模糊PID控制器在水泥回轉(zhuǎn)窯上的應(yīng)用

孫 莉 趙志光

(山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院1，山東 濟(jì)南 250107;中控科技集團(tuán)2，浙江 杭州 310052)

0 引言

水泥熟料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的鍛燒過程，是一個(gè)包含物理變化、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過程的多變量、多擾動(dòng)、長滯后、時(shí)變及非線性過程，這給回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的建模和控制都帶來了極大的困難。為了解決水泥預(yù)分解窯的控制難題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。Jager［1－2］等研究了專家系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)過程中的應(yīng)用;Chiang［3］研究了水泥懸浮預(yù)熱回轉(zhuǎn)窯的模糊控制;Correcher［4］介紹了基于專家系統(tǒng)的水泥回轉(zhuǎn)窯故障診斷問題。國內(nèi)學(xué)者對DCS、現(xiàn)場總線控制應(yīng)用于水泥燒成系統(tǒng)的研究主要體現(xiàn)在仿真階段［5－8］。

我國新型干法水泥生產(chǎn)線已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，但對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的先進(jìn)控制研究主要集中在分解爐，而對于熟料燒成的主體部分回轉(zhuǎn)窯的研究主要是進(jìn)行仿真研究，真正用于實(shí)際的很少。因此，對于水泥回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用控制研究非常有必要。

1 水泥回轉(zhuǎn)窯控制要求

在新型干法水泥生產(chǎn)工藝中，生料在進(jìn)入窯系統(tǒng)煅燒之前，經(jīng)過了成分配比、粉磨和均化，使得生料的組成和成分相對穩(wěn)定。所以，窯內(nèi)煅燒狀況就成為影響熟料質(zhì)量的主要因素。窯內(nèi)煅燒狀況主要取決于回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度和窯況。

①回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶溫度

燒成帶承擔(dān)著熟料中主要礦物C3S的形成和f-CaO的吸收。液相的含量和燒成帶溫度決定了C3S的形成和f-CaO的吸收速度，液相的含量是由燒成帶溫度的高低決定的，因此，燒成帶溫度決定了C3S是否能大量形成和f-CaO是否能被充分吸收，也就決定了熟料質(zhì)量。燒成帶溫度過高過低對熟料質(zhì)量都有影響，燒成帶溫度過低，造成熟料欠燒，f-CaO吸收不完全，C3S不能大量形成，熟料質(zhì)量欠佳;燒成帶溫度過高，不但造成熟料結(jié)大塊，易磨性差，還容易燒窯皮，造成“紅窯”，同時(shí)也浪費(fèi)能源，增加成本。

②窯況

回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中的窯況主要有掉窯皮、窯前結(jié)圈、窯后結(jié)圈、跑生料、分解爐溫度、煙室斜坡結(jié)皮等。窯況的變化容易造成回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱工制度的改變，繼而造成回轉(zhuǎn)窯內(nèi)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的改變。因此，如何根據(jù)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的變化調(diào)整燒成帶溫度、窯速等是回轉(zhuǎn)窯控制的一大難點(diǎn)。

2 回轉(zhuǎn)窯控制方案

2.1 參數(shù)選擇

在生料成分穩(wěn)定的情況下，影響回轉(zhuǎn)窯熟料質(zhì)量的因素主要是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶溫度和窯況。窯況可以通過改變燒成帶溫度和窯速來消除其影響。在回轉(zhuǎn)窯控制過程中，通常在保證生料下料量、系統(tǒng)風(fēng)量(有一定余量)的前提下，通過改變窯頭喂煤來控制燒成帶溫度。因此，我們選擇燒成帶溫度、窯速作為被控量，選擇生料下料量和窯頭喂煤為控制量。

2.2 控制方式選擇

①窯速控制

正常生產(chǎn)時(shí)，為保證回轉(zhuǎn)窯內(nèi)填充率的穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)窯窯速與生料下料量基本成正比;窯速還要根據(jù)窯況的不同進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為此我們設(shè)計(jì)了基于專家規(guī)則的窯速比值控制系統(tǒng)。

②燒成帶溫度控制

為解決回轉(zhuǎn)窯溫度控制超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長等問題，本文提出了基于模糊PID的燒成帶溫度控制方法，即將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)，建立參數(shù)模糊規(guī)則表，通過模糊合成推理算法獲得模糊控制決策表，提高對回轉(zhuǎn)窯的控制精度。

2.3 控制方案

本文設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)窯控制方案如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control structure of the rotary kiln

回轉(zhuǎn)窯控制包括窯況分析模塊、燒成帶溫度設(shè)定模塊、燒成帶溫度軟測量模塊、模糊PID控制模塊和窯速控制模塊。切換開關(guān)用于選擇采用本文基于專家規(guī)則的窯況識(shí)別模塊。窯況是影響燒成帶溫度的主要因素之一，但可以通過改變燒成帶溫度和窯速來消除其影響。所以，我們設(shè)計(jì)了基于窯況、以專家規(guī)則形式的燒成帶溫度設(shè)定模塊。

2.4 燒成帶溫度校正模塊

根據(jù)窯況的不同，對燒成帶溫度設(shè)定值進(jìn)行校正，建立了基于專家經(jīng)驗(yàn)的回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度設(shè)定值校正模塊。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，本文得出的燒成帶溫度調(diào)整規(guī)則如表1所示。

表1 溫度調(diào)整規(guī)則Tab.1 Temperature adjustment rules

在進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度設(shè)定值校正過程中，我們還需要將以上經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化。下面以分解爐溫度為例進(jìn)行說明。

首先正常窯況下，確定燒成帶溫度設(shè)定值。工藝要求一個(gè)月平均游離氧化鈣小于1.0%，經(jīng)過實(shí)際觀察可以將設(shè)定值設(shè)為0.95%，此時(shí)對應(yīng)燒成帶溫度為1425℃，所以設(shè)定值為1425℃。燒成帶溫度設(shè)定如表2所示。

表2 溫度調(diào)整量化規(guī)則Tab.2 Quantization rules for adjusting temperature

3 模糊PID控制模塊

3.1 變量的模糊化

模糊PID控制模塊的參數(shù)校正部分為一個(gè)兩輸入、三輸出的模糊控制器?？紤]到系統(tǒng)的快速性和簡易型，采用二維模糊控制器。

二維模糊控制器的輸入變量為燒成帶溫度的誤差e和誤差變化率ec，設(shè)其語言變量分別為E和EC，輸出為PID 三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量 ΔKP、ΔKI、ΔKD。在模糊系統(tǒng)中，輸入輸出語言變量的取值元素越多，控制精度越高，但是控制規(guī)則也相應(yīng)越復(fù)雜;如果模糊系統(tǒng)的取值元素太少，描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制性能變壞。因此，考慮到系統(tǒng)特點(diǎn)，將輸入語言變量E和EC以及輸出語言變量 ΔKP、ΔKI、ΔKD記為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，其量化論域?yàn)閧－3，－2，－1，0，1，2，3}。

燒成帶溫度的誤差e和誤差變化率ec的模糊子集為:

系統(tǒng)輸出ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊子集為:

燒成帶溫度的誤差e和誤差變化率ec的論域?yàn)?

系統(tǒng)輸出ΔKP、ΔKI和ΔKD的論域?yàn)?

工藝要求燒成帶溫度波動(dòng)范圍為1350～1500℃，則設(shè)定偏差基本論域?yàn)椋郏?5，75］，對應(yīng)量化論域E為［－3，3］，偏差變化率基本論域?yàn)椋郏?5，15］，對應(yīng)量化論域 EC 為［－3，3］。

由以上分析可以得出誤差e和誤差變化率ec的量化因子為:

在本模糊PID控制中，各語言變量的隸屬函數(shù)也使用三角形隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)曲線描述為:

模糊集合 E、EC 和參數(shù)調(diào)整量 ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)描述為:

模糊集合 E、EC 和參數(shù)調(diào)整量 ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 隸屬函數(shù)曲線Fig.2 Membership function curves

3.2 模糊規(guī)則的建立

經(jīng)過人們大量的試驗(yàn)與應(yīng)用，已總結(jié)出PID參數(shù)的各種整定方法。其中對于非線性、時(shí)變和時(shí)延以及難以用傳遞函數(shù)G(s)表示的系統(tǒng)，控制專家也經(jīng)過大量的仿真研究和試驗(yàn)，得出了一些整定經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，總結(jié)如下。

①KP增加，則振蕩周期減小，超調(diào)增加，上升時(shí)間減少;反之亦然。

② KI增加，則超調(diào)/回調(diào)比增加;反之亦然。

③ KI增加，則穩(wěn)定性下降，超調(diào)增加;反之亦然。

④KD增大，則穩(wěn)定性增加;反之亦然。

⑤當(dāng)系統(tǒng)輸出超過設(shè)定值時(shí)，減小KI。

⑥當(dāng)系統(tǒng)上升時(shí)間大于要求的上升時(shí)間時(shí)，增加KI。

⑦ 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，適當(dāng)增加KD。

⑧系統(tǒng)輸出對干擾信號(hào)反應(yīng)靈敏，適當(dāng)減小KD。

⑨ 上升時(shí)間過長，增加KP。

⑩系統(tǒng)輸出發(fā)生振蕩現(xiàn)象，減少KP。

根據(jù)控制專家的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)不確定系統(tǒng)在常規(guī)控制作用下，偏差e和偏差變化率ec越大，系統(tǒng)中不確定量就越大;反之，偏差e和偏差變化率ec越小，系統(tǒng)中不確定量就越小。利用這種偏差和偏差變化率對不確定量進(jìn)行估計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對PID控制器參數(shù)的調(diào)整估計(jì)。

在調(diào)節(jié)初期，適當(dāng)?shù)匕裀ID調(diào)節(jié)器的比例度KP放大到較大的檔次，以提高響應(yīng)速度;在調(diào)節(jié)中期，把KP適當(dāng)置大一些，從而兼顧穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度;在調(diào)節(jié)后期，把KP調(diào)整到較大的檔次，以減小靜差，提高控制的精度。

根據(jù)上述思想，參考現(xiàn)場操作人員的人工經(jīng)驗(yàn)得出的ΔKP模糊調(diào)整規(guī)則如表3所示。

表3 ΔKP的模糊調(diào)整規(guī)則表Tab.3 ΔKPfuzzy tuning rules

在調(diào)節(jié)初期，積分作用應(yīng)弱一些;在調(diào)節(jié)過程中期，為避免影響穩(wěn)定性，積分作用應(yīng)調(diào)整得適中;而在調(diào)節(jié)過程后期，應(yīng)增強(qiáng)積分作用，以減小調(diào)節(jié)靜差，從而提高調(diào)節(jié)精度。

根據(jù)上述思想，參考現(xiàn)場操作人員的人工經(jīng)驗(yàn)得出的ΔKI模糊調(diào)整規(guī)則如表4所示。

表4 ΔKI的模糊調(diào)整規(guī)則表Tab.4 ΔKIfuzzy tuning rules

總結(jié)實(shí)際控制過程操作經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)節(jié)過程初期，加大微分作用，可以減小甚至避免超調(diào);在調(diào)節(jié)過程中期，由于調(diào)節(jié)特性對KD的變化比較敏感，因此，KD應(yīng)適當(dāng)小一些并保持固定不變;在調(diào)節(jié)后期，KD應(yīng)減小，從而減小被控過程的制動(dòng)作用，以補(bǔ)償在調(diào)節(jié)過程初期由于KD較大所造成的調(diào)節(jié)過程時(shí)間延長。

根據(jù)上述思想，參考現(xiàn)場操作人員的人工經(jīng)驗(yàn)得出的ΔKD模糊調(diào)整規(guī)則如表5所示。

表5 ΔKD的模糊調(diào)整規(guī)則表Tab.5 ΔKDfuzzy tuning rules

4 結(jié)束語

本文根據(jù)控制要求，經(jīng)過算法研究，首先對影響熟料質(zhì)量的主要因素之一——窯況進(jìn)行了分析，得出了通過改變燒成帶溫度和窯速可以消除窯況影響的結(jié)論;根據(jù)實(shí)際進(jìn)行了控制和被控參數(shù)的選擇;然后提出了相應(yīng)的控制方案。

本文提出的方案包括窯況識(shí)別模塊、燒成帶溫度設(shè)定模塊、模糊PID模塊和窯速控制模塊。窯況識(shí)別模塊根據(jù)回轉(zhuǎn)窯實(shí)際情況，采用基于專家系統(tǒng)理論編制的專家規(guī)則實(shí)現(xiàn)窯況識(shí)別，燒成帶溫度設(shè)定模塊根據(jù)窯況設(shè)定燒成帶溫度設(shè)定值，模糊PID模塊主要是用于燒成帶溫度的控制，而窯速控制模塊分為根據(jù)窯速與生料下料量成正比原則的窯速比值控制模塊和基于專家規(guī)則的窯速調(diào)整模塊。

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