水泥冷却系统的PID模糊控制.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 9 页1. 水泥冷却系统的PID模糊控制摘 要这篇文章研究了模糊PID控制器在水泥冷却系统中的应用。比例、积分、微分常数在模糊规则的控制下适应极端压力的情况。这种新算法已经在多种情况下应用，并且经过了许多极端条件的检验。这种算法的效果很好，在炉膛的压力作用下的改变被减少了，生产出的砖的温度也降低了。1.介绍在水泥工业中效率问题是很重要的，一个标准过程的控制响应已经在解决问题中应用，冷却空气被吹入转炉下的炉膛中，这意味着砖被冷却了，而多余的热量被重复利用。炉膛冷却系统的压力被检测，然后直接比例的决定砖的厚度。比如当达到极端情况时，进入转的冷却区的砖的负载增加了床厚，炉底的压力也不断增加，控制器的响应应该是加速砖炉得出砖速度。相反的情况是，当一些砖冷却得过松时，砖床变薄，而且炉内压力下降，这是的控制器响应应该是降低出砖速度。保持砖在炉内的时间以增加砖床的厚度，所有这些过程如图1所示。图1 砖炉冷却PID控制器方案这种情况的串联控制经常不能很好的适应砖炉的操作，有时甚至产生更严重的问题。根本问题是传统的PID控制器不能适应动态过程，因此我们需要其它算法来根据动态过程适应PID控制器。在转炉冷却器中，动态过程是非线性的，因此我们需要适应非线性行为的算法，模糊逻辑可以解决这些问题，因为模糊PID控制器有如下优点：1)它具有传统PID控制器的线性结构，但是有自适应系数，自整定比例，积分和微分幅值，它们是对输入信号的非线性作用。2)控制器的设计根据标准离散PID控制器3)隶属是简单的三角形模糊规则4)模糊PID控制器的稳定性是有论证的。2.控制器的设计在这一部分我使用两种标准控制器来检测在实际系统中的表现，它们分别是2.1PID控制器标准PID控制器 (1)这里Kp, Ti, Td是比例系数、积分时间和微分时间，显然地，E(s) 和U(S)是控制信号和给定输出信号的差值的拉普拉斯变换。在这一部分，我们用克拉克设计的一种控制器，因为它具有很好的微分部分，控制其形式为 (2)这里 a 是0,1之间的常数，U(s)是输出信号的拉普拉斯变换，微分部分的实现要优于式(1).低通滤波器减少了预测噪声的作用，只有连续的系统输出被微分，这个控制器近似表述为S=1-d/h。这里h是采样时间间隔，d 是涉后环节，因此，控制其描述成如下形式: (3)这里 k 式采样时间，e(k) = r(k) - y(k) 是偏差信号，de(k) = e(k) - e(k-1) 和 dy(k) = y(k) - y(k-1) 不相同，控制信号被限制在Umin, Umax 之间，为了调整PID控制器，我们采用Z-N次整定。 (4)这里Tc是稳定时间，Kc临界比例系数近似等于 (5)这里am是极限环的幅值，P是延迟。2.2PID模糊控制器采用式(3)描述的PID控制器用模糊控制器整定，如图(2)所示，这里模糊算法适应PID控制器的方法在下一部分讨论。图2: PID模糊控制器方案3.模糊化规则的建立和去模糊化模糊PID控制器的设计与标准模糊控制器的设计方法一致，包括建立模糊化，控制规则和建立去模糊化，如图3所示。图3: 模糊规则3.1模糊化模糊化是把经典集合变成模糊集合，也意味着把明确数字转换为相对的基于隶属函数的变量。在本问题的研究中，我们采用二输入三输出，对所有的输入与输出，我们选择对称的三角形隶属函数，如图4所示，每个三角形是一个向量的函数，他们依赖三个参数a, b, c，关系如下。 (6)这里，a 和c的位置是三角形的两个底角，参数b是三角形的顶角，输入的模拟算法是设立点算法，输出为模糊的比例积分、微分时间常数。图4: 对称隶属函数3.2规则在本问题中使用经典的Mamdani算法，即“与”是取最小值，“或”是取最大值，因此在IF-THEN规则中我们可以把模糊算法用下列的模糊规则表来描述。图5: 基于Kp, Ti, Td 的规则3.3去模糊化我们采用中心极限法去模糊化，这种方法选择这一部分包括所有的隶属函数的中心。这种方法也称中心法，因为它计算复分部分的中心来描述输出的模糊特征。假设任意一点的隶属函数U(zi)的控制作用已经确立，采用中心法的清楚输出Z描述为: (7)这里Zj是量化级别j处控制输出的量，U(zj)是zj点的隶属度，q输出的量化级别。4.在转炉冷却系统中PID模糊控制器的应用在图5中所示的模糊控制规则在水泥砖炉冷却中有如下特殊应用。1)旋转炉2)液压驱动的炉冷却系统3)两列4级再热器4)每天总产量4600吨4.1PID控制器首先，我们用传统PID控制器在压力# 1下控制。采用Z-N公式方程(3)，在正常情况下，我们得到Kp = 15%, Ti = 80s, Td = 20s，这些结果用来控制冷却炉，某结果如图6所示图6 PID控制器结果从图6中我们可以得出常规情况下在压力#1下的控制效果。图7描述了这种结果，从实验中我们获得下列数据，在炉压下超出标准50mm水柱，输出炉温为150度。图7: Z-N公式4.2 PID模糊控制器为了建立PID模糊控制器，首先我们三种极限并用公式(3)计算出最佳的PID控制器，这三种极限情况的控制参数结果如图8所示。条件开始中期砖炉比例80%120%200%积分40s12.5s20s微分0s40s90s图8: 测试结果通过计算我们为PID模糊控制器设计规则如图9所示图9: PID模糊控制器结果图10: 采用PID模糊控制后在压力#1下的控制效果在使用PID模糊控制器作用于悬挂式加热器之后，我们可以观察到如下结论:1.采用模糊控制器PID，在压力#1下过程输出向量超过标准但不超出5mm水柱，这说明对于常规PID它减少了39%的误差。这些情况可以通过对图7和图10在#1时的参数对比观测到。2.因为压力#1是稳定的，所以生产出的砖的床厚也相对稳定，在采用模糊PID后，直接引起了两次空气的温度超过150度，这提高了加热器的效率。3.同时输出炉温也从150%减少到了40%，这说