1、长春理工大学本科毕业设计 I 水泥回转窑分解炉温度的模糊控制 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。提高回转窑的温度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。 我国大力发展的新型干法窑外分解水泥生产技术就是在预热器和回转窑之间增设分解炉。分解炉是预分解系统的核心部分，它承担了预分解窑中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解任务，使 入窑生料的分解率达到 90%以上，从而大大提高了回
2、转窑单位有效容积的产量。分解炉的温度控制对整个预分解系统的热工分布和热工温度的稳定 也 至关重要。 本文在分析回转窑和分解炉工艺特点及其控制要求基础上，为解决温度控制超调量大、调节时间长等问题，提出了回转窑分解炉温度的模糊控制方法，提高了控制精度。用模糊控制理论建立参数模糊控制表，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，提高回转窑分解炉的控温精度，改善煅烧质量，适用于类似回转窑分解炉温度控制系
3、统这样的非线性、大滞后且随机干扰严重的系统。 关键词：分解炉 回转窑 温度控制 模糊控制 仿真 长春理工大学本科毕业设计 II ABSTRACT Temperature control is widely used in electron, metallurgy and machine industry in our country. It needs higher quality temperature controller. Rotary kiln is the key equipment in the production of metallurgy, cement and materi
4、al 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 cost to improve control precision of rotary kiln.Development of production t
5、echnology of new type dry-process cement kiln decomposition is in the preheater and the addition betwee n the rotary kiln calciner.Is the core part of precalcining system decomposition furnace,it took on precalcing kiln pulverized coal combustion,gas-solid heat transfer in carbonate decomposition ta
6、sks so that raw material into kiln decomposition rate of 90% or more,which greatly increased yield per unit of volume of rotary kiln.Precalciner temperature control for the entire system of distribution of thermal and thermal decomposition temperature stability is also important. Based on analyzing
7、the rotary kiln calciner s technology and control request, in order to solve the problems of temperature control system big overshoot and long time of regulation etc. Fuzzy control is proposed to improve the temperature control precision on rotary kiln calciner . Fuzzy controller regulates the propo
8、rtional, 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 independent of the system model, and it is prior to general PID r
9、esponses 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 system such as rotary kiln temperature control system. Keyword
10、s: decomposition furnace rotary kiln, temperature control, fuzzy control, simulation 长春理工大学本科毕业设计 I 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 绪论 .1 1.1 国内外水泥及其生产技术的发展现状及趋势 .1 1.1.1 国外水泥生产概述 .1 1.1.2 我国水泥生产发展现状与趋势 .1 1.2 水泥生产工艺 .2 1.3 课题的设计目的和意义 .3 第 2 章 模糊控制理论研究 .5 2.1 模糊控制的发展 .5 2.2 模糊控制原理研究 .6 2.2.1 精确量到模糊量的转
11、化 .7 2.2.2 控制规则的构成 .9 2.2.3 模糊决策 .9 2.2.4 逆模糊化处理 .10 第 3 章 水泥回转窑温度控制系 统设计 .12 3.1 影响分解炉温度的主要因素 .12 3.2 模糊控制模型 .12 3.2.1 模糊控制模型的建立 .13 3.2.2 模糊量化处理 .13 3.3 模糊规则库的建立 .16 第 4 章 水泥回转窑分解炉温度的模糊控制的仿真 .17 4.1 MATLAB 的概况 .17 4.2 控制系统仿真实验 .17 4.3 仿真结果分析 .19 结 论 .20 参考文献 .21 致 谢 .22 附录： .23 长春理工大学本科毕业设计 1 第 1
12、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，这些技术已经
13、成为实现水泥生产自动化、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），在大型水泥生产中，单回路控制系统中控制效果较差而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（ 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
14、年代达到 4000t/d 以上，目前 5000t/d 以上生产线已成为主流；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 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
15、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长春理工大学本科毕业设计 2 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，正在加快开放高效率的 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
16、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， 我国 正在提高水泥工业清洁生产水平， 使其 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 目前水泥生产过程主要为回转窑生产过程，其生产流程图如图 1-1 所示。其生产工序是以石灰石、粘土、铁粉等为原料，通过生料配料、生料粉磨、煅烧、熟料配料、水泥磨粉、包装等工序生产出水泥的过程。原料进厂后经过预处理， 由化验室对原料进行化验分析 ，通过计算给出生料配方，生料工序根据化验室给出的配方比例对生料进行配料得到混合料，混合料通过生料磨成粉状入生料库，生料经煅烧
17、成为 熟料，熟料与矿渣、矿化剂按一定比例混合后，通过水泥磨成粉状入水泥储存库，最后经过包装出 厂。水泥生产的整个工艺过程主要包括窑外预热分解、窑内煅烧、 熟 料冷 却、废气处理和煤粉控制等工序。在回转窑水泥生产过程中，窑尾分解炉温度是一个重要的工艺参数，分解炉温度的稳定对整条生产线的稳定、高产和节能具有重大影响。 长春理工大学本科毕业设计 3 石 灰 石破 碎 机预 均 化 堆 场配 料 系 统熟 料 库砂 岩配 料 系 统铁 质 校 正 原 料 铝 质 校 正 原 料 煤蓖 式 冷 却 机增 湿 塔预 均 化 堆 场煤 磨煤 粉 仓生 料 磨生 料 均 化 库预 热 器分 解 炉回 转 窑选
18、 粉 机配 料 系 统配 料 系 统粘 土混 合 材配 料 系 统 配 料 系 统烘 干 机石 膏破 碎 机配 料 系 统混 压 机包 装 或 散 装 水 泥 库 选 粉 系 统 水 泥 磨粗 粉热气热气排出排 出细 粉粗 粉图 1-1 水泥生产流程图 1.3 课题的设计目的和意义 水泥生产过程是一个理化 反 应 过程，系统工况复杂多变，难以得到精确的数学模型。而且随着水泥装备向大型化方向发展的需要，采用传统控制策略已经难以获得满意的成果，所以现代控制技术就有必 要应用到水泥生产过程中。我国发展的新型干法窑外分解水泥生产技术就是在预热器和回转窑之间增设分解炉。分解炉是预分解系统的核心部分，它承
19、担了预分解窑中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解任务。其中，碳酸盐的有效分解是制约水泥质量的重要因素，而它的有效分解需要一个相对稳定的温度，温度过高或过低都会对生产效率有所影响。由此可见，分解炉的温度控制对整个预分解系统的热工分别和热工温度的稳定至关重要。 长春理工大学本科毕业设计 4 分解炉的温度是一个大滞后、大慢性、非线性的复杂控制对象，影响它的因素有很多，并且各个因素之间存在耦合。目前，许多水泥生产厂还是 借鉴现场操作人员的经验，通过人工调节来获得满意的分解炉温度，这样做直接导致生产效率低、能耗高、质量不稳定。而模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术
20、。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，使得控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用。因此，利用模糊控制技术对分解炉的温度进行控制具有重要的科学意义和广阔的应用前景。 长春理工大学本科毕业设计 5 第 2 章 模糊控制理 论研究 2.1 模糊控制的发展 模糊控制是智能控制的重要组成部分，它是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊逻辑既不是二值逻辑 非此即彼的推理，它也不是传统意义的多值逻辑，而是在承认事物隶属真值中间过渡性的同时，还认为事物在形态和类属方面具有亦此亦彼性、
21、模棱两可性 模糊性。正因如此，模糊计算可以处理不精确的模糊输入信息，可以有效降低感官灵敏度和精确度的要求，而且所需要存储空间少，能够抓住信息处理的主要矛盾，保证信息处理的实时性、多功能性和满意性。 L.A.Zadeh 在他的 Fuzzy Sets、 Fuzzy Algorithm和 A Rationale for Fuzzy Control等著名论著中，首先提出了模糊数学和模糊控制的概念。其核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，使人的自然语言直接转化为计算机能够接受的算法语言。模糊集合理论的诞生，为处理客观上存在的一类模糊性问题，提供了强有力的工具，同时也适应了自适应科学发展的急
22、迫需要 4。最早取得应用成果的是英国伦敦大学的教授 E.H.Mamdani，他在 1974年首先利 用模糊语句组成的模糊控制器，对锅炉和汽轮机的运行进行控制，并在实验室中获得成功。 1975 年 P.J.King 和E.H.Mamdani 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制中。 1976 年荷兰学者W.J.Kickert 等将模糊控制器应用于热水装置中。 1976 年英国学者 R.M.Tong 用模糊控制对压力容器内部的压力和液面进行控制，随后发表的多篇论文，对模糊控制的应用和发展起到了积极的推动作用。 1977 年英国的 C.P.Pappis 和 E.H.Mamdani 对十字路口的
23、交通枢纽指挥采用模糊控制，试验结果使车辆平均等待 时间减少 37%。 1979 年，英国的 I.J.Procky 和 E.H.Mamdani 研究了一种自组织模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。自组织模糊控制器的问世，标志着模糊控制器智能化程度进一步向高级阶段发展。 1980 年丹麦的 F.L.Smidth 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统最早被应用于水泥窑生产过程的控制。 1982 年日本大阪水泥窑生产线成功地应用了模糊控制器。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等领域中都得到了实际的应用。模糊控制充分显示了在大 规模系统、
24、多目标系统、非线形系统以及无适当传感器可检测系统中的良好应用效果。 我国模糊控制理论及应用方面的研究始于 1976 年，主要集中在高等院校和研究长春理工大学本科毕业设计 6 所。但在应用水平上还不够高，模糊逻辑技术的开发工具落后，许多系统的开发方法仍停留在原始的手工编程开发阶段。目前，模糊控制理论作为新时代的高新技术，正得到越来越广泛的应用，被公认为简单而有效的控制技术。 模糊控制理论是现代控制理论领域中很有发展前途的一个分支。这是因为对于工业生产过程来说，模糊控制具有一系列传统控制无法与之比拟的优点： (1)用语 言方法，不需要掌握过程的精确数学模型。 (2)对于有一定操作经验、而不是控制专
25、业的工作者来说，模糊控制方法易于掌握。 (3)操作人员易于通过人的自然语言进行人机通讯，从而易于加入到过程的控制环节中去。 (4)通过模糊控制，过程的动态响应品质优于常规的 PID 控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。 (5)模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集合理论进行的模糊算法，但最后得到的是确定性的、定量的条件语句。 (6)模糊控制与计算机联系密切。从控制角度看，它实际上是一个有很多条 件语句组成的软件控制器。 2.2 模糊控制原理研究 模糊控制系统是一种以模糊数学为基础的计算机数字控制系统，与一般的计算机控制系统相比，模糊控制系统的控制器是模糊控制器。我们来分析一个操作者对一个工业
26、过程的控制。首先，人们凭借眼睛、耳朵等传感器官，得到一些有关输出量和输出量变化率的模糊信息。客观存在的精确量通过传感器官到达人的大脑，这一过程实际上是一个精确量的模糊化的过程。然后，人们根据获得的信息对照自己已有的经验来进行分析判断，从而得出应该采取的控制措施，即判定如何调整输入量。我们可以将操作者的 经验总结成若干条规则，经过一定的数学处理，存放在计算机中，这些规则成为模糊控制规则。我们仿照人脑的模糊推理过程，确定推理法则。计算机可根据输入的模糊信息，依据控制规则和推理法则，做出模糊决策。最后，当人们根据已决定的模糊决策去执行具体的动作时，执行的结果又是一个精确量。显然，人们在对工业过程进行
27、控制时，无论是将精确量转化为模糊量，或反之，将模糊量转化为精确量的过程，是人们凭自己的本能不知不觉地完成的。但是若用某种装置来代替人来进行控制时，因为装置是不会思维的，因此这种模糊量与精确量的转化过程是必不可少的。将 上述过程用框图表示出来，可得到一个模糊控制器的工作原理简图，如图 2-1 所示。 长春理工大学本科毕业设计 7 模 糊 控制 规 则模糊决策模糊量精确量输出工业过程执行机构精确量输入误差图 2-1 模糊控制器原理简图 2.2.1 精确量到模糊量的转化 模糊控制器的输入 可以是模糊量，也可以是精确量。当为精确量输入时，必须对输入变量进行模糊化处理。即将模糊控制器的输入变量的确定值转
28、换为相应模糊语言变量值的过程。在模糊控制理论中，利用隶属函数来反映某一精确量隶属于某一语言量的模糊程度，称为隶属度。在模糊集合中，隶属度是建立模糊集合论的基石，隶属函 数是描述模糊性的关键。在解决实际问题时，首要问题是确定隶属函数。但在一般情况下，这个函数却无法直接得到，而必须经过一些调查实验。 (1)确定隶属函数的原则 表示隶属函数的集合必须是凸模糊集合。 定义 2.1 设 A 为实数域 R 上的模糊集合，对于任何实数 zyx ，若关系式 )()()( zAxAyA 恒成立，则称 A 为“凸模糊集合”。 定理 2.1 设 A 为实数域中的模糊集合，则 A 为凸模糊集合的充分必要条件是：对于任意 1,0 ，非空的截集 A 均为区间数。 变量所取隶属函数通常是 对称 和平衡 的。一般情况下，描述变量的语言值的越多，模糊控制系统的分辨率就越高，其系统响应的结果就越平滑。但模糊规则会明显增多，计算时间增加，设计困难加大。如果描述变量的语言值太少，则其系统的响应可能会不太敏感，并可能无法及时提供输出控制跟随小的输入变化，以使系统的输出在期望值附近振荡。实践表明，一般取 3 9 个为宜，并通常取奇数个，在“零” 、“适中”、或者“正常”集合的两边语言值通常对称取。 隶属函数应当符合人们的语言顺序，避免不恰当的重叠。在相同论域上使用的
