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1、中国民航大学本科毕业设计论文引言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，采用传统的控制策略难以获得满意的结果，因此需要现代控制技术运用到水泥生产过程中。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，从而大大提高了回转窑单位有效容积的产量。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。如果温度过高，会造成预热器堵塞；如果温度太低，则导致碳酸盐
2、分解不充分，增加了回转窑的负荷，同时，使生产出来的水泥在应用中水解缓慢，严重影响建筑质量。由此可见，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至关重要。分解炉的温度是一大滞后、大慢性、非线形的复杂控制对象，影响的它的因素有很多，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。生产效率低、能耗高、质量不稳定是水泥工业普遍存在的问题。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
3、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。- 7 - - 7 -第1章 绪论1.1 课题研究的背景和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。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1。分解炉是预分解系统的核心部分，它承担了预分解系统中煤粉燃烧、气固转换和碳酸盐分解任务。而分解炉的温度是一大滞后、大慢性、
4、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。同时，分解炉是一个耗能设备，大量消耗煤炭资源。因此，如何有效且快速地进行分解炉温度控制不可避免地成了当前水泥生产者必须面对的问题。然而，当被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理的错综复杂以及现场测量条件不定时，则很难建立被控对象或过程的精确数学模型。因此，往往采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，不如一个有实践经验的操作人员用手动进行控制的效果好。而模糊控制理论的兴起和发展提供了一个契机。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
5、应用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，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，使人的语言直接转化为计算机能够接受的算法语言。所以，模糊控制在设计中不需要建立被控对象或过程的精确数学模型，使得控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于使用。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。1.2 水泥分解炉的结构特点新型干法水泥生产技术是20世纪50年代发展起来的新技术，分解炉是其中的核心设备。在20世纪70年代初，日本石川岛重工业公司从水泥熟料煅烧理论出发，认为回转窑烧成带主要靠辐射进行热交换，其热交换效率比较高。而在
6、温度较低的分解带，使生料悬浮在窑废气中，它们之间进行热交换更剧烈，热交换效率更高。石川岛通过开发分解炉来解决这一问题。生料在分解炉内分解率达到80%90%，然后喂入回转窑内。这样做的结果，使全部燃料的60%供给分解炉，40%的燃料由窑头喷入，降低了窑内热负荷，还可以大大提高回转窑单位有效容器的产量2。进入20世纪70年代以后，随着经济的快速发展，建筑行业也在高速发展，水泥的需求量日益增多。这就对水泥生产行业提出了更高的要求，要求窑的产量不断增多，要求出现新的水泥生产技术能够跟得上水泥的日益消耗。因此，预分解窑在此时段内得到了蓬勃发展。1972年日本小野田公司先建1.8m25mRSP实验窑，19
7、74年在大船渡水泥厂建成3000t/d的RSP窑。1976年7月日本神户制钢和日本水泥公司先建500t/d的分解实验室，在1978年在上矶建成3600t/d的DD预分解窑。1974年丹麦史密斯公司在丹麦丹尼亚水泥厂建成2.4m20m预分解实验，1977年，史密斯在日本麻生水泥厂建成4000t/d预分解窑。德国伯力鸠斯和洪堡公司也开发了自己的上升烟道分解炉技术。美国福勒公司和法国FCB公司购买了石川岛SF分解炉专利，我国天津水泥院购买了DD分解炉，美国AC公司和前苏联以及我国建材研究院购买了RSP分解炉专利。19701980年代预分解窑的发展状况曲线如图1-1所示。图1-1 19701980年预
8、分解窑发展趋势由图1-1可以看出，世界各国19711972年仅是预分解窑试验阶段，而在19731977年是发展阶段，每年建设预分解窑仅1040台，在1978年以后，预分解窑技术日趋成熟，每年增加预分解窑达到3040台之多。过去我国发展水泥工业强调以中小型为主，但水泥生产结构极不合理，水泥质量低劣，经济效益差，能源耗费大，环境污染严重。为此，我国对水泥工业“十五”规划总体精神是“控制总量，优化产业结构，东部沿海地区重点发展4000t/d的预分解窑，而中西部区域以2000t/d规模为主”。由表1-1可以看出，分解炉系统生产规格小于2000t/d的小型分解炉台数仅占总台数29%，而产量仅占总产量14
9、%。这是由于生产规格小于2000t/d的分解炉要建三次风管，系统比较复杂，在生产费用和投资方面并不合算。表1-1 1980年世界水泥分解炉产量生产规模(t/d)数量(台)比例(%)总产量(t/d)比例(%)0100015711902100120004922811001220013000753419430030300140004119146300234001500028121273102050001368280013总计221100643000100自从1971年石川岛开发分解炉技术以来，分解炉技术迅速发展起来，世界各国水泥工作者都在开发自己的分解炉，到目前为止分解炉专利已有几十种之多。而且各厂
10、家在对自己的分解炉进行改造的同时，也吸收了其他厂家分解炉的特点。按分解炉的结构特点可以分为三类，即圆筒式、流化床式和烟道式。1.2.1 圆筒式分解炉圆筒式分解炉是把旋风预热器窑尾烟道扩大成筒形，并加把火形成分解炉。其中的典型代表也是最早的圆筒形分解炉是日本石川岛在1971年开发的SF分解炉。其结构简图如图1-2所示。图1-2 SF分解炉结构简图由图1-2可知，SF炉的上部是圆柱体，下部是锥体，三次风从最下部切向吹入，同下部窑尾排除废气混合，以旋流方式进入分解炉内，3个喷油嘴和旋风筒卸出生料，入炉喂料口都设在分解炉顶部，结构简单。但燃料与生料在分解炉内停留时间过短，只有34s时间，不利于燃料充分
11、燃烧和高温气流与生料混合及进行加热。经试验得到分解炉内温度分布曲线如图1-3所示。由图可以看出，SF分解炉内温度在830910之间，保证了生料与气流的热交换，较利于生料分解。图1-3 SF分解炉内温度分布曲线图1.2.2 流化床式分解炉日本三菱重工和三菱矿业及水泥公司将化学工业流化床用于煅烧水泥，在1971年开发出第一台MFC炉，即三菱流化床分解炉3。此后，MFC分解炉得到不断发展，经过两次重大的改进。其发展变迁如图1-4所示。图1-4 MFC炉的发展其相应结构图如图1-5所示。由图可以了解到，原始型MFC分解炉高径比(H/D)较小，近似于1改进型MFC炉主要是把高径比增大到2.8。而新型N-
12、MFC炉再一次把高径比提高到4.5左右。流化床底部面积减小，是为了降低能耗，减少基建投资。观察MFC分解炉结构图可知，它由一个钢板卷成圆筒体，为保护筒体和减少散热损失，在筒体内镶有隔热砖和耐火砖。在筒体下部装有流化床，流化床下部有一个空气室，设有进风口，流态化风机鼓入高风压，通过喷嘴吹向流化层。图1-5 MFC分解炉结构图流态化喷嘴如图1-6所示，它用耐热钢制成，安装在炉体底部流化床的底板上， 喷嘴间距200220mm。流化床的底板及钢管由普通钢材制成，而耐热钢喷嘴点焊在钢管上，在底板上浇注耐火烧注料，仅把喷嘴露出来。图1-6 流态化喷嘴原型MFC炉的明显缺陷是炉底流化床面积过大，通过流化床的
13、最低风速要控制在0.8m/s以上才能使生料形成流化层。因而造成流化空气和三次空气比高于37，故一方面使通过的三次空气回收热量减少，造成整个分解系统热耗增高。另一方面由于流化床面积很大，很难形成稳定流化层厚度，使炉内煅烧条件恶化。改进型MFC炉把原型流化床面积缩小，为了保持分解炉单位热力强度不变，而提高炉腔高度。它采用了流化悬浮迭加原理。延长了物料在炉内滞留时间(大于84s)。另外生料在炉内分解率达到50%60%后，通过斜烟道进入窑尾的上升烟道底部，再利用窑废气过剩氧使燃料继续燃烧，同时使生料分解率提高到90%以上。N-MFC分解炉是三菱重工在20世纪80年代中期开发，在第二代改进型MFC炉的基
14、础上，进一步增大高径比。将流化床面积尽量缩小，使空气流量降至最小。将全部生料喂入炉内，形成稳定流化层。这就提高了分解炉的热交换效率，使燃烧稳定性大大提高；炉内在还原气氛下操作，可减少排放量。1.2.3 烟道式分解炉德国洪堡及伯力鸠斯两大水泥设备制造商，在他们预热器专利的基础上，把窑尾与最低一级旋风筒之间的连接烟道增高并弯曲向下，用延长烟道的方法开发出各自的烟道式分解炉4。以下分别对他们进行相关介绍。洪堡公司Pyroclon分解炉系列如图1-7所示。图1-7 洪堡公司Pyroclon分解炉系列Pyroclon是Pyro和Cyclon的合成，即供燃料燃烧旋风装置。Pyroclon-S分解炉的特点是
15、上升烟道分解炉用的燃烧空气全部从回转窑内通过，使窑尾的出口风速加大，但不能超过14m/s。如果风速达到15m/s18m/s，这时会使分解炉粉尘带到后面，产生粉尘循环，而粉尘又要带走一部分热量，这样做的不经济的。Pyroclon-R型分解炉和Pyroclon-S型分解炉的区别是它用单独三次风管供应三次风。三次风和窑尾废气一起作为分解炉燃料燃烧用风。这样做主要降低了分解炉内的分压和提高了分解温度。在R型分解炉的基础上，洪堡公司又开发出RP型分解炉。其特点是烟道式分解炉只通过冷却机来的三次风，而窑废气经上升烟道通过，两者在最下一级旋风筒内汇合，炉气在旋风筒入口上部进入，而窑废气在入口下部进入。燃料只
16、向分解炉下部喷入。这样做的好处是，窑尾废气不进分解炉而直接进入预热窑，在分解炉内三次风由冷却机来，进一步降低了分解炉内分压，使温度进一步提高，也就使生料分解率达到90%以上。Pyroclon-RP详细工艺流程如图1-8所示。图1-8 Pyroclon-RP工艺系统Pyroclon-R-Low分解炉是在R型分解炉的基础上改进，原理如图1-9所示。图1-9 Pyroclon-R-Low分解炉Pyroclon-R-Low分解炉的目的是降低排放浓度。由冷却机来的三次风成锐角方式进入烟道式分解炉，使三次风气与窑尾废气在一段时间内在烟道分解炉中平行向上流动。在分解炉下部的窑尾废气区和分解炉的稍高处三次空气
17、区各设一个燃烧器。主要在窑废气区燃料利用窑尾废气中过剩氧气燃烧，伴随着形成产生还原气氛，使和反应生成和，生料和煤粉的存在起催化作用。Pyrotop型分解炉是在Pyroclon-R-Low分解炉的基础上改制而成，在R-Low分解炉鹅颈顶部增设一个Pyrotop混合室，使炉内上行的料气流至鹅颈顶部时，从混合室筒体下部切线方向涡旋入室，使较粗的物料及燃料颗粒分离，较细颗粒随气流从圆筒体上部排除，继续经分解炉下行烟道进入最下一级旋风筒。通过分料阀调节混合室出来的物料进入上、下烟道比例，来控制物料再循环量、达到进一步优化出炉燃料燃尽率和生料分解率的目的。总之，洪堡公司各型Pyroclon分解炉适用各种燃
18、料；可控制分解炉内各区温度；使料气能很好混合；能降低废气中和的含量，使整个分解窑系统压降降低。而且操作稳定，设备简单，生料分解率高。图1-10所示是伯力鸠斯公司Prepol分解炉系列原理简图。图1-10 伯力鸠斯公司Prepol分解炉系列Prepol是Precalcining-Polysius的缩写，即德国伯力鸠斯公司分解炉，与洪堡公司Pyroclon分解炉一样，将窑尾烟道延长变成分解炉，不同之处在于伯力鸠斯公司多波尔悬浮预热器基础上设置了一条整体烟道分解炉。Prepol-AT分解炉所用燃烧空气全部由窑内通过，适合于改造多筒冷却机的SP窑。改造时，窑筒体转速要加快。窑内生料分解率较高。Prop
19、lo-AS型分解炉的三次空气由单独三次风管供应，即一部分燃烧空气由三次风管供应，其余部分则从窑内通过。对AS型与AT型分解炉进行比较，认为AS型窑系统规格虽然较小，窑方面可以省些钱，但要增加三次风管，风管砌耐火砖，还要设支架。同时窑尾排风机因有三次风管，为平衡三次风管与窑尾的风量要设调整风量阀门，窑尾加缩口，故通风阻力较大，使窑尾排风机电耗加大。Prepol AS-CC分解炉的CC意思是Combustion Chanber燃料燃烧室缩写，是在AS型分解炉的基础上改制而成，主要适合于烧劣质煤。由图1-8C可见它有一个单独燃料燃烧室(CC室)，该燃烧室固定在烟道分解炉的进口的炉壁一侧。三次空气分两
20、次进入燃烧室，一处是在燃烧室上部切线方向进入，预热器的倒数第二级旋风筒收下生料喂入这三次风切线入口处一同进入燃烧室；一处是从燃烧室顶部中心同燃料一齐吹入。燃烧气体及携带的生料经燃烧室下部与分解炉的进口侧壁接口进入分解炉，而燃烧室收集下来生料经下料管进入窑烟室上的上升烟道。Prepol AS-MSC分解炉是在AS型分解炉的基础上，为降低窑系统排放而研究出来的。有研究表明，高温是在窑内高温烧成带，燃烧空气中氮分子被氧化成，故形成量与温度，过剩氧含量以及停留时间有关。要降低生成，采用设计如图1-11所示。图1-11 伯力鸠斯多级燃烧降低系统由图1-11可知，先在第一级要采取措施减少窑内生成，方法是采
21、用低燃料喷嘴，产生更均匀的火焰，使其最高点温度更低。另外在第三级分解炉中，要采用氮含量低的材料来降低生成。以及在上述两个地方采用成分均匀的易于煅烧的生料降低烧成和分解温度。减少的另外措施是在形成后去消除它。就是形成还原气氛，还原为和，如图1-9的第二级，在窑尾烟室只喷入燃料不喷入三次空气使之减少排出量。1.3 分解炉温度控制的研究现状在现代化水泥生产过程中，自动化占据着重要的位置。现代化水泥厂的工艺设备单机容量大，生产连续性强，整个生产过程需要各个环节协调一致，这就必须通过自动控制系统及时地监控设备的运行情况，调整工艺参数，促进生产稳定、协调，优化生产过程，保证整个生产的高效运行，以达到最佳的
22、经济效益。用计算机构成的水泥分解炉运行参数自动检测和温度控制系统的可靠性和强有力的控制功能已被人们所肯定。历经多年的发展和完善，水泥分解炉温度控制问题的研究已经取得了一定的成果5。山东省煤炭科学研究所赵永君等人研究了旋转窑水泥生产过程中分解炉温度自动控制系统的构成与控制过程，分析了分解炉温度实现自动控制在水泥生产中的重要性；浙江大学李常贤等人研究了先进的DCS系统在湿磨干烧水泥生产线中的应用及实现生产过程实时监控的软硬件总体方案，并提出了一种具有自学习、前馈功能的智能控制算法在DCS系统分解炉出口温度控制中的具体实现；合肥水泥研究设计院王德富等人研究了多模式模糊逻辑控制算法结构、自寻优推理算法
23、、计算机在水泥窑分解炉温度控制中的实现和成功应用；T.Tomohiro设计了模糊识别系统，并将它应用于数学模型的建立与控制系统的设计之中；Hiroshi Asayama等人将模糊技术应用于工业生产之中，得到了很好的控制效果。由上可见，对于分解炉温度的控制，目前普遍采用的控制策略主要有两种，即PID控制和模糊控制。PID控制器的固定参数难以适应对象参数的变化，导致控制性能差。且常规的PID控制器对于较大纯滞后的工业对象，常常不能妥善地解决稳定性、准确性与快速性之间的矛盾。水泥生产是复杂的物理化学过程，系统工况复杂多变。特别地，分解炉的温度是一个大滞后、非线性的复杂控制对象，影响它的因素很多，且各
24、个因素之间存在耦合。而模糊控制技术是通过模糊的控制过程，达到精确的控制结果6。作为一种智能控制技术，与常规PID控制技术相比，模糊控制技术的优势在于：(1)模糊控制是完全在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立精确的数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。(2)模糊控制抗干扰性能强，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线形、时变、纯滞后系统的控制。(3)控制实时性好。(4)控制机理符合人们对过程控制的直观描述和思维逻辑，为智能控制应用打下良好的基础。根据水泥工艺要求，物料在分解炉内的分解率应达到80%90%，由于分解反应过程中需要吸收大量的热量，因此保持分解炉内的温
25、度对提高生料分解率、稳定熟料质量至关重要。模糊控制技术不仅能处理精确的信息，也能处理模糊信息和其他不明确的信息，能实现准确性联想和映射。运用模糊控制技术控制水泥分解炉温度，可以很好的解决温度稳定这一难题。- 29 -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、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
26、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迫需要7。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
27、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
28、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、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所。但在应用水平上还不够高
29、，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
30、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
31、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
32、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。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
33、集合。定义2.1 设为实数域上的模糊集合，对于任何实数，若关系式恒成立，则称为“凸模糊集合”。定理2.1 设为实数域中的模糊集合，则为凸模糊集合的充分必要条件是：对于任意，非空的截集均为区间数。变量所取隶属函数通常是对称平和平衡的。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的太少，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39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
34、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具有语义顺序关系的若干语言值的模糊集合，例如，“冷”、“凉”、“适中”、“暖”、“热”等模糊子集其中心位置必须按这一次序排列，不能违背常识和经验。此外，隶属函数由中心值向两边模糊延伸的范围也有一定的限制，间隔的两个模糊集合的隶属函数尽量不相交重叠。(2)确定隶属函数的方法例证法。这是L.A.Zadeh在1972年首先提出的方法，其主要思想是：从已知的有限个隶属值中来估计论域X上的模糊集合的隶属函数。例如，在“年龄”论域中建立“年轻人”的模糊集合的隶属函数。当考虑“年龄为N是否为年轻人”时，可以从若干个语言真值中进行选
35、择。比如可分“真”、“大致真”、“似真似假”、“大致假”、“假”五种选择，并且将其分别与1、0.75、0.5、0.25和0对应。当年龄取不同值时，便可得到的离散表示。模糊统计法。源于1976年。在某些情况下，隶属函数可以用统计方法确定。蕴涵解析定义法。1976年提出的一种方法。它根据微积分的理论来确定隶属函数。假设隶属函数是连续可微的，则可用微分的方法计算。二元对比法。采用对比的方法确定隶属值。例如，对于在“人”论域中考虑“聪明”模糊集合，若较聪明，则规定。三分法。类似于模糊统计法，也是用随机区间的思想来处理模糊性的实验模型。模糊分布法。从给定的一系列模糊函数解析式选择出合适的函数作为自己的模
36、糊函数。(3)模糊量化处理将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化。应用过程中，一般采用以下两种方法来对数据模糊化。方法1：精确量离散化。如果精确量的实际变化范围为，将区间的精确量转换为区间变化的变量，采用如下公式 (2-1)如果由上式计算的值不是整数，可以把它归入最接近于的整数。方法2：当为随机变量时，可将的隶属度取为等腰三角形，其中，等腰三角形的高度为1，底边宽度为，表示随机变量的标准差，如图2-2(b)所示。 (a) (b) 图2-2 模糊化曲线2.2.2 控制规则的构成模糊控制规则实质上就是人们在控制过程中的经验总结，它们可用下列语言形式来表示。(1)“如A则B”型，写成If A then
37、 B(2)“如A则B否则C”型，写成If A then B else C(3)“如A且B则C”型，写成If A and B then C在实际的模糊控制中，最常用到的是第三种语言形式。在语言中，A通常表示给定量与输出量之差E=R-Y(R是输入量，即给定量，Y是输出量)，B通常是用来表示误差的变化率。2.2.3 模糊决策 模糊决策也叫模糊推理。决策是在人们生活和工作中普遍存在的一种活动，是为解决当前或未来可能发生的问题而选择的最佳方案的过程。数理逻辑给出了精确推理的严格方法。但是在客观世界中很多问题是具有模糊性的，传统的形式逻辑和近代的数理逻辑都无法解决这类问题。解决模糊性问题需要用模糊推理。在
38、实际应用中，采用IF .THEN. 模糊规则来表示控制器输入与输出关系：If x is A and y is B Then z is C式中，A、B和C是语言值，分别由X、Y和Z中模糊集合所确定，“x is A and y is B”通常称为前提或前件，“z is C”叫做结论或后件，即输入变量X的模糊度为A，输入变量y的模糊度为B，则输出变量Z的模糊度为C。模糊推理采用Mamdani推理时，主要步骤是：第一步，分别求出输人量的隶属度即模糊化。第二步，当有多个输入量时，同一规则中(对于AND)取输入量隶属度最小值作为前件部的隶属度(即规则的强度)。例如，设有模糊控制规则R1： If x is
39、A1 and y is B1 Then z is C1；R2： If x is A2 and y is B2 Then z is C2；则对于模糊控制规则有推理强度和 ；第三步，前件部隶属度与后件部隶属度函数进行MIN运算，得到各规则的结论。对于第条控制规则，则有控制量 其中，=1，2第四步，对所有规则的结论取MAX 运算，得到模糊推理的结果。即2.2.4 逆模糊化处理逆模糊量化实际上是将一个模糊量转化为精确量的过程。模糊控制器的输出是一个模糊量，这个模糊量不能用于控制执行机构。因为作为一个控制系统，最终还是要产生一个确定的精确量信号，并以此推动执行机构，实现对受控对象的控制。由于模糊推理结果
40、的输出是模糊集合，用语言变量表示。因此模糊控制器最后必须进行反模糊化处理，它包含两个内容，首先将全部被激活的模糊规则组合输出，然后将其变换为精确的可执行量。它是从模糊空间到清晰空间的一种映射，该映射称为判决。一般而言，逆模糊化有以下三种方法：(1)最大隶属度法。这个方法是在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素为判决结果。例如，若式中，斜杠“/”上方表示隶属度，斜杠下方表示模糊集合中的元素，它们各项之间不是分数相加关系，而是表示隶属度与元素间关系的一种记法。按最大隶属度原则取得的判决结果为(2)加权平均法。判决结果U由下式决定： (2-2)式中，表示隶属度。例如，若则(3)取中位数法。对于已知
41、的模糊子集(由模糊合成关系得到的)，求得对应的隶属函数曲线，计算出该隶属函数曲线与横坐标所围成的面积，再除以2，将所得到的平分结果作为控制量。与第一种方法相比，该方法综合地考虑了各个点上的情况，充分的利用了模糊子集提供的信息量，但计算复杂，尤其是计算连续隶属函数时，需要解积分方程，工作比较麻烦，因此应用较少。第3章 模糊控制技术在分解炉温度控制中的应用3.1 影响分解炉温度的主要因素分解炉的工作原理是使燃料燃烧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地进行，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的优化，可以发现影响分
42、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8。煤粉流量的影响：增加煤粉流量，则增加了分解炉的煤粉流量，加剧分解炉反应，使温度升高。但当煤粉增量超过一定限量时，反而会影响分解炉内的反应，导致分解炉温度降低。生料流量的影响：增加生料流量，将增加分解炉内反应物料数量，使炉温升高；当生料增大到一定程度后，由于物料未能充分反应，炉温反而下降。应该让入窑生料流量和入分解炉煤粉流量之间维持一定比例关系，以便进行充分反应。由操作经验可知，生料喂料量的波动和改变在5分钟左右会到达分解炉，当生料增加时，分解炉温度很快降低，所以需要在生料流量波峰到达之前增加喂煤量；当生料减少时，分解炉温度很快升高，所以需
43、要在生料流量波谷到达之前减小喂煤量。三次风量的影响：入分解炉的三次风大部分来自篦冷机，温度一般在850900左右，随窑头罩的温度变化而变化，压力一般为8001200Pa。三次风温高或风量大都会使分解炉中的物料温度升高。基于上述分析，只有这三个量值保持最佳的配比关系，分解炉的温度才会稳定在预期的范围内。此外，影响分解炉温度的非关键因素还有三次风风温、煤粉的成分、生料的成分、生料入炉前的温度、分解炉的出口气体的温度和环境因素等等。3.2 模糊控制模型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
44、关键因素一起作为干扰处理。针对这种情况，本文设计一个双输入单输出的模糊控制器，来实现分解炉温度的控制。3.2.1 模糊控制模型的建立分解炉温度模糊控制模型如图3-1所示。输入分解炉温度偏差及其偏差变化到模糊控制器。生料流量在传送过程中，可通过流量传感器感受其与预期的偏差，然后再经修正装置进行补偿。在分解炉三次风入口处可安装压力传感器和温度传感器，当感受到风温或风压与预期的有所偏差时，即可通过修正装置进行补偿。由模糊控制器和修正机构出来的指令传送至喂煤滑差控制电机处，控制喂煤量。当喂煤量过多时，分解炉的温度偏高，检测装置即将此信号反馈回输入通道，使喂煤滑差控制电机的转速减慢，反之，使喂煤滑差控制
45、电机的转速加快。这样就将分解炉的温度控制在一个比较理想的温度范围内。图3-1 分解炉温度模糊控制模型3.2.2 模糊量化处理输入变量为分解炉温度偏差和温度偏差变化，输出变量为喂煤增量。通过对某5000t/d水泥厂新型干法窑的月数据报表分析，可将分解炉温度偏差的实际范围设为-50，50，模糊子集为负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大，记为NB，NM，NS，NZ，ZO，PZ，PS，PM，PB，值为-50，-30，-15，-5，0，5，15，30，50。常见的模糊分布一般有三种隶属度函数曲线，即三角形型、梯形型和正态型，为方便起见，隶属度函数采用三角形函数，其表达式为当时，当时，当时，
46、当时，当时，关于对称，如果同时处于两段函数表示时，以它取较大的隶属度为准。故可得到的隶属度函数曲线如图3-2所示。图3-2 的隶属度函数温度偏差变化的实际范围可设为-25，25，模糊子集为负大，负小，零，正小，正大，记为NB，NS，ZO，PS，PB，值为-25,-10,0,10,25。隶属度函数采用三角形函数，其表达式为当时，当时，关于对称，如果同时处于两段函数表示时，以它取较大的隶属度为准。故可得到的隶属度函数曲线如图3-3所示。图3-3 的隶属度函数输出变量的论域为-15%，15%，模糊子集为负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，记为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，值为-15，
47、-10，-5，0，5，10，15，其中，喂煤增量的输出以百分数形式表示，喂煤增量由喂煤滑差控制电机控制。即当喂煤滑差控制电机全速运行时，输出控制量为100，停止时为0。3.3 模糊规则库的建立模糊规则库的建立一般有两种方法。其一，根据工艺操作规程及对操作人员经验的总结，抽取相应的模糊规则。这种方法较为简单，具有普遍适用性，但因操作人员的经验不同而带有一定的主观性。另一种方法是应用系统辩识技术，根据输入输出数据建立对象的模糊模型，再根据模型选取相应的模糊控制规则9。在此，根据工艺操作规程及对操作人员经验的总结，抽取相应的模糊规则，同时借鉴操作人员的经验对控制规则进行修改，得到控制规则如表3-1所示。模糊控制规则实际上是表现输出变量和输入变化及输入变化偏差关系的一个矩阵，叫做模糊关系矩阵。而表3-1得到的模糊控制规则实际上是将输入变量偏差及偏差变化率与输出变量之间的模糊关系矩阵合在一起。表3-1 模糊控制规则将以上模糊控制规则用If Then的
