粉煤灰法回转窑烧结温度控制器设计及仿真研究
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摘要：本文以粉煤灰提取氧化铝技术为背景，针对孰料烧成工序回转窑本身具有的大惯性，纯滞后，非线性等特点，将模糊控制和Smith预估器相结合，提出一种基于智能Smith预估器的回转窑烧结温度控制器，通过对整个控制系统的仿真研究，结果表明新的控制系统具有很好的快速性和很小的超调量，能够满足回转窑工艺生产的需要．
关键词：粉煤灰法；回转窑；Smith预估；模糊控制；仿真研究；
中图分类号：TF341.6;TP273文献标识码：A文章编号：1000-7059(2006)05-00
0前言
回转窑的生产过程是一个复杂的物理化学反应过程，具有大惯性，纯滞后，非线性等特点，工艺过程复杂多变，难以得到精确的数学模型。目前，部分氧化铝企业仍然借鉴现场操作人员的工作经验，通过人工调节的方式以求适应回转窑生产工艺要求，这种传统的控制策略不易获得满意的控制效果，生产效率低、能耗高、产品质量不稳定。本文提出一种基于智能Smith预估器的回转窑烧结温度控制器，通过对整个控制系统的仿真研究，结果表明新的控制系统具有很好的快速性和很小的超调量，能够满足回转窑工艺生产的需要．
1智能Smith预估控制策略
1.1 Smith预估器改进算法
Smith预估器最早是由O.J.M.Smith在1958年提出来的，它是一个时滞预估补偿算法[1]。为克服Smith预估器对模型误差敏感的缺点，由C.C.Hang等提出了改进的Smith预估器[2]。当改进的预估器输入存在误差时，传递函数分母的最后多了一个 因子，调整滤波时间常数 可改变闭环系统特征方程的根，从而达到提高控制系统性能的目的。
1.2 滤波时间常数 对系统的影响
预估器中引入了一个一阶惯性环节，当系统参数在运行中发生变化时，原先设定的滤波时间常数 不一定能使系统的动态性能达到最佳，只有根据变化情况相应调整 ，才能使系统得到更好的控制效果。在仿真研究的基础上，本文进一步采用模糊控制方法在线调整改进Smith预估器的滤波时间常数 ，最终构成一个专门针对纯滞后、时变系统的智能控制方案，如图1所示。改进的模糊Smith智能控制方法结合了模糊PID控制与自适应Smith预估器，该方案对诸如电加热温控这样的参数时变的大时滞过程，能够改善系统的控制性能，使系统具有更强的鲁棒性。
图 1 改进的模糊Smith智能控制结构图 图2 参数变化时控制系统的响应曲线
2.3 的模糊自适应设计
根据上一节的分析，可以先根据 和 的值，确定是否需要引入一阶惯性环节，如果不需要，则令 ；如果需要引入惯性环节来提高系统控制性能，则根据 和 的值对滤波时间常数 进行实时调整，本文的控制中采用如下调整公式
在调整过程中，应注意不能使 为负值，而且为增强系统的鲁棒性，可以给设定一个最小值，根据经验，一般取最小值为 。
的值可以采用模糊控制器对 和 进行模糊推理得到， 和 即为模糊控制器的输入，模糊化后为 与 ， 是模糊控制器的输出。它们的模糊论域定义为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，，0，1，2，3，4，5，6}，模糊子集定义为{负大，负小，零，正小，正大}＝{NB，NS，ZO，PS，PB}。对于一个实际的系统，可以确定 、 和 的基本论域，从而确定模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子，其控制规则如下：
当 负大， 负大，应增大 ，即 =PB，控制规则为：
If=NB and=NB then=PB
当 正小， 为零，此时不宜引入惯性环节，即 =NS，控制规则为：
If=PS and=ZO then=NS
如此类推，可得到25条控制规则，如表1所示如此类推，可得到25条控制规则，如表1示：
表 1滤波时间常数整定规则
模糊推理采用Mamdani推理方法，反模糊化采用重心法。
本文基于最小二乘法，利用MATLAB仿真软件，通过现场收集到从下料到窑况平稳间的一些具有代表性、普遍性和一定密度的燃料用量与烧成带温数据样本，建立出烧成带的温度数学模型。
当被控对象模型参数的放大系数、时间常数同时增大40%时，图2是模糊Smith智能控制算法的响应曲线，从图2可以看出，基于模糊Smith智能控制器控制系统的响应曲线在超调量、上升时间、及调节时间均满足工艺要求。
4 结论
本文提出的模糊Smith智能控制系统，充分发挥了模糊自整定PID算法动态性能好、抗干扰能力强、稳态精度较高的优点，同时采用了模糊推理的方法调整改进型Smith预估器的滤波时间常数 ，改善了Smith预估器对模型参数的过于依赖性，将使Smith预估器在实际工业过程控制中得以更广泛的应用。
参考文献：
1 单 王鹏 杜钢. Smith-Fuzzy控制器在回转窑温控系统中的应用[J]. 材料与冶金学报.2003
2 邹志军．基于模糊控制的Smith预估器的改进研究和设计[D]．合肥工业大学硕士学位论文，2005．
3 马中华. 基于稳态工作点的回转窑智能操作应用研究[D]，济南大学，2008.
4 商丹，高永清. 回转窑煅烧带温度控制器的设计与仿真[J]，工矿自动化，2009，(1)：30-32.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。