回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真

1、 第 1期 2009年 1月工 礦 自 動(dòng) 化 Industry and Mine Automation No. 1Jan. 2009文章編號(hào) :1671-251X (2009 01-0030-03回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真商 丹 , 高永清(華北科技學(xué)院電子信息工程系 , 北京 101601 摘要 :針對(duì)傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度 PID 控制系統(tǒng)存在溫度穩(wěn)定性差 、 無(wú)法在線調(diào)整 PID 參數(shù)等問(wèn)題 ,文章提出了一種采用模糊自整定 PID 參數(shù)控制方式設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器的方案 , 介紹了該控制器 的結(jié)構(gòu) 、 設(shè)計(jì)步驟及回轉(zhuǎn)窯煅燒過(guò)程系統(tǒng)的建模等 , 并采用 Matlab 中的

2、Simulink 模糊工具箱對(duì)模糊自整定 PID 溫度控制器進(jìn)行了仿真 。 仿真結(jié)果表明 , 該控制方法無(wú)超調(diào)量 、 調(diào)節(jié)時(shí)間短 , 能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的在線自調(diào)整 。 實(shí)際應(yīng)用也證明了該控制方法的優(yōu)越性 。關(guān)鍵詞 :回轉(zhuǎn)窯 ; 煅燒帶 ; 溫度控制器 ; 模糊自整定 PID ; Matlab 中圖分類號(hào) :TF068.21; TP273. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :ADesign and Simulation of Temperature Cont KilnG Y (Dept. of h China Instit ute of Science and Technology ,Beijing 101601,

3、 China Abstract at t he p roblems t hat traditional PID temperat ure cont rol system for calcing zone of rotary kiln had poor temperat ure stability and couldn t adjust PID parameters on 2line , t he paper proposed a scheme of temperat ure cont roller for calcining zone of rotary kiln using f uzzy s

4、elf 2t uning PID parameters cont rol mode. It int roduced st ruct ure , design step s of t he cont roller and system modeling of rotary kiln s calcining p rocess , and gave simulation of t he f uzzy self 2t uning PID temperat ure cont roller using Simulink f uzzy toolbox in Matlab. The simulation re

5、sult showed t hat t he cont rol mode had no overshoot and short adjusting time and could realize on 2line self 2adjust ment of parameters. The act ual application also proved superiority of t he cont rol met hod.K ey w ords :rotarykiln , calcining zone , temperat ure cont roller , f uzzy self 2t uni

6、ng PID , Matlab 收稿日期 :2008-08-07作者簡(jiǎn)介 :商 丹 (1974- , 女 , 遼寧黑山縣人 , 碩士 , 講師 , 現(xiàn)在 華北科技學(xué)院電子信息工程系任教 , 主要研究方向?yàn)?PL C 控制及單 片機(jī)控制 , 已發(fā)表文章 7篇 。 E 2mail :. cn0 引言對(duì)于炭素 (也稱炭陽(yáng)極制品 回轉(zhuǎn)窯來(lái)講 , 其監(jiān) 控參數(shù)很多 , 許多參數(shù)互相關(guān)聯(lián) , 互為因果 , 真正作 為控制參數(shù)的也只有幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目 , 其中煅燒帶溫 度是一個(gè)十分重要的因素 。如果煅燒帶溫度不穩(wěn) 定 , 會(huì)使煅后焦質(zhì)量達(dá)不到要求 , 從而影響炭陽(yáng)極的 產(chǎn)量

7、。 某廠將煅燒帶溫度作為窯系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程 中重要的監(jiān)控點(diǎn) , 工藝要求它必須穩(wěn)定在一定范圍 之內(nèi) 。 其原有控制方式為傳統(tǒng)的 PID 控制 , 該方法在被控對(duì)象的參數(shù)發(fā)生改變時(shí) , 必須對(duì)參數(shù)重新整 定才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的穩(wěn)定控制 , 并且對(duì)于回轉(zhuǎn) 窯這種具有大時(shí)滯 、 大慣性 、 非線性的控制對(duì)象存在 著超調(diào)量較大 、 調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題 。筆者根據(jù)該 回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制的具體要求 , 采用模糊自整 定 PID 參數(shù)控制方式設(shè)計(jì)了溫度控制器 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì) 煅燒帶溫度無(wú)超調(diào)量 、 調(diào)節(jié)時(shí)間短的控制 。 1 模糊自整定 PID 參數(shù)控制器設(shè)計(jì)由于回轉(zhuǎn)窯具有較大滯后性 、 非線性 、 時(shí)變性

8、, 單純采用模糊控制不會(huì)取得良好的控制效果 。 模糊 控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差 , 難以 達(dá)到較高的控制精度 。 大量的理論研究和工程實(shí)踐 也充分證明了這一點(diǎn) 。 PID 控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 易于實(shí)現(xiàn) , 能在一定程度上改善系統(tǒng)的動(dòng) 、 靜態(tài)性能 。 但常 規(guī)的 PID 控制器由于不能根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況在線實(shí)時(shí)調(diào)整固定的 PID 參數(shù) , 所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 控制精度不能達(dá)到令人滿意的結(jié)果 。 為進(jìn)一步提高 穩(wěn)態(tài)精度 , 縮短調(diào)節(jié)時(shí)間 , 筆者結(jié)合該廠實(shí)際情況 , 決定采用模糊自整定 PID 參數(shù)控制方式 。這種復(fù) 合控制方式動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 , 超調(diào)量小 , 溫度控制穩(wěn)定 。 1. 1

9、 回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器的結(jié)構(gòu)模糊自整定 PID 參數(shù)控制器的結(jié)構(gòu)如圖 1所 示 。圖 1 模糊自整定 PID 參數(shù)控制器的結(jié)構(gòu)圖1. 2 回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器設(shè)計(jì)根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn) , 度范圍為 11501350, 250為最佳溫度 , 1設(shè)定為 1400 , 1 。 在生產(chǎn)工藝 上 , 被控對(duì)象一般不允許出現(xiàn)超調(diào)或振蕩 。模糊控 制器的設(shè)計(jì)步驟如下所述 。 (1 選擇控制器的輸入輸出選擇溫度誤差 e 及誤差變化量 ec 為輸入 , 控制 量 K P 、 K I 、 K D 作為輸出用于控制對(duì)象 , 這樣模糊控 制器具有二輸入三輸出的結(jié)構(gòu) 。(2 模糊集及論域的定義根據(jù)上下限設(shè)定溫度 , 取

10、溫度偏差 e 的變化范 圍為 -150150 , 設(shè)置 7個(gè)模糊值 , 分別給出它 們對(duì)應(yīng)的 7個(gè)模糊狀態(tài)的隸屬度值 。溫度變化率的定義為 d e (n =e (n -e (n -1 , 設(shè)定溫度變化率 ec 的變化范圍為 -1515。同理 , 根據(jù)對(duì)常規(guī) PID 控制器的仿真結(jié)果分 析 , 預(yù)先設(shè)定 K P 的變化范圍為 -0. 30. 3, K I 的 變化范圍為 -0. 0030. 003, K D 的變化范圍為 -0. 060. 06。 , 。、 K I N B N M e K P 、 K I 、 K D 的論域?yàn)?-6 -5 -4-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6。隸屬函數(shù)

11、均采用常見的高斯分布函數(shù) 。(3 確定控制規(guī)則模糊控制規(guī)則如表 1所示 。表 1 模糊控制規(guī)則表N BN M N S ZO PS PM PB N B PB/N B/PS PB/N B/N S PM/N M/N B PM/N M/N B PS/N S/N B ZO/ZO/N M ZO/ZO/PS N M PB/N B/PS PB/N B/N S PM/N M/N B PS/N S/N M PS/N S/N M ZO/ZO/N S N S/ZO/ZO N S PM/N M/ZO PM/N M/N S PM/N S/N M PS/N S/N M ZO/ZO/N S N S/PS/N S N S/PS

12、/ZO ZO PM/N M/ZO PM/N M/N S PS/N S/N S ZO/ZO/N S N S/PS/N S N M/PM/N S N M/PM/ZO PS PS/N M/ZO PS/N S/ZO ZO/ZO/ZO N S/PS/ZO N S/PS/ZO N M/PM/N S N M/PB/ZO PM PS/ZO/PB ZO/ZO/N S N S/PS/PS N M/PM/PS N M/PM/PS N M/PM/PS N B/PB/PB PBZO/ZO/PBZO/ZO/PMN M/PS/PMN M/PM/PMN M/PM/PSN B/PB/PSN B/PB/PB (4 確定量化因子e

13、 的量化因子 :k e =150=0. 04ec 的量化因子 :k ec =15=0. 4K P 的量化因子 :k K P =6=0. 05K I 的量化因子 :k K I =6=0. 0005K D 的量化因子 :k K D =6=0. 011. 3 回轉(zhuǎn)窯煅燒過(guò)程系統(tǒng)的建模對(duì)炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯的煅燒帶溫度控制雖然難以 建立精確的數(shù)學(xué)模型 , 但根據(jù)操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以得出煅燒帶溫度的變化趨勢(shì) ?；剞D(zhuǎn)窯窯體采用保溫 、 隔熱材料筑成 , 當(dāng)改變給 風(fēng)量使窯內(nèi)溫度升高時(shí) , 窯內(nèi)氣體進(jìn)行對(duì)流傳熱 , 窯 體將吸收一部分熱量使得自身溫度升高 。 在這一過(guò) 程中窯體蓄熱 , 因此 , 造成包括煅燒帶

14、溫度在內(nèi)的狀 態(tài)量變化滯后 。同時(shí)由于窯體體積和質(zhì)量很大 , 運(yùn) 轉(zhuǎn)起來(lái)自然出現(xiàn)一定的慣性 , 并且狀態(tài)量對(duì)控制量 的變化反應(yīng)緩慢 , 具有一階慣性環(huán)節(jié)特性 。 因此 , 可 以將炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯近似看作具有時(shí)滯特性的一階 慣性環(huán)節(jié) , 系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G (s =-30s 45s +1(1 13 2009年第 1期 商 丹等 :回轉(zhuǎn)窯煅燒帶溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真2 模糊控制系統(tǒng)仿真 2. 1 模糊推理系統(tǒng)的建立模糊邏輯工具箱提供了圖形用戶界面 (GU I 和 命令行 2種方式 , 總的來(lái)說(shuō) , 采用 GU I 工具建立模 糊邏輯推理系統(tǒng)更容易些 。 本文采用 GU I 方式 。(1 在 Matl

15、ab 的命令窗口鍵入 f uzzy , 打開 FIS 編輯器 。(2 在 FIS 編 輯 器 的 edit 菜 單 下 , 選 擇 membership f unction 進(jìn)入隸屬函數(shù)編輯器 , 在其中 編輯 e 、 ec 及控制量 K P 、 K I 、 K D 的隸屬函數(shù) 。(3 在 membership f unction 編輯器的 edit 菜 單下選擇 rules 進(jìn)入規(guī)則編輯器 。 2. 2 溫度模糊控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)搭建根據(jù)圖 1在 Matlab 中搭建回轉(zhuǎn)窖溫度模糊控 制系統(tǒng) , 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 2所 示 。設(shè) 定 目 標(biāo) 溫 度 為 1250 , 放大系數(shù) K =2,

16、純滯后時(shí)間 t d 30s 性時(shí)間常數(shù) =45s 。圖 2 回轉(zhuǎn)窯溫度模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 3 Simulink 仿真模糊系統(tǒng)采用模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng) , 響應(yīng)曲線如圖 3所示 。 從圖 3中可看出 , 系統(tǒng)無(wú)超調(diào) , 調(diào)整時(shí) 間 t s =300s 。 2. 4 仿真結(jié)果分析針對(duì)上述被控對(duì)象 , 采用常規(guī) PID 控制算法進(jìn) 行仿真 , 響應(yīng)曲線如圖 4所示 。在穩(wěn)態(tài)誤差為 2%的情況下 , 其超調(diào)量 =20%, 調(diào)節(jié)時(shí)間 t s =600s 。 從以上仿真結(jié)果可看出 , 常規(guī) PID 控制算法調(diào)圖 3 模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖 4 常規(guī) PID , , 但它

17、的過(guò) 。 而模糊自整定 PID 、 動(dòng)態(tài)性能較好 , 可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 無(wú)超調(diào) , 很好地解決了常規(guī) PID 控制方法的過(guò)渡時(shí) 間與超調(diào)量之間的矛盾 。 3 結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)常規(guī) PID 控制無(wú)法很好地對(duì)回轉(zhuǎn)窯 煅燒帶溫度進(jìn)行控制的問(wèn)題 , 提出了采用模糊自整 定 PID 參數(shù)控制方式來(lái)設(shè)計(jì)溫度控制器的方案 , 結(jié) 合工程師的回轉(zhuǎn)窯控制經(jīng)驗(yàn) , 構(gòu)造了模糊控制知識(shí) 庫(kù)控制規(guī)則 , 選擇模糊化方法和模糊判決 , 建立了實(shí) 時(shí)模糊控制系統(tǒng) 。 最后 , 通過(guò) Matlab 軟件仿真實(shí)驗(yàn) 得出 , 該溫度控制器具有無(wú)超調(diào)量 、 調(diào)節(jié)時(shí)間短的特 點(diǎn) , 實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的在線自調(diào)整功能 ?；谀：哉?PID 參數(shù)控制的回轉(zhuǎn)窯煅燒 帶溫度控制器目前已得到實(shí)際應(yīng)用 , 結(jié)果表明 , 該控 制器運(yùn)行穩(wěn)定 , 性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 PID 控制器 , 能