一種石灰窯燃燒過程的模糊預測控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃燒過程控制領域，具體地說，設及一種石灰畜燃燒過程的模糊預測 控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 作為鋼鐵冶金重要原料的活性石灰主要通過冶金石灰畜鍛燒而成，其質量的主要 衡量指標是活性度。它與很多因素有關，包括石灰石的成分和粒度，石料的運行和加料、出 灰方式，供熱燃料的熱值，燃燒溫度和進程的控制，其中燃燒溫度的控制是影響活性度的最 主要因素。必須將其控制在適宜的范圍之內。由于石灰鍛燒過程是一個復雜的物理化學 反應過程，具有明顯的非線性、大滯后、不確定性特點，因此，采用常規(guī)的PID和模糊控制方 法，難W達到滿意的效果。
[0003] 預測控制是先進控制領域中的一項重要技術，由于它對多容非線性、大滯后的生 產(chǎn)過程具有較好的控制效果，因此，近年來不僅在理論研究上取得了重大的進展，而且還在 一些工程領域得到了實際應用。但在許多流程工業(yè)過程（特別是熱工過程）中，由于生產(chǎn)環(huán) 境惡劣、工況變化劇烈等復雜因素，造成過程存在結構不確定性和嚴重的參數(shù)時變特性，致 使被控過程很難W-個或一族模型來描述，從而使常規(guī)模型預測方法如DMC、GPC的應用會 因較大的模型失配而導致控制效果的惡化。目前還沒有形成成熟的可W實現(xiàn)一般工業(yè)過程 的預測控制方法，只有針對某些具體生產(chǎn)工藝的預測控制方法的研究案例。如；吳嘯等（吳 嘯，沈炯，李益國.基于TS模糊模型的穩(wěn)定預測控制及其在機爐協(xié)調系統(tǒng)中的應用[J].中 國電機工程學報，2011,31(11) :106-112) W鍋爐-汽輪機模型作為研究對象，提出一種基 于模糊李亞普諾夫函數(shù)的穩(wěn)定預測控制方法，通過求解一組線性矩陣不等式，來設計滿足 系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定、輸入約束W及控制性能最優(yōu)的平行分配補償控制律，并通過火電廠非線性 機爐協(xié)調系統(tǒng)中的仿真試驗，驗證了方法的有效性，但是該方法是通過求解一組線性矩陣 不等式，在系統(tǒng)環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下得到的分配補償控制律，應用具有局限性，易受生產(chǎn) 環(huán)境等復雜因素變化的影響，控制效果易惡化。王國玉等（王國玉，梅華，韓壤，王東風，主 汽溫系統(tǒng)模糊自適應預測函數(shù)控制[J].中國電機工程學報，2003,23(10) :230-235)針對 鍋爐主汽溫對象，提出了模糊自適應預測函數(shù)控制（FAPFC)策略，設計了預測函數(shù)-比例串 級控制（PFC-巧方案，并進行了仿真研究，有效地克服了負荷大范圍變化對主汽溫波動的 影響，在理論上可為工程應用提供借鑒，達到了較好的動態(tài)控制效果。王國玉等提出了一種 基于變結構的預測控制算法，利用變結構控制方法來糾結預測控制量，并應用于火電機組 過熱汽溫控制的仿真研究，結果表明所提出的算法具有較好的控制品質及魯椿性，具有重 要的理論意義，但是該種方法僅是在理論層面上給出了研究，在實際生產(chǎn)中成功應用的案 例目前還沒有，實用性不強。雖然目前MPC研究取得了比較豐碩的成果，但大多局限于仿 真分析層面，應用于工程實際（特別是熱工系統(tǒng)）的成功案例并不多見。對于工業(yè)燃燒畜 爐該一類熱工對象（水泥畜、石灰畜等），由于系統(tǒng)具有管線長、工藝復雜、設備眾多W及生 產(chǎn)連續(xù)性和不能隨意停產(chǎn)試驗等特點，通常都采用經(jīng)典和成熟的控制技術和手段（如PID、 化zzy控制算法），并在生產(chǎn)線投產(chǎn)或改造初期一次性完成系統(tǒng)的全部控制功能調試，故真 正將新的先進控制方案投入應用具有相當大的難度，控制不準。目前在該類問題中，有關預 測控制或其它先進控制方法實際應用成果報道并不多見。

【發(fā)明內容】

[0004] 1.要解決的問題
[0005] 針對現(xiàn)有預測控制模型控制不準確、在工程領域的實際應用性差W及受現(xiàn)場隨機 干擾影響大等問題，本發(fā)明提供一種石灰畜燃燒過程的模糊預測控制系統(tǒng)及其控制方法， 采用預測控制和模糊決策相結合的控制方法，綜合預測控制的提前預知功能和模糊控制在 大偏差范圍內的優(yōu)化控制效果，解決大時延非線性系統(tǒng)的溫度控制問題。
[000引 2.技術方案
[0007] 為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術方案如下：
[0008] -種石灰畜燃燒過程的模糊預測控制系統(tǒng)，包括參考信息輸入模塊、模糊控制器、 燃料閥、石灰畜控制裝置、預測模塊、反饋模塊和校正模塊；所述的參考信息輸入模塊、模糊 控制器、燃料閥與石灰畜控制裝置依次串聯(lián)連接；所述的燃料閥與預測模塊、反饋模塊和模 糊控制器依次串聯(lián)連接；所述的燃料閥還與所述的校正模塊連接；所述的校正模塊與所述 的預測模塊連接；所述的石灰畜控制裝置同時與所述的校正模塊、反饋模塊和參考信息輸 入模塊連接。
[0009] 優(yōu)選地，所述的參考信息輸入模塊用來輸入?yún)⒖架壽E和接收石灰畜實際溫度值， 所述的參考軌跡為設定的石灰畜內溫度值的變化序列；
[0010] 所述的模糊控制器的輸入信號為系統(tǒng)誤差e W及誤差的變化率ec，然后經(jīng)過模糊 推理和決策得到燃料控制量U，建立石灰畜溫度控制模糊規(guī)則；
[0011] 所述的燃料閥獲取模糊控制器輸出的燃料控制量U對閥口開度進行調節(jié)并將實 際燃料流量值輸出；
[0012] 所述的石灰畜控制裝置包括溫度感應系統(tǒng)和石灰畜加熱系統(tǒng)，溫度感應系統(tǒng)負責 監(jiān)測石灰畜內的溫度變化并將實際溫度值輸出給反饋模塊和校正模塊，石灰畜加熱系統(tǒng)負 責對燃料的加熱燃燒；
[0013] 所述的預測模塊獲取實際的燃料流量值，啟動內置的預測模型計算石灰畜內的溫 度，將計算的溫度預測值輸出；
[0014] 所述的反饋模塊同時獲取預測模塊計算的溫度預測值和石灰畜內溫度感應系統(tǒng) 檢測的實際溫度值，當溫度預測值與實際溫度值存在偏差時，反饋模塊進行在線反饋校正 并輸出校正后的預測值；
[0015] 所述的校正模塊在溫度預測值與實際溫度值的偏差始終沒有減小的趨勢時啟動 自校正算法對預測模塊的模型參數(shù)進行校正并將校正值輸出給預測模塊。
[0016] 上述的一種石灰畜燃燒過程的模糊預測控制系統(tǒng)的控制方法，其步驟為：
[0017] (1)在參考信息輸入模塊中設置參考軌跡，同時采集石灰畜實際溫度值，參考信息 輸入模塊計算石灰畜實際溫度值和參考軌跡中設定的溫度值之間的誤差；反饋模塊同時接 收預測模塊計算的溫度預測值和石灰畜內溫度感應系統(tǒng)檢測的實際溫度值，當溫度預測值 與實際溫度值存在偏差時，反饋模塊進行在線反饋校正并輸出校正后的預測值，系統(tǒng)根據(jù) 參考軌跡中設定的溫度值和校正后的預測值計算系統(tǒng)誤差e W及誤差的變化率ec ;
[0018] (2)模糊控制器接收步驟（1)中輸出的系統(tǒng)誤差e W及誤差的變化率ec進行模糊 推理和決策得到燃料控制量U，建立石灰畜溫度控制模糊規(guī)則，所述模糊控制器內依次進行 模糊化、模糊推理、反模糊化和模糊決策運算，然后模糊輸出，模糊化是將得到的非模糊值 輸入信號經(jīng)轉換為模糊值信號；模糊推理是將實際操作控制過程轉化成模糊條件語句；模 糊決策是通過加權平均法從得到的模糊集合中取一個最能代表該個模糊推理結果的精確 值；模糊輸出是根據(jù)滿足輸入條件的程度和系統(tǒng)的控制規(guī)則通過模糊推理而得到的，再經(jīng) 過反模糊化轉化為非模糊值從而用于系統(tǒng)控制，該里模糊集合有S個，分別是e，ec，U的模 糊集合，其中e的模糊集合，就是將誤差e分為7個等級，誤差變化率ec的模糊集合就是將 ec分為7個等級，U的模糊集合就是將U分為若干個等級；
[001引 做燃料閥接收步驟（2)中輸出的燃料控制量U對燃料閥的閥口開度進行調節(jié)將 燃料輸送給石灰畜，同時輸出實際的燃料流量值；
[0020] (4)石灰畜控制裝置中的加熱系統(tǒng)接收燃料閥輸送的燃料進行加熱燃燒，石灰畜 控制裝置中的溫度感應系統(tǒng)感應石灰畜內的實際溫度，并將實際溫度值輸出；
[0021] (5)預測模塊接收燃料閥輸出的實際燃料流量值啟動內置的預測模型計算預測石 灰畜內的溫度并將溫度預測值傳輸給反饋模塊；
[0022] 做當溫度預測值與實際溫度值的偏差始終沒有減小的趨勢時校正模塊啟動自校 正算法對預測模塊的模型參數(shù)進行校正并將校正值輸出給預測模塊；
[0023] (7)預測模塊接收校正后的模型參數(shù)后，啟用校正后的預測模型計算預測石灰畜 內的溫度并將預測溫度值傳輸給反饋模塊。
[0024] 優(yōu)選地，所述模糊控制器內依次進行模糊化、模糊推理、反模糊化和模糊決策運 算，然后模糊輸出。
[0025] 優(yōu)選地，系統(tǒng)誤差e的模糊語言值包括；NB-最小范圍、NM一中小范圍、NS-偏小 范圍、NO-負零范圍、P0-正零范圍JS-偏大范圍、PM-中大范圍JB-最大范圍；誤差的 變化率ec和燃料控制量U的模糊語言值均包括；NB-最小范圍、NM-中小范圍、NS-偏小 范圍、Z0-零范圍JS-偏大范圍、PM-中大范圍JB-最大范圍。
[0026] 優(yōu)選地，所述的石灰畜溫度控制模糊規(guī)則如表1所示：
[0027] 表1石灰畜溫度控制模糊規(guī)則表
[0028]
[0029] e是參考信息輸入模塊的輸出值和反饋模塊的輸出值二者之間的差值，參考信息 輸入模塊的輸出值為設定的溫度值，反饋模塊的作用是使預測模塊的輸出接近實際的輸 出，ec為偏差的變化率，根據(jù)采樣值計算出來的誤差值e后，在對e進行對時間取極限得出。
[0030] 所述的石灰畜溫度控制模糊規(guī)則表中的模糊語句為：
[0031] If e 二 NB and ec 二NB then U 二Z0 ;
[0032] If e 二 NB and ec 二NM then u 二ZO ;