水泥回转窑分解炉温度的模糊控制

1. 本课题研究的目的、意义

随着大型建筑的不断增多，以及建筑速度的快速化发展，人们对水泥的需求量越来越多，对水泥生产提出的要求也越来越高。传统的水泥生产技术已经不能满足现代化建设的需要，因此有必要对水泥的生产设备进行改进。

水泥生产过程是一个理化反映过程，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。

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。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。

2. 国内外研究现状

现代控制理论的发展, 特别是智能控制理论的产生, 为水泥工业提供了良好的发展前景。模糊控制作为智能控制的一个主要分支, 因其简单、实用、有效等特点而成为当前控制领域的一个研究热点。1965 年L. A. Zadeh 教授在他的《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型，使人的自然语言直接转化为计算机能够接受的算法语言。1974 年E. H. Mamdani 教授首先将模糊集合理论应用于锅炉和蒸汽机的控制,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， 1980 年Osterg aard 成功地将模糊控制技术应用于石灰窑生产的控制, 1982 年日本大阪水泥窑生产线成功地应用了模糊控制技术, 之后在英、美等国也相继得到了应用和发展, 并都取得了良好的控制效果。随着模糊控制技术应用研究的深入发展, 水泥工业的自动化控制水平将得到进一步的提高。

目前，新型干法水泥生产技术成为我国水泥工业发展重点，在提高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孰料烧成系统、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，另外最大限度提高自然资源综合利用率和保护环境。

3. 拟采取的研究路线

1) 影响分解炉温度的主要参数的研究

分解炉的工作原理是使燃烧料的放热过程和生态碳酸盐分解的吸热过程在其中以悬浮状态极其迅速的进行，使生料达到较高的分解率，从而提高窑的产量和熟料的质量。通过以

往工作人员的经验总结和改进分解炉结构额优化，可以发现影响分解炉参数时变的主要因素有煤粉流量、生料流量及三次风量。

2）模糊控制模型的建立

影响分解炉温度的主要因素有煤粉流量、生料流量、和三次风量，而且彼此之间存在耦合，且是非线性的。其中，生料流量对于分解炉温度的影响是不可控制量，可与其它非关键因素一起作为干扰处理。

3）控制系统仿真实验

4. 进度安排

第一周～第三周 资料收集，完成开题报告的撰写，英文资料的翻译

第四周～第六周 拟定控制方案，进行系统总体设计

第七周～第九周 电路设计 电路制作 程序编写

第九周～第十三周 调试测试 电路调试 软件调试

第十四周～第十五周 数据整理，撰写论文

第十六周 准备答辩

二、文献综述

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。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，我国正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【3】。

水泥生产过程是一个理化反应的过程, 具有大惯性、纯滞后、非线性等特点, 系统工况复杂多变, 难以建立精确的数学模型。因此, 采用传统的控制策略往往难以获得令人满意的控制品质。模糊控制技术在提高产量和质量、节能以及稳定工况等方面, 具有显著的效果。 模糊控制规则是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制系统, 是一种从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的智能控制方法, 是模糊数学与控制理论相结合的产物, 能够解决许多复杂而无法建立精确对象模型的系统的控制问题【4】。它先将操作人员或专家的经验归结为模糊控制规则, 然后把传感器信号模糊化, 并用此模糊输入去适配控制规则, 完成模糊逻辑推理, 最后将模糊输出量进行解模糊判决, 变为模拟量或数字

量后送到执行器上。

模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控制【5】。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制。模糊控制的最大特征是，它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别试用于数学模型未知的、复杂的非线性控制系统，从控制器的智能性看，模糊控制属于智能的范畴。可以这样说，如果没有模糊数学，就不会有模糊控制，同样，如果没有计算机，模糊自动控制也无法实现。

基本的模糊控制系统如图1所示

图1 模糊控制系统框图

由图可见，模糊控制结构与一般的计算机数学控制系统基本类似，只是它的控制器为模糊控制器。它也是一个计算机数学控制系统，控制器由计算机实现，需要 A/D，D/A 转换接口，以实现计算机与模拟环节的连接。它也是一个闭环反馈控制系统，被控量要反馈到控制器，与设定值相比较，根据误差信号进行控制。模糊控制系统由以下几个部分组成：模糊控制器、输入输出接口、检测装置、执行机构和被控对象。

模糊控制能避开对象的数学模型【6】（如状态方程或传递函数等），它力图对人们关于某个控制问题的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出控制规则，用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用CRI 等各类模糊推理方法，可以得到适合控制要求的控制量，可以说模糊控制器是一种语言变量的控制器。

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）模糊控制的计算机方法虽然是运用模糊集合论合理进行的模糊算法，但最后的到的是确定性的、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。

由于一个模糊概念可以用一个模糊集合来表示，因此模糊概念的确定问题，就可以直接转换为模糊集隶属函数的求取问题。因此，对于一类缺乏精确数学模型的被控对象，可以用模糊集合的理论，总结人对系统的操作和控制的经验，用模糊条件语句写出控制规则，也能设计出比较理想的控制系统。

参考文献：

【1】刘志江. 新型干法水泥技术. 北京：中国建材工业出版社，2005

【2】胡鸿泰. 水泥的制造和应用. 山东：山东科学技术出版社，1994.

【3】郭璟，袁铸钢，申涛. 基于水泥分解炉工况分析的优化控制. 山东：济南大学学报，

2008，22（2):125-127

【4】姚维. 水泥回转窑分解炉温度的模糊控制. 自动化与仪器仪表. 2000,(11);2728

【5】姚伯威 水泥回转窑的一种fuzzy 控制实现. 电子科技大学学报. 1995，24（6）：63-66

【6】李少立，王景成. 智能控制. 北京：机械工业出版社，2005

三、外文文献翻译

译文：

模糊控制的互操作性和可扩展性自适应Domotic 框架

乔瓦尼·阿坎波拉和温琴佐·罗伊欧