5o 8 8 1 0 5 p i d0 0 1 40 6 30 4 90 1 4 p io 0 50 4 90 9 1， 12 0 p i d0 0 4 30 4 70 4 7o 1 6 p i0 1 40 4 20 9 9 1 5 0 p i d0 0 90 3 4 04 302 0 p i0 2 20 3 61 0 5 2 0 p i do 1 6o 2 70 ，4 0o ，2 2 p i0 5 70 8 5| 模拟调节器 p i d0 7 0o 5 0o 1 3 扩充临界比p i0 4 50 8 3| 例度法p i do 10 6 00 5 001 2 5 根据p i d 增量算式，得 a u ( k ) = g o g ( 七) + g l e ( 七一1 ) + 9 2 p ( 七一2 ) ( 2 7 ) 其中 舻小刍爿 s ， 耳陪，一引 汜 9 2 = k p i l d ( 2 1 0 ) 其中，耳，乃，分别为比例系数，积分，微分时间。由式( 2 8 ) ( 1 1 0 ) 可 以得出： 东北人学硕士学位论文第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 f 一星q 二星! 二! 墨； 一 2 z ：塑鱼二鱼二垫1 1 2 ( g o + g l + 9 2 ) ：墼 g o gj 一3 9 2 由于般的p i d 调节要根据具体对象的数学模型来整定，当对象参数改变时，必 须重新寻求最优世，t ，瓦，因此使用起来相当麻烦。现采用一种专家式p i d 整定算法( 如图2 7 所示) 。基于p i d 控制知识与可控率口= l 对p i d 参数进行 整定( 对象纯滞后时间与对象时间常数的比值称为可控率，用口表示) 。2 越小， 表示对象越容易被控制：口越大，表示对象越不容易控制。当口 - 1 时，用专家式 整定p 1 d 参数的方法不能很好的控制对象。但是工业过程中大多数受控对象的可 控制率都小于1 ，根据以上p i d 控制知识，结合可控制率这一特征参数，总结出以 f 专家式整定p i d 参数规则。 规则1 调整x ，按口由小到大，逐渐减小爱，既提高系统的动态响应速度， 也不致影响系统的精度及稳定性。 规则2 调整乃，按口由小到大，逐渐增大乃，使积分增益k ，r 2 r , 减弱一 些，这样既保证稳态精度，又避免积分饱和及积分作用太强使动态性能变差。规 则3 调整，按d 由小到大，逐渐增大，在不影响系统抗干扰能力的前提下， 增大微分控制作用可改善系统动态特性。 图2 7 专家式整定p i d 调节器参数的框图 f i g 2 7t h ef r a m ef i g u r eo fd r a wu pp i dp a r a m e t e rw i t he x p e r t - 1 5 东北人学硕士学位论文 第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 为了便于计算机进行处理，将上面的专家系统整定规则转换成可查询的表格 ( 见表23 ) 。表中的比例系数k ，由k ，= k ，k ，。得出；k ，。由公式k ，。= k 。k 得出； 乃由公式0 = k ：耳得出；t o 由公式t o = k 3 f 得出。因此，只要测出被控对象的特 征参数世，l ，r ，即可整定出p i d 调节器参数。 2 模糊控制系统的设计 在设计模糊控制器的时候，首先是根据被控对象的具体情况来确定模糊控制 器的结构。即模糊控制的输入输出变量、模糊化算法、模糊推理规则和精确化计 算方法。模糊控制系统的结构根据被控对象的输入输出变量的多少、模糊控制器 输入变量和输出变量的多少分为单输入一单输出结构和多输入一多输出结构、一 维模糊控制器和多维模糊控制器。 表2 3p i d 参数接定表 a = f t p o 10 20 3o 4 0 5o 60 70 80 91 0 鼠 1 3 7 77 0 2 4 7 73 6 4 52 9 72 5 22 21 9 61 7 71 6 2 k 1 o 5 1 o 5 2o 5 30 ，5 4o 5 5o 5 60 5 70 5 80 5 906 0 k 2 0 6 9 0 6 9 5 0 7 0 7 1o 7 1 5o 7 1 60 7 1 7o 7 1 80 7 1 90 7 2 如 o 1 0 2o 1 0 40 1 0 6o 1 0 8o ，1 l0 1 1 20 1 1 40 1 1 6o 1 18 o 1 2 多输入一多输出模糊控制结构是指系统存在多个控制量，并且系统输出也为 多个变量。由于多维模糊控制器存在复杂的解藕问题，一般很少使用。 单输入一单输出模糊控制结构的系统控制量只有一个且系统的输出量也只有 一个，这类控制系统是最典型又是最简单的，单输入一单输出模糊控制结构根据 模糊控制器输入变量的个数的多少可分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和多 维模糊控制器。典型的维模糊控制器的输入变量为系统的误差，二维模糊控制 器的输入变量为系统的误差和误差变化。 ( 】) 一维模糊控制器 一维模糊控制器的输入输出语言变量只有一个。假设模糊控制器的输入变量 为e ，输出控制量为“，则模糊控制规则的一般形式为： 蜀：如果e 是巨，则“是u i ； r ，：如果8 是e ，则“是u ，； r 。：如果e 是e ，则”是u 。 其中，e ，e ：，民和u 。，u ：，u 均为模糊控制器输入、输出论域上的模 东北大学硕士学位论文第二章水泥养护工作过程的建模与仿真 糊子集。对于上述多重模糊推理语句，其总的模糊蕴含关系可按下式来求取： r ( e ，“) = u e ，x v ( 2 ) 二维模糊控制器 二维模糊控制器的输入变量有两个，而控制器的输出变量仍