张双楼煤矿洗煤厂煤泥水处理系统改造设计

摘要随着洗煤厂洗水闭路循环及环保要求的日益提高，絮凝剂在煤泥水处理中成为一项必不可少的辅助措施。针对张双楼洗煤厂洗煤系统煤泥水处理环节还主要靠工人配制和添加药剂。因此根据实际情况，研究开发絮凝剂自动配制和添加系统十分必要。本文介绍了国内外自动加药系统技术发展现状。通过对自动添加系统的检测环节、控制模式和控制策略进行分析，针对水处理工业中加药过程具有大时滞、非线性、难以建立精确的数学模型等特点，提出一种基于模糊逻辑控制的实现方法，讲述模糊控制器的原理和结构，设计一个两输入单输出的模糊控制器来实现控制过程中药量参数的实时控制。模糊控制器的设计主要由输入量的模糊化、模糊控制规则的生成、模糊判决三部分组成。且用MATLAB软件实现模糊控制表的离线生成，并用MATLAB软件进行仿真检验设计的模糊控制器的性能。最终通过设计的模糊控制器，以期推动煤泥水处理系统在张双楼煤矿洗煤厂自动化水平的提高。关键词：张双楼；模糊控制器；煤泥水；絮凝剂ABSTRACTAlongWiththeincreasingenhanceofclosedwatercircuitforcoalpreparationplantandenvironmentalprotectionrequirement,flocculantsisanecessaryauxiliarymeasureinslimewatertreatment.Andthenitsnecessarytoselecttheflocculantsformeltingandaddingequipment.ForZhangShuangloucoalwasherycoalslimewatertreatmentsystemmainlybyworkersandaddingmedicament.Soaccordingtotheactualsituation,theresearchdevelopmentofautomaticdispensingandaddingflocculantsystemisnecessary.Thepaperintroducesthedevelopingsituationoftheautoaddingcontroltechnique.Byanalyzingandstudyingthecheckinglink,thecontrollingmodeandcontrolstrategyonautomaticallyaddingsystem,inconnectionwithsomefeaturessuchaslongtimelag,nonlinearityandmodelingdifficulties,itputstowardthefuzzycontrolmethodofautoaddingprocessinslimewater-dreamt.afuzzycontrolmethodonthebasisanddiscoursedprincipleandstructureofthefuzzycontrolleranddesignsafuzzycontrolleroftwoinputsandoneoutputtocontrolontheparametersoffluxonline.Thedesignoffuzzycontorllerisconsistedbyfuzzificationofinputs,makingfuzzycontrolrulesanddefuzzification.TheofflinecalculationoffuzzycontroltableisrealizedbyMATLAB.Throughthedesignoffuzzycontroller,inordertopromotetheautomaticdosingsysteminZhangShuangloucoalwasherytheimprovementofautomationlevel.Keywords：ZhangShuanglou;fuzzycontrol;slimewater;flocculent目录1绪论.11.1论文的提出.11.2研究现状和存在的问题.11.2.1研究现状.11.2.2存在问题.21.3论文研究意义.31.4本文的主要研究内容.31.5本章小结.42模糊控制器的设计.52.1模糊控制系统理论概述.52.1.1模糊控制系统的组成.62.1.2模糊控制系统的特点.72.2模糊控制器的结构设计.72.3模糊语言变量的语言值分档和模糊子集的确定.92.3.1模糊语言变量语言值分档的选取.92.3.2语言变量论域的模糊子集的确定.92.4量化因子及其确定方法.102.5模糊子集隶属函数的确定及其表示方法.102.5.1模糊子集隶属函数的确定.102.5.2语言变量的赋值.102.6模糊控制规则及算法的确定.122.6.1模糊规则.122.6.2算法结构.132.7模糊判决.142.8模糊控制器的实现.142.9本章小结.153加药模糊系统控制动态仿真.163.1模糊控制策略的实现.163.1.1模糊控制表的离线生成.163.1.2由模糊控制工具箱生成的控制表.163.1.3模糊控制器输出精确值即反模糊举例.243.2本章小结.254自动添加系统的设计与主要设备选型.264.1自动加药系统的设计依据及工艺流程.264.1.1设计依据.264.1.2自动加药系统的工艺流程.264.2电气部分的选型.274.2.1选择驱动泵的电动机.274.2.2变频器的选型.284.2.3.PLC的选型.284.2.4浓缩机浊度检测装置选型.304.3本章小结.315模糊控制器PLC实现及Simulink仿真.325.1PLC控制实现.325.2建立仿真模型.326结论及展望.34参考文献.35翻译部分.36英文原文.36中文译文.41致谢.45中国矿业大学2014届本科生毕业设计第1页1绪论1.1论文的提出中国是世界煤炭生产和消费大国，在一次能源生产和消费结构当中煤炭分别占和在今后相当长的时期内煤炭仍占主导地位。大量的高灰高硫煤炭未经洗选就76%69%作为商品煤利用，其中80%以上的煤直接用于燃烧，二氧化硫、碳氧化物（一氧化碳、二氧化碳）、烟尘等污染物排放较多，形成了酸雨危害1。而选煤是国际上公认的实现煤炭高效、洁净利用的首选方案，对促进煤炭需求和环境的协调发展将起重要作用。张双楼煤矿年产量为2.4Mt/a。于04年建设洗煤厂06年投入运行，入洗能力与之相当。张双楼洗煤厂采用湿法选煤，湿法选煤工艺中，洗1t原煤大约需要35吨水，通过分析煤质资料可见：-0.25mm煤泥含量13.76%，原生煤泥量比较大，因此产生大量的煤泥。在洗煤过程中煤泥水若得不到有效的处理就得外排，即浪费资源又污染环境。作为世界人均占有水资源较少的国家，我国被联合国列为世界最贫水的13个国家之一2，因此，节约用水发展绿色循环经济，走科学发展的道路具有十分重要意义。具体到选煤厂来说，实现洗水复用和闭路循环是保护环境和节约水资源的一项重要措施。选煤厂实现洗水复用和闭路循环，絮凝剂的添加是一个关键的环节，它加速煤泥水的沉降。目前，煤泥水处理中使用最多的是聚丙烯酰胺，于是用于溶解和投加絮凝剂的设备在煤泥水处理中的应用就越来越普遍。由于国内配药设备正处在研发阶段，而进口设备价格昂贵，所以张双楼洗煤厂靠人工来配投药剂。但人工加药存在如下问题：1.药剂不能做到准确、均匀、及时添加，造成药剂污染和浪费，投入药剂不能充分凝聚作用人工加药费时、费力，劳动强度大3。2.缺乏对煤泥水水质变化的监控，影响了煤泥水处理效果。这些问题不仅影响到水质的处理结果，而且还造成了资金的浪费。因此本论文就絮凝剂溶液的合理使用的重要性，着重对添加模式进行研究，采用PLC和模糊控制技术来实现絮凝剂溶液的自动添加，以实现煤泥水处理加药全面自动化。1.2研究现状和存在的问题1.2.1研究现状国外自60年代开始研制各种自动加药装置，加拿大、芬兰、瑞典、前苏联均有该方面的报道。70年代载流荧光分析系统的研制成功，为研究在线浮选自动加药控制系统提供了更好的条件。自动加药系统在浮选工艺中国内外都得到广泛的应用，尤其在金属矿浮选中自动加药系统技术已相当成熟。自动控制加药系统的出现及应用，在计算机以及中国矿业大学2014届本科生毕业设计第2页先进的控制仪表、计量装置的支持下很快得以实现。以国外这方面的应用为例：美国纳尔科公司最先推出了以荧光有机酸盐作为示踪剂的连续自动加药系统，其主要通过测得药剂中按比例配入的示踪剂的浓度来间接测得药剂的浓度，再通过自控系统启动加药泵，从而实现了对循环水中药剂浓度的自动检测和控制管理。日本栗田公司和美国大湖公司等则以比例式自动控制方式即通过循环系统的补充水或排污水量的流量比例信号，经信号转换器后来调节计量泵进行自动加药。虽然不够准确，但方便易行，在茂名乙烯、大亚湾核电站等循环水系统中得到使用。选煤厂煤泥水处理的药剂配制和投加在国外如美国、日本、澳大利亚、德国等，均有成型的自动配制和投加设备4。与国外相比，我国的混凝投药控制技术一直都比较落后，在相当长的一段时间内采用的都是原始的人工控制方式。随着检测技术、控制理论应用化和智能技术的发展，目前正迈向自动控制、智能控制阶段。手动操作阶段完全是依赖操作员的经验，经过实验判断加药量，进行人工加药。人工控制方法，都难以追随水质水量等因素的变化，对投药量进行及时准确的调节。投药的准确性不仅取决于操作人员的技术与经验，而且和操作人员的责任心有很大关系，工人的劳动强度也较大。由于投药控制技术落后，严重影响了水处理的质量，也造成药剂的较大浪费。自动控制阶段主要采用计算机和可编程逻辑器件，辅以人工调节，进行自动投药控制。自动投药控制，先后改进使用了多种控制方式，但还没有一种固定的模式，不同的投药控制方法各有优缺点，还没有哪一种方法可以彻底取代其他方法。国内研究加药系统自动控制始于80年代后期，进入90年代特别是近几年在加药系统自动控制方面进行研究的科研院所及企业越来越多，但国内最初研究的加药自动控制的控制原理多为简单的PID调节控制电机，在实际应用中，由于被控对象的延迟时间长，干扰因素多，故控制系统的稳定性及自我调节能力差，易产生超调或振铃现象，控制效果不理想。近年来，已将交流变频技术运用到火电厂加药系统控制中，在此基础上，研究人员针对加药系统自身的特点，提出了不少新的控制策略，如：将改进PID控制，以及新型智能控制用于加药控制系统中，解决了一些电厂的实际问题，取得了较满意的调节效果。然而加药控制过程时变性强，很容易造成系统不稳定，特别是模型易发生突变，且干扰易出现在控制通道，进而使得控制系统设计很困难，因此，如何对其进行调节并达到预期的控制效果仍有很长的路要走。国外在絮凝剂制备方面的研究相对比较成熟，国内在借鉴国外经验的同时，通过自己的研究开发，在此领域也有了很好的发展，但较国外产品还有一定的差距。自动添加系统开发研制都是通过一定的检测元件来控制加药泵的转速或调节阀的开启度，来达到控制加药量的目的。1.2.2存在问题煤泥水混凝加药过程是是一个非线性、大滞后系统，控制方法主要采用常规PID控中国矿业大学2014届本科生毕业设计第3页制，运行效果并不稳定。国外的自动添加装置较国内先进，尤其在元件的性能上，测量数据精确可靠，但价格昂贵，对一般的中小型选煤厂来说只能是望洋兴叹。然而，在使用寿命上，有的国外产品也并不尽如人意，有的由于水质不同而影响了检测元件的使用。因此，根据不同的煤泥水性质选择和开发适合自己的产品至关重要。综上所述，由于煤泥水处理过程是一个复杂的物理、化学过程，目前还很难通过对其化学反应机理的研究，准确地建立反应过程的数学模型，并且影响投药以后混凝效果的因素很多，如煤泥水浓度、流量、水温、PH值等。对于这样的非线形、大滞后系统，采用传统的控制方式很难对水质参数的变化做出快速反应，也就限制了其控制效果，使得目前采用的固定程序化自动控制系统，很难在运行过程中实现混凝剂投加量优化控制。针对这一问题，本课题将模糊控制与PLC相结合，利用PLC实现模糊控制，应用于煤泥水处理混凝投药系统，以浊度偏差作为输入、变频调速器频率变化量作为输出，通过调节变频调速器的频率来改变加药量，既保留了PLC控制系统可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。对于那些大滞后、非线性、数学模型难以建立且控制精度和快速性要求不很高的控制系统，基于PLC的模糊控制方法是一种较理想的方案。1.3论文研究意义本文所设计的全自动加药系统，改变了煤泥水处理人工加药的落后局面。以PLC为核心模糊控制器的污水自动加药控制系统，原理上先进、技术性能稳定。它既符合高效现代化洗煤厂的实际生产要求，又适应了人们的环保理念，是新一代煤泥水处理系统的首选方案，它为洗煤行业实现全面自动化和远程控制提供了基本保证，具有广泛的发展前景。基于PLC模糊控制煤泥水自动加药系统的研究具有以下意义：1.变手动操作为自动控制，药液通过加药泵实现药量的控制并被连续不断地送出，和煤泥水在管道中混合后被一起送入浓缩机，实现了药剂与煤泥水的均匀混合，提高生产效率，减轻工人劳动强度，使操作更加简单。2.整个加药系统通过PLC自动控制，减少了人工操作，使絮凝过程更及时、准确、高效、降低了成本；自动化程度更高，提高张双楼洗煤厂加药的科技含量。3.增加加药可靠性，减少故障率。4.加药机的稳定性增强，提高了煤泥水处理的品质。5.减少了能源浪费，节省了能源，降低了生产成本，增加了企业经济效益。6.张双楼洗煤厂大部分设备都很现代化，唯独在絮凝加药的环节上显得落后不配套，本设计的使用也弥补了张双楼洗煤厂的这一缺陷，使煤泥水处理更高效、现代化。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第4页1.4本文的主要研究内容本课题是针对张双楼洗煤厂煤泥水处理过程中絮凝加药的实际需要，实现了絮凝剂添加的自动控制。在借鉴国内外研究经验和教训的基础上，结合实际研究条件，围绕实时性和实用性原则，以自动加药为被控对象，对模糊控制策略在煤泥水处理过程中的工程应用进行研究和探索，并重点研究利用模糊控制策略的方法，将其实际应用于工业控制场合。本课题的主要研究内容如下：1.分析洗煤厂煤泥水处理的工艺流程，了解目前絮凝剂投药方法及存在的问题，分析探讨了在煤泥水处理中絮凝剂使用应注意的问题。影响沉降效果的主要因素。2.介绍了模糊控制器的原理和特点，分析了两输入单输出的模糊控制器实现方法，以S7-300PLC为控制器，利用模糊控制器实现自动加药控制。3.絮凝剂自动添加系统的设计。首先对自动添加系统的模糊控制器结构组成进行设计，并对投药系统主要设备进行选型，对PLC分配I/O点、对模糊控制器进行了仿真检验。1.5本章小结本章介绍了课题的研究背景、张双楼洗煤厂概况、研究现状及存在问题、研究的意义以及研究的主要内容。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第5页2模糊控制器的设计自动加药机是过程工业中常用的设备，对其加药量的控制也是过程控制的一个重点，由于自动加药机具有大时滞、非线性、难以建立精确的数学模型等特点，所以，这里拟采用模糊控制策略对其进行控制。本文的模糊控制器选用计算机离线计算，PLC在线查表的方法实现模糊控制。把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制器的总控制表。经过系统在线反复调试、修改，最后以数据模块的形式存入PLC系统的内存中，由一个查询该表的子程序管理。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第6页2.1模糊控制系统理论概述模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、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。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是它与其它自动控制系统的不同之处。对于复杂的、没有明确物理规律可遵循的系统，应用以模糊集合和模糊逻辑推理为基础的“模糊模型”控制是一个理想的途径。其中被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其它各种的状态转移过程。这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后的或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、固定的或时变的，以及具有强耦合和干扰等多种情况，尤其是那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制5-7。在实际生产过程中，人们发现有操作经验的工作人员，虽然不懂被控对象的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制操作。模糊控制能避开对象的数学模型（如状态方程或传递函数等），它力图对人们关于某个控制问题成功与失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出控制规则。模糊控制的工作原理框图如图2-1所示：A/D计算控制变量模糊量化处理模糊控制规则模糊决策非模糊化处理D/A模糊控制器（微机）执行机构被控对象传感器-+给定值图2-1典型模糊控制系统方框图从图2-1中可以看出，模糊控制系统与一般的计算机控制系统在整体结构上并没有什么差别。都是由被控对象、执行机构、过程输入输出通道、检测装置、控制器等几部分组成，所不同的仅仅是以模糊控制器取代了传统的控制器。控制器作为各举自动控制系统的核心部分，由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则相异，可构成各种类型的控制器。在模糊控制理论中则采用基于模糊知识表示和规则推理的语言型模糊控制器。2.1.1模糊控制系统的组成模糊控制器的组成框图如图2-2所示：中国矿业大学2014届本科生毕业设计第7页数据库规则库模糊化接口推理机解模糊接口知识库输入输出图2-2模糊控制器组成框图1.模糊控制器1）模糊化接口模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出。因此，它实际上是模糊控制器的输入接口，其主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。对于一个模糊输入变量e，其模糊子集通常可以进行如下方式划分：(1)e=负大，负小，零，正小，正大=NB，NS，ZE，PS，PB。(2)e=负大，负中，负小，零，正小，正中，正大=NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB。(3)e=大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。2）知识库知识库由数据库和规则库两部分构成。(1)数据库数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值（即经过论域等级离散化以后对应的值集合），若论域为连续域，则为隶属度函数。(2)规则库模糊控制器的规则库基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。3）推理与解模糊接口推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用中国矿业大学2014届本科生毕业设计第8页运算较简单的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含正向推理和逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须进行一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口。2输入/输出接口模糊控制器通过输入接口从传感器获取数字信号，并通过输出接口，将模糊控制器的决策输出转化为模拟量，送往执行机构去控制被控对象。它通常包括A/D，D/A转换以及必要的电平转换线路。3.被控对象和执行机构被控对象可以是线性的或者非线性的、定常的或时变的，也可以是时滞的或无时滞的。一般而言，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，适宜选择模糊控制。执行机构可以是电气的，如交、直流电动机，伺服电动机，步进电动等；也可为气动的或液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。4.测量装置通常为传感器，它将被控对象转换为电信号。因为被控对象往往是如温度、压力等非电量。需要通过传感器将其转化为数字或模拟的电信号。传感器的精度直接影响控制系统的精度，因此要求其精度高、稳定性好。综上所述，模糊控制器实际上就是依靠微机来构成的。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。2.1.2模糊控制系统的特点模糊控制系统是一种自动控制系统，必然和其它所有的自动控制系统一样，具有某些共性。但是其独特的系统结构特征，在分类和设计与分析方法上，与一般自动控制系统存在一些差异。模糊控制系统有如下特点：1.模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无须知道被控对象的数学模型。2.模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。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智能活动的体现。3.模糊控制易于被人们接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示中国矿业大学2014届本科生毕业设计第9页的，如“今天气温高”。则“今天天气暖和”等。易于被一般人所接受。4.构造容易。模糊控制规则易于软件实现。5.鲁棒性和适应性好，通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效的控制。2.2模糊控制器的结构设计模糊控制技术的核心在于模糊控制器的设计。模糊控制器结构设计实际上是模糊控制器输入语言变量和输出语言变量的选取和模糊控制器的不同组合与扩展问题。模糊控制器的结构选择是否合理，不仅直接影响模糊控制器的性能，而且对于那些复杂的多输入多输出耦合交链系统来说，是至关重要的。可以说，模糊控制器的结构设计是模糊控制设计成功的第一步。模糊控制器最简单的实现方法是将一系列模糊控制规则离线转化为一个查询表（又称为控制表），存储在计算机中供在线控制时使用。这种模糊控制器结构简单，使用方便，是最基本的一种形式。通过对被控对象的分析，按照拟定的控制方案，采用目前最为常用的“双入单出”模糊控制器，这样以被控变量的误差E和误差的变化率EC作为输入，因为他们能够比较严格的反映受控过程中的输入变量的动作特性，因而在控制效果上要好于一维模糊控制器，同时也比：三维模糊控制器计算简单，模糊控制规则容易理解。输出一个控制变量，即在控制过程中不仅要对被控量的误差进行反馈，同时还要对被控量的误差变化率进行反馈，从而保证系统的稳定性，不至于产生振荡现象。该控制系统的工作过程原理如下：在煤泥水自动加药系统的模糊控制器中通过偏差信号e及其变化率ec作为模糊控制器的输入，经量化处理后将偏差e和ec模糊化后分别用符号E，EC表示，再与模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U，再经过模糊决策清晰化，输出420mA的电流作用到变频器，对其加药泵电机进行控制。此模糊控制器的功能即是由PLC通过编程实现，具体包括输入量的模糊化，模糊推理和解模糊三个部分。其中E和EC分别为过程精确偏差值和偏差变化率e，ec模糊化后的模糊输入，U为模糊输出量，而u为解模糊后的精确输出量。模糊控制器的输入定义为：()=（21）()=()(1)（22）式中，r浊度期望值，y浊度实际反馈值，KT时刻误差，()(1)中国矿业大学2014届本科生毕业设计第10页时刻误差，T采样时间。模糊控制器输出为控制量u变频器调整频率。(1)二维模糊控制器原理框图如2-3所示：知识库模糊化模糊推理去模糊化ECEUKeKecd/dt模糊控制规律表r(t)Ku电机u变频器给药泵浓缩机浊度检测EECe-y图2-3二维模糊控制器原理图此模糊控制器的功能通过编程实现，具体包括输入量的模糊化，模糊推理和解模糊三个部分。其中E和EC分别为过程精确偏差值和偏差变化率e，ec模糊化后的模糊输入，U为模糊输出量，而u为解模糊后的精确输出量。2.3模糊语言变量的语言值分档和模糊子集的确定2.3.1模糊语言变量语言值分档的选取一般来说，一个语言变量选用个语言值较适宜。在煤泥水自动加药系统的模糊210控制器中将浊度偏差e的输入语言变量E的语言值分成7个级别，为：；=，同理，我们将偏差变化ec和输出u分为7个级别。即：煤泥水自动加药系统的模糊控制器中将浊度变化率ec的语言值取为：；=，中国矿业大学2014届本科生毕业设计第11页煤泥水自动加药系统的模糊控制器中电机的调整频率U的语言值取为：；=，需要说明的是，在采用不同的模糊推理方法时，需要把变量的基本论域转换成模糊变量的模糊论域，然后在模糊论域中去对语言变量值分档。2.3.2语言变量论域的模糊子集的确定通常语言变量论域上的模糊子集由隶属函数来描述，而隶属函数可通过操作()()经验、模糊统计法和采用正态函数等方法来确定。语言变量分档越多，对事物描述越细、越准确，制定控制规则更灵活，控制效果越好；但太多可能使控制变得复杂，编程困难，占用存储量大，分档太少，规则变少，效果较差。在本控制系统中，选取偏差变化E的论域；=6，5，4，3，2，1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6语言变量值为。，偏差变化率EC的论域；=6，5，4，3，2，1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6语言变量值为。，输出语言变量U的论域；=6，5，4，3，2，1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6语言变量值为。，2.4量化因子及其确定方法量化因子及的取值对控制系统的动态性能有较大影响。具体体现为：大时，系统振荡加剧，超调较大，过渡过程时间就较长。小时，系统变化慢，精度降低。当大时，虽然超调减小，但会影响系统响应速度。若小时，系统反应加快，但超调增大。根据实际控制目标，在进行模糊控制器设计时，需要将精确量进行量化，使模糊控制器的输入在设定的模糊论域内，在本控制器中，浓缩池浊度与设定值的偏差的量程范围为，因而基本论域为；的基本论域选为；模糊控0+2.5/0.5,+30.3,+0.3中国矿业大学2014届本科生毕业设计第12页制器输出u的实际变化范围为，取变频频率模糊论域为。量化因子，(0，50)0,+6。及比例因子初步计算为：=6(6)3(0.5)=3.5（23）=6(6)0.3(0.3)=20（24）=50(0)6(0)=8（25）假定:期望值设定。采样得到的反馈值是，与期望值的差得到误差1/2.5/，则：利用公式。四舍五入，所以量化结果为=1.5/=1.53.5=5.25。在E的语言表中查到分别属于个语言值的非零隶属度，可知：557。(5)=0.72.5模糊子集隶属函数的确定及其表示方法2.5.1模糊子集隶属函数的确定隶属函数的形状在达到控制要求方面并无大的差别，倒是隶属函数的幅宽大小对性能影响较大。所以一般选用三角形、梯形隶属函数作为模糊子集的隶属函数，这是因为它们的数学表达和运算较简单，所占内存空间小，在输入值变化时，比正态分布或钟形分布隶属函数具有更大的灵活性，当存在一个偏差时，就能很快反应产生一个相应的调整量输出。在本系统中，模糊控制均采用三角形隶属度函数法来确定语言变量论域上的模糊子集。2.5.2语言变量的赋值根据基本模糊控制理论应建立三个赋值表，分别对应模糊论域上的不同的模糊子集。1.由前面可知，在煤泥水自动加药系统的模糊控制器系统中：；=，其模糊论域表示为：中国矿业大学2014届本科生毕业设计第13页；=(6，5，4，3，2，1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6)把偏差语言变量E的模糊论域中的元素和其语言值分别作为行和列，则可以得到语言变量值隶属数的表格表示，这种表也叫做语言变量赋值表。见表2-1。表2-1语言变量E赋值表：10.70.3000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.716E的语言变量值012345-6-5-4-3-2-1PSPMPB等级NBNMNSZE2.同理，在煤泥水自动加药系统的模糊控制器系统中：；=，0，其模糊论域表示为：；=(6，5，4，3，2，1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6)见表2-2。表2-2语言变量EC的赋值表中国矿业大学2014届本科生毕业设计第14页10.70.3000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.716EC的语言变量值012345-6-5-4-3-2-1PSPMPB等级NBNMNSZE3.同理，在煤泥水自动加药系统的模糊控制器系统中：；=，0，其模糊论域表示为：；=6，5，4，3，2，1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6见表2-3。表2-3语言变量U的赋值表10.70.3000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.510.50000000000000.716U的语言变量值012345-6-5-4-3-2-1PSPMPB等级NBNMNSZE2.6模糊控制规则及算法的确定模糊控制是建立在一系列模糊控制规则的基础之上的，这些控制规则是一些逻辑推理法则，其表现形式为若干个模糊条件语句的集合。模糊控制规则是操作者实践经验手中国矿业大学2014届本科生毕业设计第15页动控制策略的总结。因此模糊控制规则，即控制策略的选择是非常关键的一步。只有选择恰当的控制规则，才能很好的体现有经验的操作者的控制策略，以获得较好的控制效果，既能保证响应的快速性，又能保证系统的稳定性。在煤泥水自动加药系统的控制系统中，不能确定它的偏差数学模型，所以使用传统的控制理论不能满足其精度要求。然而一个有经验的操作人员却能方便的实现这一要求。要控制煤泥水自动加药机的沉降速度和偏差，操作人员可以直接通过手动操作器控制变频器的输出频率，使电机转速得到控制，从而使沉降速度在要求的范围之内。操作人员在操作的过程当中，并不知道系统的数学模型是什么，而是根据实践经验操作的。如：=模糊控制规则，其并不是建立在对象数学模型基础上，而是根据控制系统输入输出关系的数据观测以及实践经验，并采用模糊集合理论处理而得到的。2.6.1模糊规则在煤泥水自动加药系统的模糊控制系统中控制条件语句为：=一共49条控制规则。由于这样一组模糊条件冗长复杂，所以为了方便可以把模糊控制规则列成模糊控制状态表，见表2-4。表2-4模糊规则控制表中国矿业大学2014届本科生毕业设计第16页PBPBPMPMPSZEZEPBPBPMPMPSZEZEPBPBPMPSZENMNMPBPMPSZENMNMNBPMPMZENSNMNBNBZEZENSNMNMNBNBZEZENSNMNMNBNBNSZEPSPMPBZEPSPMPBNMEcNBNBNMNSUE2.6.2算法结构常用的模糊推理有两种方法：Zadeh法和Mamdani法。Mamdani推理法是一种模糊控制中普遍使用的方法，其本质是一种合成推理方法。模糊推理语句蕴含的关系为，根据Mamdani模糊“”()推理法，是三元模糊关系，其关系矩阵R为：=()1（26）式中，为模糊关系矩阵。构成的列向量，为列向量转换。()1()1n和m分别为A和B论域元素的个数。基于模糊推理规则，根据模糊关系R，可求得给定输入对应的输出，即：1111=()2（27）式中，为模糊关系矩阵构成的行向量，为行向量转换。()2(11)2具体的计算过程为：先将，模糊子集赋值表中相应数据代入，算出模156糊关系矩阵，之后在将矩阵求并运算得到模糊关系矩阵。2.7模糊判决由于模糊决策的输出量是一个模糊集合。通常被控对象只能接受一个精确的控制量，中国矿业大学2014届本科生毕业设计第17页因此必须从决策值模糊集中判决出一个确切的清晰量，这就需要通过模糊判决来实现，模糊判决也叫做反模糊化。判决即是从模糊集合到普通集合的一个映射，是从一个模糊量变成清晰量的过程，判决的结果是输出模糊论域中的一个元素，即等级数，这是一个清晰值。模糊判决是在模糊决策之后进行的。在系统实时控制过程中，模糊控制表离线计算得到。在线控制时，在每一控制周期将实测偏差e和偏差变化ec分别进行量化，取得查找模糊控制表所需的，再从表中查出对应的控制量变化U，与比例因子相乘，便得到模糊控制器的实际输出变化值u。在本加药控制系统中，采用重心法和最大隶属度结合计算，得到查询表，见表2-5。表2-5模糊控制查询表66654333210006655533321000665543322000065554322100005444322100-1-1-144332110-1-1-2-2-23322110-1-1-2-2-3-3321110-1-1-2-3-3-3-422110-1-2-2-3-3-3-4-41100-1-2-2-3-3-4-4-5-5100-1-2-3-3-4-5-5-5-6-6000-1-2-4-4-4-4-5-6-6-6000-2-4-4-4-5-6-6-6-6-6-6UE-6-5-2-10Ec-4-3+1-5-4-3-2-10+2+3+4+5+6+6+1+2+3+4+52.8模糊控制器的实现至此，模糊控制器的理论设计部分完成。为实现基本模糊控制器的控制，一般的作法是将上述查询表存放到工控机中。在过程控制中，计算机直接根据采样和论域变换得来的以论域元素形式表现的误差和误差变化率，由查询表的第行和第列找到跟误差和误差变化率对应的，同样以论域元素形式表现的控制量，乘以比例因子得到实际控制量作用于执行机构。即模糊控制策略通过中国矿业大学2014届本科生毕业设计第18页离线计算和在线查询实现，以得到较好的控制品质和良好的实时性。具体设计下章讨论。2.9本章小结本章主要针对煤泥水自动加药系统的二个变量：沉降速度的偏差e和沉降速度的偏差变化率e。进行分析，选定了二维的模糊控制器结构，并通过变频器改变的电机的工作频率来实现控制，根据模糊算法得出了系统的控制表。最后确定了比例因子。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第19页3加药模糊系统控制动态仿真3.1模糊控制策略的实现模糊控制器设计的关键在于模糊控制表的离线生成。由于控制规则数量多，需要进行的模糊运算复杂，单纯依靠人工的笔算工作量将是巨大的。所以要依靠专门的计算机工具来完成运算任务。目前，MATLAB己成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具之一，其中，MATLAB的M函数为模糊控制表的运算生成提供了强有力的工具。本系统的所有运算过程均由MATLAB的M函数来完成。3.1.1模糊控制表的离线生成整个模糊控制表的获得是依照以下几个步骤得到的：(1)根据每条规则可算出：=（31）(2)依据式(3.15)可计算出模糊推理关系矩阵：=451（32）(3)依据式(3.16)进行模糊推理合成运算：=()（33）最后得到模糊控制表2-5。3.1.2由模糊控制工具箱生成的控制表基于MATLAB环境的“模糊推理系统工具箱”(FuzzyInferenceSystemToolboxforMATLAB)集成度高，内容丰富，基本包括了模糊集合理论的各个方面，其功能强大和方便易用的特点得到了用户的广泛欢迎。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第20页在模糊逻辑工具箱中有5个基本工具箱图形用户界面(GUI)工具用于建立、编辑和观察模糊推理系统(FIS)，它们分别是模糊推理系统(FIS)编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观察器和曲面观察器。这些GUI工具之间是动态链接的，使用它们中的任意一个对FIS的修改将影响任何其它已打开的GUI中的显示结果。我们将从本系统的两输入、单输出问题的基本描述开始，建立新的模糊推理系统。运行MATLAB软件，在命令输入窗口中输入命令“Fuzzy”，打开FIS编辑器窗口。鼠标左键单击编辑器窗口的文件(file)菜单工具栏，单击命令“NewMamdaniFIS”，建立Mamdani型模糊推理系统，存为文件名“control.fis”。1.FIS编辑器在MATLA