模糊自适应PID控制在水泥生产中的应用.doc

模糊自适应PID控制在水泥生产中的应用李永波，景绍洪(济南大学 控制科学与控制工程学院，山东 济南 250022）摘 要：水泥生产是一个复杂的化学过程，具有大惯性，滞后等特点。由于AQC炉对水泥生产的影响及水泥生产的滞后性，传统的PID控制难以有效的实现对水泥二次风和三次风温度的控制。针对这一情况，提出一种模糊自适应的控制系统显著提高了系统的跟踪和抗干扰性关键词：模糊控制;自适应;三次风温;AQC炉中图分类号：TP 文献标志码：AApplication of Fuzzy Adaptive PID Control in Production of CementLI Yong-bo，JING Shao-hong(School of Control Science and Engineering, University of Jinan, Jinan250022，China)Abstract: Cement production is a complex chemical process, with large inertia, lag etc. Characteristics. Because of influence of AQC furnace to cement production and cement production lag, it is difficult to achieve the traditional PID control system of raw control desired effect. In view of this situation, and put forward a kind of control system based on Smith improved significantly and anti-interference of tracking system.Keywords: Fuzzy control；adaptive；three air temperature；AQC furnace水泥行业是一个高耗能行业，所以水泥行业的节能减排倍受重视。余热发电技术(特别是纯低温余热发电技术)作为一种重要的节能减排技术，在水泥行业中得到广泛应用，且节能效果显著。新型干法水泥窑纯低温余热发电系统在窑头、窑尾增加回收废气热量的余热锅炉，二者共同组成一个新的整体，一个相互耦合的系统。尽管现有的生产线设立两个控制室将两者分开的控制，且以水泥生产线“均衡稳定生产”为前提，但作为整体中的一部分，对其某些参数的控制和调整肯定影响着其它部分的运行1。PID控制作为一种应用最为广泛的控制策略之一，在很多场合取得了很好的控制效果。但对于水泥熟料生产这样具有大滞后和多工况的被控对象，它很难获得良好的控制性能。模糊自适应PID利用模糊规则建立知识库并自动实现对PID参数的最佳调整2。1 AQC炉给水泥熟料料生产带来的影响 图1 篦冷机中温段取热发电图示如图1进AQC炉的废气与二次风，三次风存在争热问题，AQC炉从篦冷机中温段取余热废气，所取废气经过沉降室沉降，再经过AQC炉与水热交换。热交换所得水蒸气推动汽轮机转动进而发电。其中三次风是用来平衡窑、炉用风，给分解炉燃料提供氧；给分解炉提供流化介质的。三次风的温度控制得是否合适，将会直接影响系统的热工效率和熟料的产质量。进分解炉的三次风风温对分解炉内煤粉的燃烧及分解炉的出口温度有着重要的影响。当窑头喂煤量下降, 致使物料锻烧温度不足,一方面会影响熟料质量,另一方面使落入蓖冷机的熟料温度亦降低,其三次风温度同样降低。三次风温降低就会对分解炉内燃料燃烧产生影响, 特别是对于挥发分低、灰分高的煤粉,影响就更为显著。若三次风温低, 进一步延滞了煤粉的燃烧。此时即使在分解炉多加煤,煤粉燃烧也不完全, 废气中CO含量增加, 分解炉温度并不高。适当提高及稳定三次风温亦即提高及稳定了二次风温, 对分解炉及窑头的煤粉燃烧有十分重要的影响。普通PID 调节器有一定的时间滞后。如窑皮垮落, 蓖冷机内熟料层厚度、风量变化, 从而导致进分解炉的三次风温波动变化, 而普通PID就不能及时适应此变化。模糊自适应PID调节器的滞后时间较短且超调量小。因此，模糊自适应PID适应于上述条件下三次风温度的变化。2 模糊自适应PID控制器的设计在工业生产中，许多被控对象随着负荷变化或者干扰因素的影响，其对象特性参数或者结构发生改变。自适应控制利用在线辨识特征参数，实时改变其控制策略。由于水泥生产生料控制系统的不精确性，专家PID方法受到限制。模糊理论把规则条件、操作用模糊集表示，运用模糊推理自动实现对PID参数的最佳调整。自适应模糊PID控制器以误差e和误差ec作为输入（利用模糊规则在线对PID参数进行修改），以满足不同时刻e和ec对PID参数自整定的要求自适应模糊PID控制器结构图如图2。离散PID控制算法为U=kp+kiT+kd式中，k为采样序号，T为采样时间。PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系。Kp是比例系数,ki为积分系数，,kd为微分系数系数。以PI参数整定为例，必须考虑到在不同时刻二个参数的作用以及相互之间的关系。通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整5，6。针对kp,ki两个参变量分别调整的模糊控制如下。（1）kp整定原则：当相应在上升过程时（e为p），kp取正，即增大kp ；当超调时（e为N），kp取负，即降低kp 。当误差在零附近时（e为Z）其中ec为N时，超调越来越大，此时kp取负；ec为Z时，为降低误差，kp取正；ec为p时，正向误差越来越大，kp 取正。（2）ki整定原则：采用积分分离策略，即误差在零附近时，ki取正，否则ki取零。归纳得到如下公式：Kp=kp0+ki，Ki=kpi+k模糊推理kierror+kdKpydyPID调节器_对象图2自适应模糊控制器结构模糊控制器的输入变量为三次风温度偏差e和温度偏差的变化率ec，输出变量为篦冷机中温段废气阀增量n，将高温风机电流和分解炉喂煤量为干扰因素处理。输入变量e的论域为-50,50,语言值为负大，负小，负零，零，正零，正小，正大 ，记作NB,NS,NZ,ZO,PZ,PS,PB，隶属度函数采用三角形函数，值为-50,-25，-5,0,5,25,50；输入变量ec的论域为-25,25,语言值为负大，负小，零，正小，正大，记作NB,NS,ZO, PS,PB，隶属度函数采用三角形函数，值为-25，-10,0,10, 50；输出变量n的论域为-15%，15%， 语言值为负大，负小，零，正小，正大 ，记作-15，-5，0，5，15。其中，三次风阀的开度以百分数形式表示，即当三次风阀全部打开时，输出控制量为100，停止时为02-4。设计模糊控制器的核心是模糊规则库的建立。建立模糊规则库常用的方法是根据输入输出数据建立对象的模糊模型，再根据模糊模型提取相应的模糊控制规则。在此，我们采用了先建立对象的模糊模型，再提取模糊控制规则，同时借鉴操作人员的经验和现场控制情况对控制规则作适当修改的方法，最后所得的规则如下表： 表1模糊控制规则表EECNBNSNZZOPZPSPBNBPBPBPSPSZONSNSNSPBPSPSZOZONSNSZOPSPSZOZONSNBNBPSPSPSZONSNSNBNBPBPSZOZONSNSNBNB采集普通PID控制的三次风的温度数据如图3显示3小时内三次风的温度变化在880到950之间利用模糊自适应PID控制篦冷机中温段废气阀三次风的温度变化相对较小如图4：图3没有采用自适应PID控制的三次风温度变化曲线图图4采用自适应模糊PID后的三次风温度变化曲线3 利用matlab仿真对于水泥生产PID控制器的修改应用于现场控制具有一定局限性，如果效果不好或者其他原因无法实现预期效果，可能给整个生产带来严重后果。鉴于实验无法在现场验证，只能通过matlab仿真来验证修改效果。影响水泥三次风的因素较多，影响过程也较复杂。单纯的利用余热发电高温段和中温段阀及三次风阀控制具有一定的局限性。利用采用普通PID和模糊适应PID后信号的阶跃信号响应变化情况如图4和图5的对比：图5采用普通PID的阶跃信号响应图6采用模糊PID 的阶跃信号响应比较可看出效果比较理想，在信号的稳定性、相应速度、超调量等方面，采用模糊PID的信号明显比普通PID的信号更优。 通过图5和图6的比较，可以得到比较明显的实验效果。与传统PID比较，采用模糊自适应PID的阶跃信号响应超调量小，滞后时间短且信号响应容易稳定。另外，由于模糊控制的原因，它不需要精确地数学模型。参考文献：1 陈全德新型干法水泥技术原理及应用M中国建材工业出版社，20042 刘曙光,魏俊民,竺志超.模糊控制技术M.中国纺织出版社,20013 汪海峰，诸静模糊预测控制在水泥生产