模糊专家系统在回转窑轴瓦温度控制中的应用

模糊专家系统在回转窑轴瓦温度控制中的应用

目前，中国正处于新回转炉法水泥生产技术的快速增长期。水泥回转窑是集机、电、液工艺于一体的大型设备,各种类型的故障很多。回转窑是烧成系统的关键设备之一,它的状况是否完好,直接影响水泥的产量和质量。由于设计、制造及使用等原因,回转窑托轮轴瓦发热现象时有发生,直接影响到生产的安全性和经济性。托轮轴瓦系统是一非线性系统,难以建立准确的数学模型。对回转窑轴瓦来说,同一种故障现象,可能对应着多种故障原因。而同一种故障原因,对应着多种故障现象,故障现象和原因之间关系相当复杂。这就给传统检测理论在该领域的应用带来很大的困难。因此作者采用基于模糊控制理论对轴瓦工作状况进行研究。1筒体轴线、润滑的粘度、轴瓦的冷却对于水泥回转窑,从理论上讲,影响托轮轴瓦发热的因素很多,比如,筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却、轴瓦几何尺寸、球面瓦摆动情况等。但每当对回转窑托轮正常修理以后,轴瓦几何尺寸一般比较合理、球面瓦摆动也灵活,此时影响回转窑托轮轴瓦发热的主要因素一般为筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却等。筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却这3个因素如果出现比较大的偏移,当偏移量超出一定的范围,就会造成轴瓦发热。这3个因素中,筒体轴线状况经常会随着工艺操作的变化而出现比较大的波动,当轴线偏差过大,将会导致托轮受力极不均衡,轴瓦润滑状况恶化,就会引起瓦温上升。就目前监测水平看,润滑油的粘度、轴瓦的冷却状况现场比较容易测量和控制,筒体轴线偏差的动态测量就比较费时、费力、费钱。而对轴瓦几何尺寸的变化、磨损状况、球面瓦摆动是否灵活等的监测就更加困难甚至不可能。根据经验,如果筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却处于正常状况,而轴瓦仍处于发热状态,这极有可能是轴瓦的几何尺寸、球面瓦摆动异常等原因造成,就必须停窑对托轮及轴瓦进行检修,这势必会严重影响企业的经济效益。而在轴瓦的几何尺寸、球面瓦摆动正常的条件下,筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却这3个因素中如果某一个或多个因素异常也会导致轴瓦发热,可以通过调整、控制其它因素来使轴瓦慢慢恢复正常,而不需要采用停窑的办法。2模糊控制器的设计与模拟仿真模糊控制作为智能控制的一种,实质是对人脑思维的一种模拟,它以模糊集合、模糊语言变量与模糊逻辑推理为基础,以先验知识和专家经验为控制规则。因此,模糊控制器的设计在很大程度上依赖于设计者的实践经验,若是用一般的编程语言(如C语言)来实现模糊控制系统的设计和仿真,往往非常困难。Matlab已成为国际上最为流行的软件之一,它提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理以及包括FuzzyLogicToolbox和Simulink在内的实用工具箱,使其广泛应用于自动控制系统的仿真研究。本文作者以实现回转窑托轮轴瓦温度控制的模糊控制器为例,采用FuzzyLogicToolbox和Simulink2个工具箱实现模糊控制器的设计及仿真。为了对轴瓦发热进行有效控制,提高现场故障处理能力,将筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却3个参数分别作为控制系统的输入量,将轴瓦温度作为系统的输出量,同时将各个参数的具体量值进行状态分类并模糊化,形成模糊子集,再根据专家现场经验形成控制规则。为研究方便,下面简单地在各参数分类并模糊化的基础上形成专家规则并对部分专家规则采用Matlab进行仿真,以利于现场技术指导。仿真的方法为:在给定的被控对象情况下,施加筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却3个控制量,使瓦温稳定在给定的温度范围内,以保证回转窑的正常运行,以此来分析筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却3个控制量的控制效果,通过控制精度和上升时间与现场实际相比较,判断仿真的真实程度,从而达到现场技术指导的目的。2.1状态划分及文化内涵分析如轴瓦的温度用“ZW”表示,筒体轴线、润滑油的粘度、轴瓦的冷却分别用“TX”、“YN”、“ZL”表示。采用模糊系统对回转窑托轮轴瓦进行故障诊断,首先需要将影响轴瓦发热过程的几个连续变量划分成若干个状态,为便于分析和说明问题,将ZW、TX、YN、ZL的状态均划分为3种状态。对ZW(单位:℃),即瓦温低、瓦温正常、瓦温稍高,用符号{ZW1、ZW2、ZW3}表示;对TX(单位:mm),即轴线直、轴线正常、轴线弯,用符号{TX1、TX2、TX3}表示;对YN(40℃时,单位:mm2/s),即油粘度低、油粘度正常、油粘度高,用符号{YN1、YN2、YN3}表示;对ZL,即冷却效果好、冷却效果一般、冷却效果差,用符号{ZL1、ZL2、ZL3}表示。根据某水泥厂实测数据,并通过有关专家分析,可得到模糊子集(见表1),以及部分专家规则(见表2)。2.2轴瓦瓦温正常根据水泥回转窑生产中专家经验,给出专家系统部分规则:规则1:如果筒体轴线直、油的粘度高、轴瓦冷却效果好,那么轴瓦瓦温就低。规则2:如果筒体轴线直、油的粘度高、轴瓦冷却正常,那么轴瓦瓦温就低。规则3:如果筒体轴线直、油的粘度正常、轴瓦冷却效果好,那么轴瓦瓦温就低。规则4:如果筒体轴线正常、油的粘度高、轴瓦冷却效果好,那么轴瓦瓦温就低。规则5:如果筒体轴线直、油的粘度正常、轴瓦冷却正常,那么轴瓦瓦温就正常。规则6:如果筒体轴线直、油的粘度正常、轴瓦冷却效果好,那么轴瓦瓦温就正常。规则7:如果筒体轴线弯、油的粘度高、轴瓦冷却效果正常,那么轴瓦瓦温就高。规则8:如果筒体轴线直、油的粘度高、轴瓦冷却效果正常,那么轴瓦瓦温就高。2.3控制规则利用模糊推理系统编辑器(见图1),对ZW-(TXYNZL)规则进行仿真,结果如图2所示。按图2所示仿真模型图进行信真,控制规则为:如果筒体轴线直、油的粘度高、轴瓦冷却效果好,那么轴瓦瓦温就低;如果筒体轴线正常、油的粘度正常、轴瓦冷却效果正常,那么轴瓦瓦温就正常;如果筒体轴线弯、油的粘度低、轴瓦冷却效果差,那么轴瓦瓦温就高。仿真结果