基于智能控制技术的水泥回转窑温度控制系统设计.docx
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1、摘 要温度控制在我国电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。它对控制调节器要求极高,回转窑是冶金、水泥、耐火材料生产中的关键设备。温度是回转窑工艺过程控制中的重要参数之一,自上世纪60年代起人们便开始注意它的控制问题,并进行了大量研究工作。提高回转窑的控温精度对于改善焙烧质量、节约能源、降低生产成本都有重要意义。本文在分析回转窑工艺特点及其控制要求基础上,为解决回转窑温度控制超调量大、调节时间长等问题,提出了回转窑窑温模糊控制方法,提高对回转窑的控制精度。用模糊控制理论建立参数模糊规则表,通过模糊推理获得模糊控制决策表,并对其进行模拟仿真,仿真结果表明参数模糊规则表建立合理,模糊控制器在响应速
2、度、稳态精度等方面均优于常规PID控制器。模糊控制器对系统模型要求不高,在有干扰信号或系统模型发生变化时能够满足回转窑的煅烧工艺要求,提高回转窑的控温精度,改善煅烧质量,适用于类似回转窑温度控制系统这样的非线性、大滞后且随机干扰严重的系统。关键词:回转窑,温度控制,模糊控制,仿真ABSTRACTTemperature control is widely used in electron, metallurgy and machine industry in our country. It needs higher quality temperature controller. Rotary k
3、iln is the key equipment in the production of metallurgy, cement and material of fire-fast, people began to pay attention to the problem of rotary kiln control in 1960s, a lot of research works have been done. It is significant for ameliorating production quality, saving energy, reducing operating c
4、osts to improve control precision of rotary kiln.Based on analyzing the rotary kilns technology and control request, in order to solve the problems of rotary kiln temperature control system big overshoot and long time of regulation etc. Fuzzy control is proposed to improve the temperature control pr
5、ecision on rotary kiln. Fuzzy controller regulates the proportional, integral and differential coefficient by fuzzy control theory to establish tables of parameters fuzzy rules and control lists. The simulation result of temperature curve showed: Fuzzy rules are reasonable. Fuzzy controller is indep
6、endent of the system model, and it is prior to general PID in response speed and stable precision and restraint ability against the interference, it offer higher precision and improve production quality. The fuzzy controller is appropriate to nonlinearity and pure time-delay and random interference
7、system such as rotary kiln temperature control system.Keywords: rotary kiln, temperature control, fuzzy control, simulation目 录第1章 绪论11.1 国内外水泥及其生产技术的发展现状及趋势11.1.1 国外水泥生产概述11.1.2 我国水泥生产发展现状与趋势11.2 水泥生产工艺21.3 课题的设计目的和意义3第2章 智能控制系统理论52.1 控制理论发展概述52.2 智能控制简介52.2.1 智能控制系统的功能及其基本要素52.2.2 智能控制的特点及类型62.3 模糊
8、语言62.3.1 模糊语言的概念62.3.2 模糊语义82.3.3 模糊语法82.3.4 模糊推理92.4 模糊控制理论102.4.1 模糊控制的基本思想102.4.2 模糊控制系统的基本组成112.4.3 模糊控制器132.4.4 模糊控制算法152.4.5 模糊控制器基本设计方法152.5 神经网络控制182.6 专家系统192.7 本章小结20第3章 水泥回转窑温度控制系统设计213.1 水泥回转窑检测和控制现状213.1.1 水泥回转窑参数控制213.2 回转窑工艺过程223.2.1 煅烧工艺223.2.2 回转窑基本结构233.3 回转窑的模糊模型243.3.1 概述243.3.2
9、模糊控制方案的建立243.3.3 模糊控制器的设计253.3.4 解模糊28第4章 水泥回转窑温度模糊控制的仿真304.1 MATLAB的概况304.2 回转窑模糊控制系统仿真304.3 仿真结果分析32结论33致谢34参考文献35附录37第1章 绪 论1.1 国内外水泥及其生产技术的发展现状及趋势1.1.1 国外水泥生产概述现在,国际水泥工业以预分解技术为核心1,将现代科学技术和工业生产的最新成果广泛用于水泥生产的全过程,形成了一套具有现代高科技特征和符合优质、高效、节能、环保要求以及大型化、自动化的现代水泥生产方法。水泥装备大型化、生产过程自动化、实现产品高质量是工业发达国家水泥工业当今的
10、特点。20 世纪90年代以后国际水泥工业又出现了水泥生态化的高潮,即从可持续发展的角度形成了一套具有现代科技特征、高效、节能、环保和大型化与自动化的水泥生产方法。随着通信、计算机、控制理论等科学技术的迅猛发展,这些技术已成为实现水泥生产过程自动化、水泥产品高质高效、节能降耗和环境保护的关键因素。 目前,水泥生产自动化系统大都采用单回路控制与人工操作相结合的系统和集散控制系统DCS (Distributed Control System),在大型化水泥生产中,单回路控制系统中控制效果较差且不能完成远距离通信,而DCS系统在本质上因采用封闭式通信协议而极易形成“自动化孤岛”。现场总线控制系统FCS
11、(Fieldbus Control System)因通信协议的开放性而能很好地解决上述问题,它的应用在水泥生产控制领域将产生一场新的革命。 国外发达国家水泥生产采用干法预分解窑技术,生产线能力大型化,上世纪90年代达到4000t/d以上,目前5000t/d以上生产线己成为主流;生产与管理信息化,运用计算机技术、先进控制技术、通信技术,开发出各种工艺过程的专家系统和数字神经网络系统,实现大型化水泥企业远程操作和诊断,使水泥生产和管理朝信息化、自动化、网络化、智能化方向发展;通过改进工艺,采用新的检测技术和仪器,利用信息技术,水泥生态化技术已成为发展趋势。1.1.2我国水泥生产发展现状与趋势上世纪
12、90年代到本世纪初,国家建材行业主管部门提出了“控制总量、调整结构、淘汰落后”2和“由大变强,靠新出强”的跨世纪发展战略方针,开始了水泥产业结构调整,一大批5000t/d干法水泥熟料生产线建设投产,我国新型干法水泥生产技术已经成熟,大型生产线的主要经济指标达到国外先进水平。大幅度提高了新型干法水泥产量,到2005年新型干法水泥产量占全国水泥总产量的30%,淘汰了落后的生产工艺和装备,实现了产业升级的目的。目前,新型干法水泥生产技术成为我国水泥工业发展重点3,在提高现有新型干法水泥工艺技术和装备制造水平的同时,正在加快开发高效率的熟料烧成系统、高效节能的粉磨设备、新一代蓖式冷却机、大型高效收尘设
13、备和综合优化在线控制技术与装置;逐步加强水泥生产企业信息化和网络化建设:它包括水泥生产过程自动化和智能化,实现管理决策科学化、信息化和网络化,商务活动的电子化、网络化和信息化;另外为最大限度提高自然资源综合利用率和保护环境,正在提高水泥工业清洁生产水平,沿着水泥生态化的方向发展,保持水泥工业的可持续发展。 1.2 水泥生产工艺1.3 课题的设计目的和意义水泥回转窑设备改进的最核心的问题就是其温度控制方法的改进,即变手动控制为智能微机控制。 要对水泥回转窑进行智能微机控制,首先要解决的就是对于其控制的理论模型的建立。由于回转窑的热工过程复杂,具有时变分布参数和非线性特性,很难精确描述,故理论模型
14、很少得到实际应用。1978年,丹麦学者Larsen首次为一条湿法水泥回转窑设计了模糊控制器,并取得成功,从而开僻了水泥回转窑控制的新途径。但是,对于其它的回转窑来说,不能照办照抄其经验,因为不同生产在其工艺上有其独特性,必然导致其控制过程的独特性。只有在充分了解水泥的生产工艺,采集足够数据,才能建立具有针对性的模糊模型,实现对水泥回转窑的模糊控制。基于上述原因,在控制领域,实时模糊控制系统综合了各种智能控制的优势,克服了它们各自的不足。它能在初始信息不完全或不十分准确的情况下,较好地模拟人的思路和方法,依据建立好的模糊控制规则,给出尽可能准确的控制参数,这也是最新智能控制方法及应用研究的发展趋
15、势之一。本文结合一个实际的科研课题,针对水泥厂的生产控制系统技术改造需求,进行相应的应用研究与开发设计,其研发的成果具有较高的实用价值和良好的社会效益。第2章 智能控制系统理论2.1 控制理论发展概况自动控制理论作为一门学科,随着生产的发展而不断地发展,尤其是计算机的更新换代更加推动了控制理论的向前发展。控制理论的发展过程一般分为三个阶段:第一阶段:本世纪40至60年代,称为“经典控制理论”,它较好地解决了生产过程中的单输入单输出的问题。第二阶段:本世纪60至70年代,称为“现代控制理论”,它较好地解决了生产过程中的多输入多输出的问题。第三阶段:本世纪70年代至今,控制系统向着大系统理论和智能
16、控制45-7方向发展,前者是控制理论广度上的开拓,后者是控制理论在深度上的挖掘。大系统理论是用控制和信息的观点,研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术理论基础;智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律,研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。2.2 智能控制简介2.2.1. 智能控制系统的功能及基本要素1智能控制系统具有以下功能(1)学习功能:系统对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统的性能,这种功能同人的学习过程类似。(2)适应功能:这种适应功能包含更高层次的含义,除包括对输入输出自适应估计外,还
17、包括故障情况下自修复等。(3)组织功能:对复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调功能,使系统具有主动性和灵活性。智能控制可以在任务要求范围内进行自行决策,采取行动,当出现多目标冲突时,在一定限制下,各控制器可以在一定范围内进行自行解决。2智能控制的基本要素(1)智能信息:对信息进行特征的识别,并进行加工和处理,以便获得有用的信息去克服系统的不确定性,它在智能控制中占有十分重要的地位。(2)智能反馈:具有仿人智能的反馈。(3)智能决策:即智能控制决策,这种决策不限于定量的,还包括定性的,更重要的是采用定量和定性综合集成进行决策,这是一种仿人脑的决策方式。作决策的过程也就是智能推理的过程。从集合
18、的观点,可以把智能控制和它的三要素表示如下:智能信息 智能反馈 智能决策2.2.2 智能控制的特点9及类型智能控制过程同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程,也往往是那些含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数字过程,并以知识进行推理,以启发来引导求解过程。智能控制的核心在高层控制,即组织级。高层控制的任务在于对实际环境或过程进行组织,即决策和规划,实现广义问题求解。智能控制是一门边缘交叉学科也是一个新兴的研究领域。智能控制系统包括多级递阶智能控制;基于知识的专家控制;基于模糊逻辑的智能控制-模糊控制;基于神经网络的智能控制-神经控制;基于规则的
19、仿人智能控制;基于模式识别的智能控制;多模变结构智能控制;学习控制和自学习控制;基于可拓逻辑的智能控制-可拓控制;基于混沌理论的智能控制-混沌控制等类型10。2.3.模糊语言2.3.1.模糊语言的概念在普通的形式语言中,所谓语言是定义在有限字符集上的字符序列(字符串)的集合,一个字符串是否为一个合法的语言成分是可以明确判定的。用隶属函数来表示属于合法句子集合的程度。可以把合法语句成分看作定义在所有可能字符串上的一个模糊集合。另外,对于各种语言成份的语义,我们用定义在不同论域上的模糊集来表示。 自然语u在某种意义上可以用下述的模糊模型来描述 一种模糊语言FL定义为一个四元组: FL= (U, T
20、, E,N)式中U语言主题的全体对象,即论域g; T语言成分或者说“项”的模糊集合; E构成语言成分的字符集中的宇符所构成的所有字符序列 (字符串)的集合,称它为对T的嵌入集合,T是E上的模糊子集; N-E对 U的模糊关系,称为命名关系。上述队U, T, E, N的关系可用图2.1来表示。图中uN (x, y)说明中的关联程度。以下对上述概念作进一步解释。模糊语言的要素U是论域,是指FL所讨论的主题下所涉及的所有对象。如果不是在讨论某个主题下的模糊语言,而是论及整个自然语言,那么U将是多个主题下论域的并集,是一个包罗万象的大论域。所有的语言成分都是由有限个字符合理地组合而成。组成语言成分的字符
21、集图2.1 U,N,E,T的关系(如英文的26个字母和语法符号)所能组合成的全部有限长度的字符序列,包括合理的、不合理的及在某种程度上合理字符序列的集合即为E。T是模糊语言的语言成分集合,或说是项集合,一般指词汇和句子的集合。T是E上的模糊集合,E中的一个字符串X是否属于一个合理的语言成分,由它对T的隶属度u(X)来刻划。词是T的重要成分,它可分为原子词和合成词两类。原子词不具有子序列,不可再分,而合成词则由原子词组合而成。 T为E上的一个模糊子集,其隶属函数uT (X)表明E中的字符串X在什么程度上是合法的语言成分凡其实T的支集suppT中字符串均在某种程度上是合法的语言成分T。又如,E为字
22、符集扭a,b,+上字符串的全体,T代表代数式,那么E中几个有代表性的序列属于T的隶属度可定义为:(2.1)(2.2)(2.3) 命名关系N是EU上的模糊关系: uN: EU0, 1 (2.4) (x, y) uN (x, y) (2.5)其中我们说结构化和非结构化的语言是模糊的,是指T或N或者均为模糊集合的情况,当两者均为模糊集时,即非模糊语言,程序设计语言就是非模糊的结构化语言。2.3.2.模糊语义凡是语言都是用有限长度的字符串去表示一定的意义,语言的宇符串与其意义的对应关系称为语义。语义的一个重要问题是要规定一组语义规则,以它作为算法,通过各原子间的已知涵义,计算出合成词的涵义。1971年
23、,扎德提出模糊语义定量的理论,接着定义了完备的 “语言变量”的概念,使得一些以实数集为论域的词汇及一些具有程度性质的词汇有了定量的语义描述。下面给出语义的定义。所谓T中术语 x的语义是U上的模糊子集 M (x),这时U中的元素y隶属于M (x)的隶属度由下式给出: uM(x) (y) =uN (x,y) (2.6)2.3.3.模糊语法模糊语言的语法的研究也是很初步的,用它来描述实际的自然语言的语法是很不充分的,现在还没有找到描述自然语言的语法的最佳模型。模糊语法是对普通形式语言的语法的扩张和模糊化。下面,对语法使用的一些概念和术语作一些介绍。 VT是终极符的有限集合,例如英文的字母表,V*T是
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