（控制理论与控制工程专业论文）隧道窖控制系统设计及其温度控制研究.pdf

1，： at h e s i si nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g t h e d e s i g no f t u n n e lk i l nc o n t r o l s y s t e m a n dr e s e a r c ho ni t st e m p e r a t u r ec o n t r o l b yh o ul u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rq i ns h u k a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 f l 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，不包含其他人己经发表 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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 ， 学位论文作者签名：1 灭求 日 期：z 册男r 。c 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：俣秉 签字日期： z 富_ 7 签字日期： 矿翻1 i i 一 粝豳葛啦瞰斡2 粝圈西雌d t t 。蕲显鹏珥。晕檠剩：映嚣姜 。攀益朝鹏群翠骸晕桑烈哥骐鹞裂 科群母咄珊群孵明氍鞋阜曾百业鸢连刨瑚嚣匦羽，到哿朝辑酉孽曾孙蕈鲷露 皋鞑骖呈胖群留品朝粝幽荡啦啭辫壬髯羽畔蕲显鸬群甓军朝g i d 壬霉与：印星 翔且锈近蕈翦l t v - i 工v i n 裂鞋。华鹅区嘉翁翠鲷滞搿啭斡氍鼾业w 骠霉明粝幽嚣 匦翁翠华鹬匪杀明粝幽荡蚍茸胜罩斛彰粝图明蛳戥单曾器怫群姿。器件群翠瞿 鲷粝幽葛啦啭斡士霉牲一县蔡攀益鞠0 事珥翠罾露桑烈辫斟弩鞑群礁禁瑶斡露 晕朝磁蜒殇豳荡啦d h 诵茸章。酱磷滞群朝群蟊旌业娶掣鹅朝膨当一翕锈豸瞬磁 脚曾y 勘磬骅狲垂一、翼珊窜县阜、翼华鹑蛑士群、晕嚣髫业骠霉士甲鸳罾朝 罨其剩陴群半渤葛腭群( 1 i d 殇斜茸滥。鲷陛业髟+ 瞽衅滞珥明窜职晕冥 剩士拯科 斟而饕飘擗朝科骑非谣甄翱、g 微￥晕曾芎鞑胖群朗雌暂妙一瞢晕桑烈 。西膂酱磷硬糕瑶辫 翠罾嚣桑剥朝粝剧豸啦d 日士霉的擎凿彰蕈聊。汝蜒岜幂瑶斡职嚣牲粝豳豸雌d h 茸塞融霉椠辫醵瞬硫询茸卓。娶辨举蔼斡杀骠朝盼戥茸诩取酉散工嚣桀到 壬甲。压斡翠露嚣桑烈车器蝥巧华具渤善障群翠璎嚣其剩朝幂莘延控上椠 。帮轾程易群珊朝殇当砸摹勒 潍霉西d d u ! a & 茸滥陴珥船回鲷骑当磁摹d q d 士l i 显目卷蕲塑餮。殇呈滞聋晕娶 刻阴璐一士骖当肾马醢舄唑珥珊融裂胖珥韶回脊萋一田托蔡丁啦髯脚掣抖霁 工犀晏 弱揖髟畴拱翠攀益鲷酵取再晕桑烈警斟兽县目甄剁近询茸章 。鳍刨朝 嘏蝴益些洱疑少一辑鹭滞珥嘶晕环工掣谈掣瞬虹币獭、群鹅斟捌、薯驾智采 掣群半铷誊陴群翠罾鲷黎华覃滞疆骑羔0 串群晕桑烈朝攀匿苇百繁托疆凹蹲。龆 单距拉螽垂朝串殇坚滞群晕瓢剩瞽渤善鹏群翠职邓圉。肇圈益重少一朝掣篱菩驾 僻骅￥剧蛎胖瞽士平呜群翠骸茸号魏运重朝雨智滞僻骅￥倒紧勤嚣冥剩 蚤噼翌 军千 荜拽0 皋群翠瞿首涩托稹蟛萋f l 皋群荤器剩 菁辫 了掣刁嘉千豇嘉￥习 ：霉 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g n o ft u n n e lk i l nc o n t r o ls y s t e ma n d r e s e a r c ho ni t st e m p e r a t u r ec o n t r o l a b s t r a c t t h et u n n e ll ( i l i li sa l li m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c hi su s e df o rb u r n i n gr e f r a c t o r y m a t e r i a l s ，a n dt h ec o n t r o ll e v e lo ft h et e m p e r a t u r eh a st h ed i r e c te f f e c to nt h eq u a l i t yo f p r o d u c t s s o ，h o wt od e s i g nc o n t r o ls y s t e ma n dg o o dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yf o r t u n n e ll ( i l l lw h i c hc a l ls a t i s f yt h ep r o d u c er e q u i r e m e n t s ，e n h a n c et h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t ，r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e d u c et h ep o l l u t i o n ，b e c o m e saq u e s t i o n w h i c hi sn e e dt ob es o l v e di m m i n e n c y t h ep a p e rt a k e st h ep r a c t i c a lp r o j e c t 嬲t h eb a c k g r o u n d ，a tf i r 瓯a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to ft h ep r o d u c ep r o c e s so ft u n n e lk i l na n dd e t a i l e da n a l y s i so ft h ed e m a n d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft u n n e lk i l n ，w ed e s i g nc o n t r o ls y s t e mf o rt u n n e lk i l nw h i c h c o n t a i nl o o pc o n t r o l ，p r o c e s ss u p e r v i s i n ga n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m w eu s e t h ep l co fs i m e n s et ot a k et h el o o pc o n t r o lo ft h es y s t e ma n du s et h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eo fw i n c ct oc a r r yo u tt h es u p e r v i s o r yf u n c t i o no ft h es y s t e m w en e e dt oe s t a b l i s h t h et u n n e lk i l nt e m p e r a t u r em o d e lb e f o r er e s e a r c h i n gt h e a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g y b e c a u s et h et u n n e lk i l ni sac o m p l i c a t e do b j e c tw h i c hi sh a r d t oe s t a b l i s ha ne x a c tm a t h e m a t i cm o d e l ，s ot h i sp a p e ri d e n t i f i e st h ed y n a m i cm o d e lo f t h et u n n e lk i l nt e m p e r a t u r eo b j e c tt h r o u g hb pn e u r a ln e t w o r kb a s e do nt h ed a t af r o m f i e l d 。a f t e rm a k i n gt h em a t l a bs i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ，w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e e f f e c to ft h et u n n e lk i l nt e m p e r a t u r em o d e li d e n t i f i e db yb pn e u r a ln e t w o r ki sg o o d t h et u n n e ll ( i l l li sac o m p l i c a t e do b j e c tw h i c hh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s ， h y s t e r e t i cp r o p e r t y , t i m e v a r y i n ga n dn o n - l i n e a r , t h e s ec h a r a c t e r t i s i c sc a u s i n ga st oi t s t e m p e r a t u r ec o n t r o lm o r ed i f f i c u l t t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lt e c h n i q u ec a n tg e tt h e p e r f e c tc o n t r o le f f e c tb e c a u s et h et h r e ep a r a m e t e r so fp i dc a l l tb es e te a s i l y , t h e a n t i i n t e r f e r e n c ea n da d a p t i n ga b i l i t yo fp i da r ew e e k ，a n di td e p e n d so nt h eo p e r a t o r s e x p e r i e n c e i nt h i sp a p e r , w et a k et h et u n n e lk i l nt e m p e r a t u r em o d e li d e n t i f i e db yn e u r a l n e t w o r k 筋a no b j e c tt ob ec o n t r o l l e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o l ，w ed e s i g nak i n do fn e wc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k t h e c o n t r o l l e rh a sad i s t i n c tn e t w o r ks t r u c t u r e t h el e a r n i n ga b i l i t yo ft h en e u r a ln e t w o r ki s u s e dt or e v i s et h ep a r a m e t e r so fn e u r a lt oe n h a n c et h el e a r n i n ga b i l i t yo ft h ef u z z y c o n t r 0 1 a tl a s t ，m a k i n gt h em a t l a bs i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ，w ec a nm a k et h ec o n c l u s i o n t h a t k i l n t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r kh a sb e n e r p e r f o r m a n c et h a nt h ek i l nt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np i di nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：b e r e rf o l l o w i n gp e r f o r m a n c ef o rt e m p e r a t u r ev a r y i n g ，l e s sa d j u s t i n gt i m e ， 一i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r e a t e ra n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dg r e a t e rr o b u s t n e s s ，s o ，t h ef u z z y n e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft u n n e lk i l nt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：t u n n e lk i l n ；c o n t r o ls y s t e m ；b pn e u r a ln e t w o r k ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k 一一 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 隧道窑及其控制技术介绍1 1 1 1 隧道窑的具体结构及工作原理1 1 1 2 隧道窑控制技术的发展及发展动向3 1 2 模糊神经网络概述一5 1 2 1 模糊神经网络的发展及发展动向6 1 2 2 模糊神经网络的国内外应用现状7 1 3 本文主要工作8 第2 章隧道窑控制系统设计9 2 1 隧道窑控制系统设计要求9 2 2 隧道窑控制系统总体结构设计9 2 2 1 隧道窑主要控制回路1 1 2 2 2 上位机监控系统设计1 3 2 2 3 控制系统通讯方式1 4 2 3 上位机监控系统功能介绍。15 2 4 本章小结。1 8 第3 章模糊神经网络控制理论基础1 9 3 1 模糊控制原理1 9 3 2 神经网络原理2 2 3 2 1 神经网络的组成及功能2 2 3 2 2 神经网络的模型结构及学习算法2 3 3 3 模糊神经网络2 4 3 3 1 模糊控制和神经网络的融合2 4 3 3 2 模糊神经网络的类型及常见学习算法2 7 3 4 本章小结2 8 第4 章基于b p 神经网络的窑温模型辨识2 9 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 神经网络辨识结构2 9 4 2b p 神经网络3 0 4 2 1b p 神经网络结构3 0 4 2 2b p 神经网络学习算法3 1 4 2 3b p 神经网络算法的改进3 4 4 3 基于b p 神经网络窑温模型辨识3 5 4 4 本章小结3 8 第5 章模糊神经网络控制器的设计与仿真3 9 5 1 常规模糊系统的模糊模型3 9 5 2 模糊神经网络控制模型。4 1 5 3 模糊神经网络控制学习算法4 3 5 3 1 模糊神经网络的正向计算4 3 5 3 2 模糊神经网络的反向计算4 4 5 4 模糊神经网络控制器的训练。4 6 5 5 基于模糊神经网络的隧道窑温度控制系统仿真研究4 8 5 5 1 模糊神经网络的初始化4 9 5 5 2 仿真研究5 0 5 6 本章小结5 8 第6 章总结与展望5 9 参考文献6 l 致谢6 5 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 隧道窑是一种重要的高温烧成设备，主要用来生产高质量的镁铬砖、铬镁砖、 刚玉砖、尖晶石砖和高纯镁砖等耐火材料。7 0 年代后期，为满足钢铁、建材等高 温工业生产对耐火材料的需要，我国从国外引进了高温隧道窑。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、预热、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 道窑运作稳定、安全生产和窑炉寿命长是耐材企业的必然要求。近年来，我国的 耐火材料工业发展迅速，窑炉设计水平有显著的提高，但隧道窑的控制技术发展 相对缓慢，大部分窑炉的控制还停留在常规仪表控制的水平上，自动化程度较低。 因此，进行隧道窑控制技术尤其是温度控制方面的研究，对提高生产率、改善产 品质量和节约能源方面有着举足轻重的意义。 隧道窑生产过程是典型的热工生产过程，窑内的温度直接影响着烧成产品的 质量。由于隧道窑本身具有大滞后、非线性和参数时变等特征，很难建立一个精一一 确的数学模型。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。因此如何设计合理的先进的温度控制策略来提高 产品质量、降低能耗、减少污染，无疑是现在迫切需要解决的问题，并且具有一 定的实际意义。 近几十年来，控制理论取得了很大的进展，对科学技术的发展起了积极的推 动作用。但是，随着科学技术和生产力的发展，对大型、复杂和模型变化大的系 统实行自动控制的要求越来越高，使得传统控制理论的局限性日益明显。近年来， 随着模糊、专家系统、神经网络控制的兴起，人们越来越关注这些新兴的智能控 制策略。其中，将理论和应用研究日新月异的模糊控制与神经网络控制相结合， 使二者优势互补、相得益彰地应用于现代过程控制领域，已引起越来越多的科技 工作者的研究兴趣和关注，成为当前一个重要的研究“热点”，更是目前控制界 竞相研究的重要课题。 1 1 隧道窑及其控制技术介绍 1 1 1 隧道窑的具体结构及工作原理 隧道窑是目前耐火材料工业生产中比较先进的窑炉，它是由耐火砖和其他材 料砌筑而成的一条长的封闭隧道。在隧道内铺设钢轨供窑车行驶，窑车底部两端 度( 1 0 0 - 1 5 0 ) 。 隧道窑烧成带结构：即隧道窑的中间制品烧成区域，窑墙上安装有多个高温 烧嘴，烧嘴的数量由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。窑车上的制品在这里进行充分的焙烧。 隧道窑冷却带结构：即隧道窑的末端冷却区域，烧好的制品在这里进行冷却。 从冷却带鼓入大量的冷空气，这些冷空气在将制品冷却的同时本身被预热。被预 热的空气一部分作为助燃的二次空气使用，另一部分作为一次空气，送到每一个 烧嘴，供燃料燃烧使用，或送至其他的地方作干燥制品的热源。 另外隧道窑的前后两端各装设窑门一个，两门通过卷扬传动机构，借助于终 一2 一 一 甲 j y 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 点开关和相应的电气设备进行控制，使两端窑门工作协调一致，同时升降。安装 时必须调整好窑门下降的极限位置，使窑门下部的封口和窑门框上左右曲臂结构 的橡胶挡板分别与窑车台面和窑门混凝土基础面贴封良好，以免漏气。当窑门上 升以后，曲臂结构必须完全摆开，不得妨碍窑车通行。 隧道窑属于逆流操作连续作业的热工设备，它的工作原理：正常生产时，按 规定的时间将码好砖坯的窑车由窑头推车机推入窑内半辆，同时在窑尾刚好有半 辆烧好的窑车被顶出。装有坯体的窑车一辆接一辆地在狭长的隧道内沿着与气流 相反的方向移动。窑车上的砖坯先被来自烧成带燃料燃烧而生成的热空气所预热； 然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， 砖坯被烧制成成品；最后进入冷却带，与窑尾鼓入的大量冷空气进行热交换，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。由于冷却制品用的风量较大，超出燃料燃烧所需要的空气量， 抽出的热风一部分可作一次空气，另一部分则可送至干燥器作为干燥热源。而燃 料在烧成带燃烧后所产生的高温气体，沿窑内隧道流入预热带，在加热砖坯时被 冷却，最后由预热带排烟口、支烟道、主烟道、烟囱排出。 渺 1 1 2 隧道窑控制技术的发展及发展动向 在隧道窑的自动控制方面，尽管近年来我国通过重点攻关、开发及引进吸收， 在窑炉的结构设计、燃烧系统、耐火材料等方面有了较大的改进，隧道窑的控制 水平也有了一定程度的提高，但是，隧道窑的控制系统大多属于仪表、单参数控 制，与国外的先进窑炉的控制系统比较落后很多。为了从根本上改变工业窑炉包 括隧道窑及工业窑炉计算机控制系统的落后面貌，缩短与先进国家的差距，我国 应抓紧进行窑炉工业控制管理系统的研究与开发应用。 随着计算机技术及网络技术的快速发展，在工业窑炉控制领域，控制设备的 硬件配置也从传统的模拟仪表、数字仪表发展到计算机控制。控制系统结构也从 集中式控制、分布式控制逐步向计算机集成管理控制系统方向发展【2 j 。在国内，很 多研究机构及企业做了大量研究工作并取得了显著的成绩，从而使我国窑炉的控 制水平有了很大提高，增强了企业竞争力。例如，由东北大学和中钢集团洛阳耐 火材料研究院的科技人员共同开发设计的高温隧道窑计算机控制系统【3 j ，该系统实 现了隧道窑烧成带温度、窑内及车下压力、流量等参数以及内外窑门、推车机的 全自动控制，并集成了产品信息管理系统，有效保证了影响产品质量的主要工艺 参数。长期的运行结果也证明，其能耗和各项参数指标都达到了国际先进水平。 还有青花集团金桥镁砖厂1 1 0 米高温隧道窑计算机控制与管理系统【4 1 。该系统借鉴 一3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 日本同类厂家的先进经验，利用计算机控制系统一方面实现窑温、窑压和流量等 参数的自动调节，通过计算机可以实现设定值的修改、趋势图的调用等操作；另 一方面可对窑内温度、压力分布情况、台车经历的温度、压力曲线等重要的质量 参数进行监测和记录，将其保存以便将来查看。通过在实际生产过程中的运行， 证明该隧道窑计算机控制与管理系统满足设计要求，运行稳定、功能先进、操作 方便，对于今后类似系统的设计、开发具有一定的指导意义。由铁道科学院研发 的隧道窑多变量智能控制及管理系统。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 面都具有很高的性价比，代表着工业窑炉自动控制系统未来发展方向。该系统控 制精度达到国外同类窑炉先进水平【5 】。 通过从国外引进先进窑炉技术进行消化和吸收，也加快我国窑炉控制技术的 发展。很多企业借鉴国外窑炉的先进经验，研制开发出了隧道窑的两级微机控制 系统。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并且达到节能目的【6 。 在新型隧道窑自动控制系统应用领域，国外很多国家都有长足发展。例如， 德国r i e d ha m m e r 燃气t w 6 5 2 1 0 7 5 g 现代轻型隧道窑控制系统。该系统包括： 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 员通过上位机监控界面设定温度、压力、气氛、流量等主要过程参数；同时通过 监控画面可以自动显示窑炉运行状况或记录实时和历史曲线【7 j 。为了进一步提高耐 火材料生产企业的产品质量和技术水平，很多发达国家一些耐火材料生产厂家也 已广泛采用了计算机控制系统。 虽然隧道窑生产过程的自动化己经取得了很大的进步，但限于现有的技术和 工艺水平，并没有真正实现隧道窑生产的全过程自动化。隧道窑控制技术要实现 真正意义上的自动化，一方面要建立炉窑精确的数学模型，并采用多变量控制技 术进行控制。由于隧道窑数学模型过于复杂，难于建立，可以用当前比较先进的 神经网络技术，模糊技术对模型进行动态辨识；另二方面，对隧道窑来说，温度 的控制尤为重要，窑内的温度直接影响着烧成产品的质量。实际生产中通常采用 的p i d 方式对烧成带各区分别进行控制，尽管这种方式基本实现各区温度的自动 调节，但是由于隧道窑具有大滞后、时变性、多干扰的特点，各参数之间存在相 互耦合，使p i d 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，如何提高烧成带温度控制的精度和系统的稳定性，成为隧道窑 控制中的研究热点和难点之一。 近年来，随着智能控制理论的发展，一些智能控制算法，如模糊控制，神经 一4 一 f - y 第1 章绪论 网络控制，在解决上述窑温等一些类似复杂工业过程温度控制的问题中取得了一 定的进展。文献【8 】中提出了基于多分区模糊解析式的智能模糊控制算法，即对控 制对象进行分区控制，并且以隧道窑为研究对象进行了仿真实验，取得较好的控 制效果。文献 9 中采用神经网络p i d ，通过神经网络的自学习能力实现在线调整 控制参数，从而调整控制作用，达到了系统解耦和控制的目的。文献【1 0 】中将模糊 控制用神经网络实现，并以隧道窑烧成区为研究对象进行了仿真实验，证明了该 方法的有效性。 随着自动控制技术的不断提高，隧道窑自动控制系统将更加完善，体现隧道 窑特性的温度制度和压力制度将实现智能优化控制，自动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。 1 2 模糊神经网络概述 近年来智能信息处理与智能控制的研究很多都集中在模糊系统、神经网络以 及二者相结合的模糊神经网络技术方面。特别是对于用数学模型难以描述的非线 性问题，可采用把经验和知识数字化的模糊化处理，把规则、推理变成神经网络 映射处理和直接从数据样本中抽取经验规则的模糊神经网络技术方法。因而在当 前智能信息处理与智能控制的时代，模糊神经网络的研究在国际上是一个引人瞩 目的研究方向。 我们都知道模糊控制具有不依赖对象的精确数学模型、鲁棒性强、算法简明 易懂和易于实现的优点。但现有的模糊控制器的设计方法大多数是凭经验和试凑 法来调整模糊控制器的参数，这就给设计带来了困难和盲目性，也影响了模糊控 制器的控制效果。同时模糊控制器是由操作人员以语言方式表达出来的，他们对 问题认识的深度和综合能力，直接影响控制系统性能的好坏，规则的有效性和完 备性也存在很大问题；规则的获取及隶属函数的确定主要依靠经验知识而没有统 一的方法，要想获得较好的控制效果，就要增加规则的数量，这就使模糊控制的 复杂度增加。以上原因就给模糊控制的发展及进一步推广带来很大的阻碍。实际 上模糊控制器是一种“语言控制”，它通过模拟人类智慧进行判断和决策，能较好 地处理模糊信息，但是模糊控制不具备学习功能。而人工神经网络恰恰相反，它 具有较强的学习、联想、识别等功能，但只能处理数值型数据，不能处理和描述 模糊信息。那么把二者结合起来，使模糊控制具备学习功能，使神经网络具备处 理模糊信息功能，进行判断和决策，从而得到一种既具有学习、联想、自适应性， 又能进行模糊思维的新型结构，这就是模糊神经网络控制理论( 孙眦) 的基本出 发点i l 卜1 2 】。利用神经网络的结构来实现模糊控制就形成了f n n ，通过将f n n 和优 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 化技术结合起来，实现对模糊控制器的隶属函数、模糊控制规则、模糊逻辑和比 例因子的综合优化整定，避免了只凭经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难 和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品质。f n n 的结构考虑了模糊推理及 模糊规则，同时它又具有学习、计算能力，所以把神经网络用于模糊系统是一个 很有前途的课题。 1 2 1 模糊神经网络的发展及发展动向 1 9 8 7 年，b a r tk o s k 率先将模糊理论和神经网络有机结合进行了较为系统的研 究。在这之后，模糊神经网络的理论及其应用获得了飞速的发展，各种新的模糊 神经网络模型的提出及与其相适应的学习算法的研究不仅加速了模糊神经理论的 完善，而且在实践中也得到了非常广泛的应用。1 9 9 0 年中国科学院自动化研究所 应行仁、曾南，提出采用b p 神经网络记忆模糊规则的控制，并进行了倒立摆的仿 真实验。1 9 9 3 年，j a n g 提出了基于网络结构的模糊推理的概念，并设计了网络结构 模型【1 3 】，这种网络结构便是模糊神经网络的雏形。自此以后，研究人员设计了各 种各样的模糊神经网络结构和学习算法【1 4 d 8 1 。 在模糊神经网络的结构方面，w a n g 将m a m d a n i 模糊模型和多层前向网络( b p 网络) 相结合，构成标准型模糊神经网络，这种网络结构简单，物理意义明确， 并且己经被证明了具有万能逼近能力【l9 1 ，这使得它在系统控制和辨识上都得到了 广泛应用【2 0 2 3 1 。j a n g 将t s 模糊模型与五层神经元网络结合而成的a n f i s ( 自适应 神经模糊推理系统) 能快速完成高度的非线性映射，t s 型模糊神经网络在系统建 模上有特殊优势【2 4 彩】。结合r b f 网络的结构和特点，王立新在文献 2 6 1 0 9 提出了模 糊基函数的概念，建立了模糊基函数网络模型，这种网络模型类似于r b f 网络，网 络输出与可调参数之间是线性关系，简化了参数的学习过程，容易在线应用。模 糊推理规则通常采用m a x m i n 规则或乘积规则，这种推理模式忽略了许多信息，其 中包括很多有用信息。对此z h a n g 改善了推理规则【2 ，引入乐观操作( o p t i m i s m o p e r a t i o n ) 和悲观操作( p e s s i m i s mo p e r a t i o n ) 两种运算，最终的推理结果是两者 的加权，称这种模糊神经网络为补偿模糊神经网络。 模糊神经网络无论作为逼近器，还是模式存储器，都是需要学习和优化权系 数。学习算法是模糊神经网络优化权系数的关键。模糊神经网络的学习算法，大 多来自神经网络，标准型模糊神经网络通常采用b p 算法，为了避免b p 算法的固有 缺陷，许多学者队学习算法进行了改进。文献 2 2 1 将实值遗传算法应用于网络参数 学习，收到了较好的效果。结合模糊基函数网络的特点，文献 2 6 】中应用递推最小 二乘算法( r l s ) 对网络参数进行整定。现在，除b p 算法外，模糊神经网络的学 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 习算法还有很多，如遗传算法、基于梯度下降的学习算法、基于递推最小二乘的 学习算法、基于聚类的方法如k 均值聚类、模糊c 均值聚类、山峰聚类方法、减法 聚类方法和最近邻聚类法等。这些算法各有其优点，可在同一个系统中采用多种 学习算法。它们都有一个共同特点，那就是都具有模糊逻辑系统和人工神经网络 的优点，即能有效利用语言信息又具有强大的自学习和自适应能力，并且网络参 数具有较为明确的物理意义，有助于对实际系统的理解和分析。 在将模糊逻辑与神经网络作为过程智能控制技术的基础上，采用新近发展的 全局搜索算法探索模糊规则的自动获取技术己成为条可行的研究途径，目前国 内外己有的研究成果【3 0 l 有：( 1 ) 基于遗传算法及利用基因算法优化来寻找规则权， 从而达到矫正模糊控制器的目的。( 2 ) 利用遗传算法训练随机神经网络。很多人 利用遗传算法对模糊神经网络进行优化【3 m 5 1 ，并取得了很好的效果。另外传统的 神经网络学习算法( 特别是b p 算法) 存在着学习周期长，甚至常常陷入局部极小 值点的缺陷。为了加快学习速度、改善学习算法的性能，可以对网络的学习性能 进行分析，在学习算法中引入模糊控制技术，就能动态地调整网络的学习过程， 使传统的静态学习算法动态化。从这些模糊逻辑与神经网络协作系统的研究现状 中可以看出，研究模糊逻辑的神经网络实现，即研究神经网络的模糊输入、不确 定信息在网络中的传播、最终结果的理解及提出相应的自学习算法等，仍将是继 续深入的研究方向。 1 2 - 2 模糊神经网络的国内外应用现状 随着模糊逻辑与神经网络技术研究的不断深入，在工业控制与民用电子产品 中采用模糊逻辑、神经网络和单片机结合的智能型产品正得到迅速的发展。产生 这类智能型产品的核心问题是：如何建立模糊逻辑的控制规则和隶属函数，这一 工作过去主要依靠人们的经验来建立，而在建立规则和隶属函数之后，还要检查 是否符合系统的性能要求。如果不符，还要通过试探法对规则和隶属函数逐步进 行调整，直到满足系统的性能要求为止，这一工作往往需要很长时间的摸索才能 完成。 为此，日本、美国、德国等许多大公司都与模糊逻辑专业公司合作【z 引，致力 于各种集成电路和控制器开发工具等的开发与推广工作。如美国国家半导体公司 的新软件n e n f u z 4 、日本n e c 公司的模糊推理软件、m o t o r o l a 公司与a p t r o n i x 合 作推出的f i d e ( f u z z yi n t e 血c ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 、美国i n f o r m s o f t w a r e 公司推出的f u z z yt e c h3 0 等。这些开发工具的主要作用是帮助开发人员完成模 糊控制规则和隶属函数的选取和优化。国内由清华大学研制出基于w i n d o w s 的模 一7 一 b p 网络对窑温模型进行离线辨识，并用另外一组数据验证模型的泛化能力。 第五章：针对隧道窑温度控制系统中常规p i d 控制的不足，本章主要研究基 于标准模糊模型的模糊神经网络控制器。首先对模糊神经网络的结构、算法进行 了认真的学习，在此基础上设计出模糊神经网络控制模型并给出相应的学习算法； 然后设计出模糊神经网络温度控制器，并通过样本数据对控制器进行离线训练； 最后将训练好的模糊神经网络控制器接入系统进行控制，用m a t l a b 进行仿真实 验，并对仿真结果进行分析。 第六章：对本文的主要工作进行总结，并对需要进一步研究的内容进行了简 要说明。 一8 一 东北大学硕士学位论丈第2 章隧道窑控制系统设计 第2 章隧道窑控制系统设计 隧道窑是一个连续的生产过程，其控制主要分成两大部分：电气控制，如推 车机、窑门等控制：仪表控制，如温度，流量，压力等参数控制，即烧成制度的 过程控制。隧道窑的控制水平直接影响耐火材料的质量及生产效率，关系到企业 的整体效益。 2 1 隧道窑控制系统设计要求 本文以实际工程项目为背景，根据隧道窑生产现场的要求设计控制系统。现 场要求如下： ( 1 ) 维持温度制度稳定。就是要保持整个窑内各点温度稳定合理分布。主要 有以下几点：烧成带烧结温度保持在1 5 0 0 左右，不可过高或过低：焙烧带长度 保持稳定，不能发生纵向移动，既要保证烧结周期，又不影响预热带和冷却带； 预热带和冷却带升降温度速度平稳均匀，不可过急。 ( 2 ) 维持压力制度稳定，确保窑内风量稳定合理。对压力制度的控制，首先 是控制好零压点位置，使之基本上稳定在预热与烧成带之间，其次，必须控制好 压力曲线的斜率。 ( 3 ) 维持窑内气氛合理。调节焙烧带的氧气含量以稳定烧结温度；调节预热 带的氧气含量，使之既有利于预热带砖坯的低温耗炭，又不至于引起砖坯着火升 温。 ( 4 ) 维持烙烧的均匀性。主要有两点：水平方向温差主要存在于焙烧带，调 节不同区域的助燃风量以使其均衡；垂直方向温差主要存在于预热带，一方面需 加强搅拌气幕风机循环风量，另一方面，就是控制好窑底压力平衡，减少冷空气 的漏入。 ( 5 ) 维持窑底与上部压力平衡。 2 2 隧道窑控制系统总体结构设计 本文设计的隧道窑控制系统包括两级：基础自动化级和监控管理级。基础自 动化级通过可编程逻辑控制器配合算法控制现场变频器和设备，从而实现对温度、 压力、流量等的手自动控制以及转运系统的调度。基础自动化级又包括电气部分 和仪表部分。电气系统和仪表系统所使用的s 7 3 0 0 p l c 的c p u 选择的是s i e m e n s 的s i m a t i cs 7 - 3 1 5 2 d p ，电气系统中负责摆渡车和其他设备控制的s 7 2 0 0 p l c 选 用的c p u 是s i e m e n s 的s i m a t i cs 7 2 2 6x m 。 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章隧道窑控制系统设计 其中基础自动化级包括：p l c 和变频器，实现调度功能和闭环控制功能，比 如对窑头摆渡车和窑尾摆渡车的调度，窑内温度、压力。流量的控制和窑门、推 车机、缆绳机的逻辑控制。安装好w i n c cv 6 0 ，s t e p 7v 5 3 和其它应用软件的 工控机叫做操作站，通常称为监控管理级。图2 1 为隧道窑控制系统的总体结构图。 图2 1 隧道窑控制系统总体结构 f i g 2 1t h es 仃u c t l l r eo f t u n n e lk i l nc o n t r o ls y s t e m 隧道窑控制系统主要包括以下部件：两台工控机；三套s i e m e n ss 7 3 0 0 控 制单元；四套s i e m e n ss 7 2 0 0 控制单元；1 2 台变频器；两套监控软件一w i n c c v 6 0 ；一套冗余软件；打印机一台；u p s 电源。 在控制系统中，电气与仪表控制采用西门子s i m a t i cs 7 3 0 0 和s 7 2 0 0 系列 p l c 实现，该系列p l c 具有强大的信息采集和处理功能，通过编写程序实现对过 程值的累计计算、上下限监视报警、历史数据存储及逻辑控制等功能。本系统包 括了隧道窑的燃烧控制系统和电气系统。仪表系统主要负责对窑内各个测点信号 的采集和对窑内压力、温度、流量等各个控制量的控制和报警，由一台西门子 s 7 3 0 0 控制单元完成控制任务，通过连接p l c l 的1 2 台变频器分别用来控制冷却 风机，一次风机，二次风机，预热带油泵，烧成带油泵。变频器采用西门子公司 的m i c r o m a s t e r4 2 0 4 3 0 变频器，每个变频器都配有一个p r o f i b u s 通讯电缆 接口模块用于连接s 7 3 0 0 p l c 。电气系统负责外围生产线的调度运作，由一台 s 7 3 0 0 控制单元完成调度计算和命令下达，而现场设备则由独立的s 7 2 0 0 控制单 元进行控制，这样大大降低了系统由于调度p l c 2 出现问题而瘫痪的可能性。 一1 0 东北大学硕士学位论文第2 章隧道窑控制系统设计 2 2 1 隧道窑主要控制回路 隧道窑的三大热工制度决定了隧道窑最重要的热工参数就是温度、气氛和压 力，因此要设计计算机控制系统就要围绕这三个参数来展开。同时，需要有一个 完整的控制系统来完成这些控制任务，并记录各种生产数据以供