（模式识别与智能系统专业论文）模糊控制算法研究及其在水泥球磨机上的应用.pdf

t h er e s e a r c ho ff u z z y a l g o r i t h ma n d i t sa p p l i c a t i o ni n t h ec e m e n tb a l lm i l l x i n l if a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f a s s o c i a t ep r o f t a os h e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盔纽彳 日 期：砭丝： 兰丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：撇导师签名：蔓i 址日期：迎 叟：s ：兰譬 济南大学硕t 学位论文 ii i i ii i i i i i ii i _ i 皇曼曼菖鼍鼍量曼曼曼曼詈曼皇曼! 曼鼍曼曼 目录 摘要一i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 模糊控制简介1 1 1 1 模糊控制理论的创立与研究l 1 1 2 模糊控制的发展与应用1 1 1 3 模糊控制研究存在的主要问题3 1 2 水泥生料磨系统简介4 1 2 1 球磨机工作原理4 1 2 2 球磨机的控制要求和特点5 1 2 3 球磨机的控制难点6 1 3 本文研究内容与方法6 1 4 本章小结7 第二章模糊控制算法理论基础9 2 1 模糊集合基础9 2 1 1 模糊集的基本概念9 2 1 2 模糊集合的基本表示方法1 0 2 1 3 模糊集合的基本运算法1l 2 2 模糊集合的隶属度函数1 2 2 3 模糊推理15 2 4 模糊化和解模糊策略1 7 2 4 1 模糊化方法17 2 4 2 解模糊化策略。17 2 5 本章小结l8 第三章模糊控制算法研究及其仿真2 1 3 1 模糊控制器基本结构2 1 3 2 储联罐系统及其模糊控制2 4 3 2 1 储联罐系统及其特点2 4 3 2 2 储联罐系统的模糊控制2 4 3 3 模糊p i d 控制器及其仿真。2 8 模糊控制算法研究及其存水泥球蘑机| = 的应用 3 3 1 模糊p i d 控制器的结构一2 8 3 3 2 隶属度函数与模糊规则设置2 8 3 3 3 模糊推理及解模糊3 0 3 3 4 模糊p i d 控制结果3 l 3 4 量化因子可调的模糊控制器设计仿真3 2 3 4 1 量化因子对系统的影响3 2 3 4 2 量化因子可调的模糊控制器原理3 3 3 4 3 量化因子可调的模糊控制器设计一3 3 3 4 4 控制效果对比分析3 7 3 5 本章小结3 9 第四章模糊控制算法在球磨机优化控制中的应用4 1 4 1 山水4 撑线生料磨控制系统。4 1 4 1 1 4 群线d c s 系统一4 1 4 1 2o p c 通讯系统4 2 4 2 模糊控制器设计4 4 4 2 1 t - s 模糊控制算法一4 4 4 2 2 球磨机系统的t - s 模糊控制及程序4 4 4 3 实际控制效果4 6 4 4 本章小结4 7 第五章生料磨配料系统设计4 9 5 1 配料生产过程4 9 5 2 生料配料的基本原理介绍( 三率值法) 5 0 5 3 配料系统实现方式及效果5 3 5 3 1 配料方式的实现5 3 5 3 2 配料效果及分析5 5 5 4 本章小结5 7 第六章结论5 9 参考文献6 1 至5 【谢6 7 附录a ( 攻读硕士学位期间完成的论文及参与的科研项目) 6 9 l l 济南大学硕士学位论文 摘要 在现代水泥生产的整个流程中，生料粉磨具有重要的地位，磨机工作的稳定性以 及出磨生料的质量将直接影响水泥产品的最终质量和等级。目前，国内水泥企业使用 的生料磨系统大都是球磨机，然而，水泥球磨机系统具有多变量、强耦合、非线性严 重以及生产工况变化大等工作特性。而目前广泛使用的手动控制或者简单的单回路 p i d 调节器等常规控制方式难以适应由于球磨机内部工况复杂造成的非线性等特性， 从而无法及时克服系统中的扰动，难以取得理想的控制效果。 模糊控制算法是一种将专家的控制经验应用于控制器的智能控制算法，对于被控 对象的非线性和强耦合等特点具有极强的适应性。因此，从1 9 6 5 年模糊控制理论被 提出以来，模糊控制技术已经在工业控制的很多领域中得到了广泛的应用。根据水泥 球磨机的工作特性以及模糊控制的特点，将模糊控制算法应用于生料磨系统的控制 中，结合人工的控制经验可以取得较好的控制效果。然而，纯粹的模糊控制往往具有 稳态误差较大，存在扰动等问题，单独的使用模糊控制难以完全满足对于生料磨系统 实际控制的需要，因此，模糊控制与其他控制算法或者多个模糊控制器按照一定算法 组合使用成为必要的选择。通过对从流程工业系统中抽象出来的同样具有多变量、强 耦合、非线性特点的实验设备储联罐系统的上下罐水位的控制来模拟流程工业过 程中对液位、压力、流量等被控量的控制，对于算法的移植和实用化具有一定的现实 意义。 本课题正是基于水泥生料磨系统和模糊控制的特点，针对山东水泥厂钟水泥生 产线的球磨机系统，设计相应的模糊控制器，并完成一系列c h 编程和o p c 通讯等 具体的工程实践工作。通过对球磨机的模糊优化控制和对配料系统的优化控制，可以 基本保证水泥生料磨的高效稳定运行，同时保证产品的质量。从而实现对整个水泥生 料磨系统的优化控制，实现生产的整体优化。这说明模糊控制算法能够很好的解决水 泥球磨机系统中存在的多变量、强耦合、非线性等问题，并且对负荷扰动、系统噪声 等也都具有一定的抑制能力。 关键词：水泥球磨机；储联罐系统；模糊控制；v c + + ；o p c i i i 模糊控制算法研究及其在水泥球磨机上的应用 i v 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nm o d e mc e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h er a wm a t e r i a lg r i n d i n gh a sa l li m p o r t a n t p l a c e ，w h ow o r k ss t a b i l i t y , a n dt h eq u a l i t yo ft h eo u tr a wm a t e r i a l sw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e q u a l i t yo ft h ef i n a lc e m e n tp r o d u c ta n dg r a d e a tp r e s e n t ，t h eu s u a ll a wm i l ls y s t e mt h a tt h e d o m e s t i cc e m e n tc o m p a n i e su s e da r em o s t l yb a l lg r i n d i n gm i l ls y s t e m s ，w h i c hh a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i v a r i a b l e ，s t r o n gc o u p l i n g ，n o n l i n e a rs e r i o u sa n dv a r i a t i o ng r e a t l yi n d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h ew i d e l yu s e dc o n v e n t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s ，s u c ha s m a n u a lc o n t r o lo rs i m p l es i n g l e l o o pp i dr e g u l a t o ra r ed i f f i c u l tt oa d a p tt ot h ec o m p l e x n o n - l i n e a ra n do t h e rc o n d i t i o n sw i t h i nt h eb a l lm i l l s oi tc a nn o to v e r c o m et h es y s t e m d i s t u r b a n c ei nt i m e ，a n di ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h ed e s i r e dc o n t r o le f f e c t s t h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sa ni n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rw h i c hc a na p p l i e dt ot h e e x p e r i e n c eo ft h ee x p e r t s ，a n df o rt h en o n l i n e a rc o n t r o l l e da n ds t r o n gc o u p l i n go b j e c t s ，i t h a sas t r o n ga d a p t a b i l i t y t h e r e f o r e ，s i n c e19 6 5 ，t h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yw a sp r o p o s e d ，i t h a sb e e nu s e d w i d e l y i nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l a r e a s a c c o r d i n g t ot h e o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m e n tr a wb a l lm i l ls y s t e m ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u z z y c o n t r o l ，c o m b i n i n g 、i t ht h em a n u a lc o n t r o le x p e r i e n c e ，f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mc a l lg e t b e t t e rc o n t r o le f f e c t h o w e v e r , p u r ef u z z yc o n t r o lt e n dt oh a v eh i g h e rs t e a d y - s t a t ee r r o ra n d d i s t u r b a n c e s ，s ot h eo n l yu s eo ff u z z yc o n t r o li si m p o s s i b l et oc o m p l e t e l ys a t i s f yt h er a w m i l ls y s t e mf o rt h ea c t u a lc o n t r o ln e e d s ，t h e r e f o r e ，晰t l lo t h e rc o n t r o la l g o r i t h m so rm o r eo f t h ef u z z yc o n t r o ld e v i c e su s e dt o g e t h e rb e c o m ean e c e s s a r yc h o i c e t h r o u g ht h ec o n t r o lo f w a t e rt a n ks y s t e m ，w h i c hi sa b s t r a c tf r o mt h ei n d u s t r i a lp r o c e s ss y s t e ma n dh a st h es a m e c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i v a r i a b l e ，s t r o n gc o u p l i n g ，a n dn o n l i n e a r , t os i m u l a t et h ec o n t r o lo f i n d u s t r i a lp r o c e s s e si nl e v e l ，p r e s s u r e ，f l o wr a t ei sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei na l g o r i t h m s t r a n s p l a n t i n g t h i si s s u ed e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n gf u z z yc o n t r o l l e r , a n dc o m p l e t eas e r i e so fc + + p r o g r a m m i n ga n d t h e e n g i n e e r i n gw o r ko fo p cc o m m u n i c a t i o n s b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc e m e n tr a wm a t e r i a lg r i n d i n gs y s t e ma n df u z z yc o n t r o l ，a c c o r d i n gt o s h a n d o n gc e m e n tf a c t o r yc e m e n tp r o d u c t i o nl i n e4 撑b a l lg r i n d i n gm a c h i n es y s t e m b y v 模糊控制算法研究及其在水泥球磨机卜的应用 t h ef u z z yo p t i m a lc o n t r o l l i n go fb a l lg r i n d i n gm a c h i n e ，t h ec e m e ml a wm i l lc a l lw o r ki n l l i 曲l ye f f i c i e n ta n ds t a b l eo p e r a t i o n , w h i l ee n s u r i n gp r o d u c tq u a l i t y , w h i c hm e a n st h e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mc a nb eag o o ds o l u t i o nt od e a l 诵t l lm u l t i - v a r i a b l e ，s t r o n gc o u p l i n g ， n o n l i n e a rp r o b l e m si nc e m e n tm i l ls y s t e m ，a n dt od i s t u r b a n c e s ，s y s t e mn o i s e ，i ta l s oh a v ea c e r t a i ns u p p r e s s i o na b i l i t y k e yw o r d s ：c e m e n tb a l lm i l l ，w a t e rt a n ks y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，v c + + ，o p c 济南大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 模糊控制算法，其实质是通过建立相应的模糊数学模型将相关领域的专家知识和 熟练人员的操作经验，转换成模糊化后的模糊控制规则并通过模糊推理与模糊决策等 一系列操作，实现对复杂系统的控制。但对于一个具有非线性、大时滞、不确定性和 时变性等特点的复杂受控系统，单纯依靠通过人为经验总结归纳的模糊规则，往往难 以完全准确的描述和适应复杂受控对象的多变性。因此如何自动地修改、完善和调整 模糊控制规则，提高模糊系统的适应性，在控制过程中使系统逐步达到良好的控制效 果，成为模糊控制算法研究及其应用过程中的主要内容。 1 1 模糊控制简介 1 1 1 模糊控制理论的创立与研究 2 0 世纪6 0 年代，美国加州大学教授扎德( l a z a d e h ) 在他的( f u z z ys e t s ) ) 一书中 提出了模糊集合和模糊算法的概念。这一概念的提出，突破了传统数学领域中“属于 或“不属于”的二维思维模式，进而拉开了模糊数学研究的序幕。模糊逻辑和经典的 二值逻辑的不同之处在于模糊逻辑是一种连续逻辑，即一个“模糊 命题的真值可以 是【o ，l 】之间的任何数，而不同于二值逻辑中的或“是( 1 ) 或“非( 0 ) ”关系。这种逻 辑关系的数学表达方式更加适合人类的定性的思维、理解以及决策方式，也能够更好 的反映客观世界中各种作用因素之间的模糊性关系，因此能够更好的体现客观规律的 本质【1 1 。 紧接着，7 0 年代初，z a d e h 又在模糊映射、推理和模糊控制的原理，特别是模糊 知识的表示方式、语义变量定义、模糊规则和模糊图概念的提出等方面进行了一系列 的研究和完善性工作，开创了模糊控制领域的新历程，也为模糊建模和模糊控制的发 展奠定了理论基础。之后，英国伦敦大学教授e h m a m d a n i 完成了世界上首个试 验性的蒸汽机模糊控制，这一用模糊逻辑和模糊推理实现的控制算法取得了比传统的 直接数字控制算法更好的效果。其成功也标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开 始，并宣告了模糊控制的问世。 1 1 2 模糊控制的发展与应用 2 0 世纪8 0 至9 0 年代以来，随着计算机技术以及大规模、超大规模集成电路技 术的发展，为模糊控制技术的发展奠定了坚实的物质基础。目前在国内外工业和民用 模糊拧制算法研究及其在水泥球磨机卜的应用 曼量曼曼曼曼曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼! ! ! ! 曼! 曼曼! ! 曼量舅曼! 曼曼i i n 曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 的诸多领域中，模糊控制都取得了一定的成就，展现着其诱人的发展前景【2 1 。 ( 1 ) 以民用家电领域为代表，2 0 世纪末期，日本三菱、松下等公司，在诸多的家 电产品中，如空调、洗衣机、冰箱等普遍使用了模糊控制技术，并取得了良好的控制 效果，目前其普及率已达到5 0 一8 0 。近年来，在各种大型的机械设备和机电产 品中，模糊控制技术也得到了广泛的应用。目前，小到数码摄像机、手提d v ，大到 数控机床等大型机械设备都能见到模糊控制器的身影。模糊控制已经初步展现出了其 强大的适应性和广阔的应用前景。 ( 2 ) 在机器智能化领域的应用与研究。目前，模糊控制算法正在被尝试应用于机 器智能化领域，包括智能控制、智能传感器、智能评价与决策机制、模拟人工思维、 机器人动作控制、信息整合与决策输出、人类语言理解、智能通讯、图像识别以及信 息评价等系统。其目的是使机器能够对现实世界中的模糊信息和数据进行理解并加以 处理从而实现模糊决策和模式识别等智能特性。 ( 3 ) 人机工程和专家系统也是模糊控制算法的主要应用领域。这方面内容主要包 括模糊数据库、模糊专家系统、智能接口以及对人的自然语言和动作的研究。目的是 实现高速检索，专家经验的智能化应用，人机界面的系统整合等功能，为人类知识和 经验的机器化应用奠定基础。 ( 4 ) 在人类和社会学领域的研究主要是利用模糊理论对充满不确定性因素的的人 的复杂行为和心理行为，对社会各领域的变化趋势，各种社会现象的预测、模型以及 决策支持等方面进行分析。包括对各种危机的预测和完全评价、对有人为失误系统的 评价方法、建立不良结构系统的模型、模糊理论在交通运输中的应用、经济辅助决策、 智能医疗诊断系统、人的行为与心理和行为分析、社会经济模型、艺术上应用和管理 上应用等。 ( 5 ) 对自然系统的预测研究在于利用模糊理论来解决复杂自然现象的模型和解释 等。具体方面包括对各种物理化学等诸现象的解释，对自然环境大气圈、地球生物圈、 水圈、地圈的研究，对人类行为可能导致的环境变化的预测，对水环境包括海洋循环 等系统的研究，对地质环境如大陆板块运动、地震等活动的预测还有对生态环境如沙 漠化、热带雨林变化等活动的分析预测等。 总之，目前模糊理论与算法已经渗透到了人类科学研究的方方面面，并正发挥着 其巨大的作用。近些年来，计算机技术及集成电路技术的发展使模糊算法的实时性得 以充分保证，从客观上推动了这一技术的进步。事实上，模糊理论以其科学性和有效 2 济南大学硕十学位论文 性已经成为了智能控制领域的一个重要的分支而得到越来越广泛的研究和应用。 1 1 3 模糊控制研究存在的主要问题 模糊控制虽然已经在诸多领域取得了令人瞩目的成就，然而作为一项正在发展中 的新型技术，它仍然存在很多的问题有待研究，在实际应用中也应该得到充分考虑， 从而使系统更加可靠稳定l j j 。 ( 1 ) 模糊控制器目前虽然已经得到了较为广泛的应用，但是还没有成熟完善的系 统分析技术，也就是说目前在理论上还无法完全做到像经典控制理论那样用精确的数 学证明运用去模糊系统的稳定性。 ( 2 ) 模糊控制在多变量、非线性等复杂系统应用中的建模、模糊规则的获取和建 立、模糊推理的不系统性。模糊控制器能否稳定高效，从某种意义上说，也就主要取 决于模糊建模、模糊规则和模糊推理。然而目前，虽然众多的学者针对上述内容进行 了大量的研究，但仍没有一种普遍高效的方法来完成以上工作。在模糊控制器的设计 中，模糊建模、模糊规则和模糊推理方法的选取大多还都是取决于设计者的设计经验， 这严重制约着模糊控制器的设计工作，从而制约了模糊控制器的使用范围。 ( 3 ) 根据所研究系统的综合性能指标，来设计和优化模糊控制器的结构与参数。 模糊控制器的输入变量维数、输入输出变量基本论域的划分以及量化等级的确定、 控制规则型式和条数的定义等目前也没有统一的标准与要求，然而过多的控制器维数 和量化等级将导致控制规则的复杂性从而影响控制器的计算速度，而过少则会使控制 输出不够精确。 ( 4 ) 根据不同研究对象，模糊控制器中模糊推理合成算子选取，及其非线性程度 对模糊控制器控制效果的影响。 ( 5 ) 模糊控制系统基本理论的研究。虽然模糊控制是建立在模糊数学的基础之上 的的，但模糊控制系统的稳定性分析、强鲁棒模糊控制器的设计等领域目前仍是模糊 控制理论领域较为薄弱的环节，从而导致模糊控制无法像经典控制理论那样对控制器 进行定量分析。 ( 6 ) 自学习模糊控制策赂和智能化系统结构的研究及其实现。针对这一问题，目 前有很多复合型模糊控制器被设计出来，如神经网络模糊控制、模糊预测控制、模糊 p i d 控制等。但这些控制器都只在一定的应用范围中有效，如何扩大他们的使用范围， 获取更好的控制效果仍是模糊控制领域需要进一步研究的课题。 ( 7 ) 高性能模糊推理功能的模糊集成芯片、“通用模糊控制器 和“通用的模糊控 模糊挖制舅法研冗及页在水泥球厝机e 的厦用 制系统”的研究、开发及其推广，友好的人机互动控制器开发等工作仍然需要大量的 研究开发工作。 综合看来，虽然与经典控制理论相比模糊控制是把更多的实际情况包括在整个控 制系统来考虑的，整个控制过程的模型是时变的；对于模型的描述也不是用确切的数 学语言，而是用模糊语言来表达的。虽然经典控制理论把实际情况加以简化并建立数 学模型，通过数学模型对整个控制过程进行系统的定量分析，然而这种分析在实际的 控制过程仍然是近似的，甚至是非常粗糙的。近似的程度取决于建立数学模型过程中 的简化程度。因此，使用模糊控制器可以从更广阔的范围内对系统进行控制，减少系 统信息的丢失，因而具有更广泛的使用范围。 1 2 水泥生料磨系统简介 生料粉磨过程是现代水泥生产工业中的重要环节，其粉磨效果将直接影响到产品 的最终质量及其它品质指标。然而，水泥球磨机系统是一个多变量、强耦合、非线性 严重以及生产工况变化大的复杂系统，常规的控制方式往往难以适应由于粉碎设备工 况变化而带来的磨机非线性特性，不能及时克服系统中的扰动因而也就无法保证磨机 稳定运行的条件下其生产效率的提高。 1 2 1 球磨机工作原理 生料粉磨系统的整个闭路主要由球磨机、选粉机和物料提升机组成，物料通过皮 带送入球磨机内部。图1 1 是水泥生产粉磨过程的工艺流程简图。 a 3 a 3 a 3 l ：粉机i 粗仓细仓 脚 奄南 正：套 正= 卫 弋 图1 1 圈流磨系统简图 球磨机为卧式旋转筒形装置，由给一出料部、回转部、传动机构( 减速机，传动 齿轮，电动机，电控装置) 等主要部分组成。物料由进料装置均匀地进入磨机粗粉仓， 4 济南大学硕上学位论文 该仓内有波纹衬板或阶梯衬板，内部还装不同规格的钢球。简体在电机的带动下做轴 向旋转产生离心力，通过内部板衬将研磨体( 钢球) 和物料提升到一定高度，之后，钢 球和物料在重力的作用下以近似曲线的轨迹下落，通过碰撞和研磨体之间的相互挤压 作用对物料产生撞击，从而克服固体物料质点之间的内聚力使之分裂达到粉磨的效 果。物料在粗粉仓内完成粗磨后，通过提升机进入选粉机，在选粉机内部强大的循环 气流的作用下，不同大小的颗粒根据沉降速度的不同而得到分离。经过选粉后，分成 细粉物料流( 出料) 和粗粉物料流( 回料) 。细颗粒送入细粉仓，粗颗粒则被重新送入粗 粉仓进行再加工。细粉仓内镶有平衬板，内部也有钢球，物料在此得到进一步研磨后， 粉状物通过卸料篦板排出，完成粉磨作业。相对于开路粉磨系统，闭路粉磨效率和产 量相对较高，且成品质量较好，因此在现有的粉磨系统当中闭路粉磨的应用最为广泛 【4 】 0 1 2 2 球磨机的控制要求和特点 在现代工业生产中粉磨过程一般是指运用外力克服固体物料质点之间的内聚力， 使之分裂，破坏并使其颗粒减小的过程。球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关 键设备。球磨机广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料等生产行业， 对各种矿石和其它可磨性物料进行粉磨。 对球磨机制粉系统的控制要求是：保证球磨机稳定工作的情况下使其内部的存料 量接近最佳存料量。球磨机的转速和几何尺寸是固定的，而进料成分的粒度、温度、 湿度、易磨性以及磨机中介质的充填量等是变化的。磨机正常工作时，台时进料量基 本等于排料量，因此其存料量一般主要通过调整给料量来控制。为了保证球磨机的最 佳通风量，使已完成粉磨的粗粉和细分顺利出仓，需要控制球磨机出入口之问的负压， 这一般是由再循环风门的开度以及粉料阀的开度来控制的；而球磨机的出口温度是通 过调整热风门的开度来控制的1 5 j 。 根据以上的分析可知，水泥球磨机粉磨系统是一多输入、多输出系统。它的输入 变量是热风量、再循环风量和喂料量，输出变量是出口温度、负压和磨机负荷等。磨 机出口温度和入口负压这两个物理量可以直接测量获得，磨负荷直接测量却存在困 难，工程上一般采用软测量的方法，即用磨机出入口之间的差压、磨机的振动量或磨 机的噪音信号来间接代表磨机负荷。可见，球磨机制粉系统可以抽象为个多变量的 耦合系统，而该系统模型还具有一定时变性。 模糊摔制算法研究及其在水泥球磨机f ：的府用 1 2 3 球磨机的控制难点 水泥球磨机在工作的时候，磨机的给料量可以由人控制或自动控制。根据球磨机 工作原理，给料量必须保持恒定，或者在一个很窄的范围内变化，以防止“空仓 或 “饱磨”现象的发生，湿磨的时候更应如此，以便控制加水量，确保合适的粉磨浓度 和细度。研究表明，当球磨机的研磨介质表面处于紧密接触状态，而其空隙又被某种 流动的物料全部充满时候，磨机的有效作用方可达到最佳值，此时，磨机生产能力高。 因此，球磨机工作的时候给料必须均匀。 另外，在水泥生产的整个流程当中，生料粉磨过程的电耗占总电耗的一半以上， 而与高能耗形成鲜明对比的是生料粉磨过程的低效率。这主要是由于目前常用的控制 方法是人工手动控制或者采用简单的单回路p i d 调节器对磨机进行控制。但是，由于 磨机的生产效率不但与磨机自身运行状况有关，还与被磨物料的易磨性、粒度及其分 布等工艺参数有关，而这些参数在生产过程中是经常变化的，因此传统的各个回路单 独调节的方式显然不能满足生产实际难以取得理想的控制效果，需要综合考虑各变量 之间的耦合关系。 球磨机粉磨系统控制的另一个难点还在于：该系统是一强耦合、大惯性、大滞后 的多变量系统，原料的粒度、水分、温度、可磨系数和挥发性等指标经常发生变化， 钢球在运行过程中也在不断的磨损，这些原因使球磨机表现出时变系统的特征；磨机 负荷信号难以测量。由于各输入输出量之间的耦合作用，磨机工况的复杂性，磨机动 态模型的时变性等原因导致难以准确有效的确定磨机的工作状况。同时，系统具有严 重的非线性特性；系统模型具有时变特性，系统难以建立有效的控制对象模型6 以o 】。 1 3 本文研究内容与方法 本课题是基于国家8 6 3 子课题“软测量、单元级优化控制系统设计开发及工程应 用”，针对山水集团4 捍水泥生产线进行研究的，主要的研究内容及课题进行方法如下： 1 熟悉山水集团4 群水泥生产线生料粉磨和配料系统的工艺流程，研究了球磨机 的工作原理、工作特性、控制要求以及控制难点。对目前国内外磨机控制系统和生料 配料系统的发展状况进行了解。 2 通过与山水集团4 群水泥生产线内的技术和工作人员进行交流，明确该水泥生 产线球磨机控制系统的实际特点和控制要求。 3 针对山水集团4 撑水泥生产线生料粉磨和配料系统的工艺特点，选择模糊控制 作为控制方式，并对模糊控制的相关理论、算法和控制器设计与实现等内容进行系统 6 济南大学硕_ j j 学位论文 皇曼笪曼曼蔓曼皇曼曼曼皇鼍曼曼曼曼鼍曼皇i iii i _i i 。鼍曼詈皇曼鼍曼曼鼍曼 研究，包括仿真、实验以及现场调试等工作。 4 完成控制器软件编写与开发工作，通过o p c 技术，实现与其现场d c s 系统的 数据通讯，以及现场调试等工作，并完成一定时间的现场应用。 5 针对调试中出现的问题，对软件进行适当调整，使其具有更好的实用性和更 加合理的人机交互方式。 1 4 本章小结 本章初步介绍了模糊控制算法的创立、发展以及目前使用中存在的主要问题；介 绍了球磨机的工作原理，工作特点以及控制的主要难点。针对球磨机控制过程中的多 变量、强耦合、非线性等特点，选择模糊控制作为该系统控制器，并简要介绍了课题 的主要研究内容及进行方法。 7 模糊控制算法研究及其在水泥球磨机 ：的应用 8 济南大学硕十学位论文 第二章模糊控制算法理论基础 相比于经典集合论中元素与集合的“属于或“不属于 的明确的“是非 关系， 模糊集合具有一定不明确性。事实上，大多数客观事物本身往往也具有一定的不明确 性，有些事物的本质特征是多值的、不确定的甚至模糊的，从而无法精确的确定其是 否明确的属于某一集合，因此在研究这类问题的过程中就需要有“模糊集合”的概念， 即用隶属度函数去描述某一对象属于某一集合的程度，从而实现了元素对集合的隶属 从0 、l 的二值关系向【o ，l 】的连续关系的拓展。 2 1 模糊集合基础 2 1 1 模糊集的基本概念 定义l 论域u 中的模糊子集彳，是以隶属函数。为表征的集合。即由映射确定 论域u 的一个模糊子集彳。, u a 称为模糊子集的隶属函数，p a ( u ) 称为己，对彳的隶属度， 它表示论域u 中的元素u 属于其模糊子集a 的程度。它是一个在【o ，1 】闭区间内的连续 性函数。 定义2 在给定的论域u 中，对于不同的映射( 即不同的隶属函数) 可以确定不同 的模糊子集。所有的这些模糊子集所组成的模糊集合的全体称为论域u 的模糊幂集， 通常记为，( ，即 f ( u ) = 彳i 心：u - - - 0 ，l 】) ( 2 1 ) 关于隶属度函数和模糊子集还需要进行相关说明的是： ( 1 ) 论域u 本身是普通集合，其元素也是明确的，只是其子集a 是模糊集合，故 称a 为模糊集。 ( 2 ) 隶属度心( 材) 的本质意义表示元素u 隶属于模糊子集么的程度，它在【o ，1 】闭 区间内取值。越接近0 ，表示心( 甜) 隶属于集合么的程度越小，反之，如果其值越接 近于l ，则表示元素u 属于集合彳的程度越大。可以这样来概括模糊集合与清晰集合 之间的关系，即前者是后者在概念上的扩展，而后者是前者清晰化后的一种特殊的表 示形式；而模糊集合中隶属度函数的概念则是特征函数的拓展，换句话说，特征函数 是隶属度函数的特例。 ( 3 ) 隶属度函数是模糊集合和模糊数学中最基本的概念，只有借助有隶属度函数， 模糊结合才能够精确的用数学方法去描述和计算。因此，隶属度函数中包含了模糊集 合的最基本信息。 9 模糊摔制算法研究及其在水泥球磨机一卜的应用 曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼岂笪曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼_ i i _ i m l i 1 1 2 1 2 模糊集合的基本表示方法 模糊集合的表示方法在模糊数学中有重要的作用，合理的描述方式将使模糊集合 的讨论与表达更加明确方便。常用的模糊集合的表达方式主要有以下几种： ( 1 ) 隶属度函数描述法 该方法是根据模糊集合中关于隶属度函数的定义来表征的，主要是用一个值域为 【0 ，1 】的函数表达式来描述某元素属于模糊子集彳的程度，其描述的模糊集合的值 是【o ，1 】之间的连续值。隶属度表示方法在进行模糊控制器设计等实际应用中具有重 要的作用。 ( 2 ) 序偶对描述法 将论域中的每一个元素与其各自属于模糊子集a 的隶属度值心 ) 组成序偶 对，可以将模糊子集彳表示为： a = ( ( ) ) ，( 材：( “：) ) n ( z ) ) ) ( 2 2 ) 序偶对描述法适合于离散单值的模糊元素描述，具有清晰直观的特点，但如果元 素的数目过多，用序偶对描述法就显得过于繁琐了。 ( 3 ) z a d e h 描述法 z a d e h 在他的( f u z z ys e t s ) ) 一文中，对模糊子集和模糊元素的关系进行描述的时 候，使用了一种各元素相加的表示方法，被称为z a d e h 描述法。当离散、有限论域中 各元素u = 嘶，”：，u n ) 隶属于模糊子集彳的隶属度已知时，用z a d e h 描述法可以将 其表示为： 彳：业+ 趔+ + 盟 ( 2 3 ) “2 需要说明的是，上式中的碰并不是经典数学中的分数，而是表示元素u t 属于模糊 u i 子集a 的程度为( 坼) ，即它表示了元素材，、模糊子集a 以及其隶属度线 ) 之间的对 应关系；同样的，上式中的“+ ”也不是表示加法运算，而是表示模糊子集a 中全体 元素与整体集合之间的从属关系。 z a d e h 表示法的适用范围也主要是离散的模糊元素之间的表示关系，连续论域的 z a d e h 表示为： 肚晔 仁4 ， 济雨大学颂七学位论文 曼曼量i = i i ii i i i ；$ i _ 一i = i ii _ i 皇鼍鼍毫皇毫 同样，式( 2 4 ) 中的积分号同样也不表示函数积分运算，而是表示模糊子集a 中全体元 素的与整体集合之间的从属关系。 ( 4 ) 矢量描述法 如果论域u 中的元素珥是按顺序排列的，则根据每一个元素的排列顺序，可以将 其隶属度值写成矢量的形式： a = 【( ) ，j u ( u 2 ) ，( “。) 】 矢量表示法在模糊数学的相关运算中得到广泛的应用。值得注意的是，用矢量表示法 表示的子集a 中各元素不可缺失，元素的顺序也不可以调换，另外，即使元素的隶属 度值为0 ，在矢量么中也不可以省略。 2 1 3 模糊集合的基本运算法 定义3 设a 、b 是论域u 的两个模糊子集，即a ，b u ，若对于v u u ，均有 a ( u ) b ( 甜) 则称a 是b 的子集，彳包含于b 或b 包含a ，记作a b 。若对于v u u ， 均有彳( 甜) = b ( u ) 则称彳与b 相等，记作a = b 。 定义4 设彳、b 是论域u 的两个模糊子集，即彳，b u ，a 与b 的交集是指从彳 与b 对应的隶属度值中取其值较小的，即心m = m i n a ，a b ) ，记作彳nb ；a 与b 的 并集是指从彳与口对应的隶属度值中取其值较大的，即- g = m a x 心，心 ，记作 a u b ；a 的补集是指彳中对应的隶属度值取其补值，即竹= 1 一心，记作彳。 设u 为模糊集合的论域，a 、b 、c 为该论域中的任意的三个模糊子集，则根 据以上定义，模糊集合运算的基本定律为： 1 ) 幂等律彳na = a ；a ua = a 2 ) 结合律a n ( b n c ) = ( a n b ) n c ；a u ( b u c ) = ( a u b ) u c 3 ) 交换律彳n b = b n a ；a u b = b u 彳 4 ) 分配律a n ( b u c ) = ( a n b ) u ( a n c ) ；a u ( b n c ) = ( a u b ) n ( a u c ) 5 ) 吸收律