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模模糊糊控控制制及及其其应应用用------模糊自寻优控制器在退火炉燃烧过程控制中的应用学院：资源环境与化工学院专业：流体机械及工程姓名：尹国庆学号：407412915063一、概述目前，冶金行业面临巨大挑战，市场日趋饱和，加工性能要求不断提高，促使该行业从整个生产过程中增加投资回报率，其中降低退火工序的能耗是提高投资回报率的重要一环。燃油退火炉控制系统是一个非线性、时变、有噪声干扰和纯滞后的系统。对燃油退火炉燃烧过程的控制，首先要克服上述因素的影响，实现较精确的温度和压力控制，并在此基础上寻求最佳的燃烧过程，提高热效率，以达到节约能源的目的。对于油/风比的控制，常用的做法是根据烟道废气中的残氧量来进行油/风比的校正。实践证明,这种方法由于受多种条件限制，效果不够理想。为了解决这一问题，本文提出了一种新的控制技术，利用热效率与油/风比之间的峰值特性，采用自寻优控制，自动搜索最佳油/风比。数字仿真表明，该方法可以加快搜索过程，提高搜索质量，对不可控因素的干扰具有较好的自适应能力。二、模糊控制系统总体设计对退火炉燃烧过程的控制，要求维持稳定的温度以保证钢材退火质量。最佳燃烧过程取决于燃料和空气的比例。根据统计分析，燃烧过程中空气过剩率μ=1.02～1.10时热效率最高。在燃烧过程中，控制系统应当通过控制燃油和空气的比例来保持最佳的燃烧状态。此外，炉膛内的压力是随工作情况而变化，而炉压又影响炉温，因此，要维持稳定的炉温,还需对炉膛内的压力进行调节。保持适当的炉膛压力，以提高热效率，延长窑炉的寿命。综上所述，要保证退火温度，实现最佳燃烧过程，控制系统应包括以下三个组成部分：①温度-燃油/空气流量调节回路；②燃油/空气最佳比例调节回路；③炉膛压力调节回路。采用自寻优模糊控制器的退火炉燃烧过程控制系统如图1所示。图中FPC为炉压模糊控制器；FTC为温度模糊控制器,它根据温度信号对油量和风量进行调节；FAC为油/风比模糊控制自寻优控制器，它不断发出试探信号，通过对燃油量的测量，搜索最佳油/风比。燃料/空气控制采用并行结构。图1退火炉模糊控制系统图三、炉温、炉压模糊控制器设计炉温和炉压控制回路中的模糊控制器原理图见图2。图中e和e为误差和误差变化，模糊控制采用常用的控制形式,加以适当的人工修正。图2模糊控制器上述模糊控制器有4个可调参数，即量化因子K1，K2，比例系数KP和积分系数KI。增大K1、K2，可以提高系统对误差及其变化的分辨率，使控制精度提高，但K1、K2太大不利于系统的稳定性。增大KP或KI均能加快响应速度，但可能引起振荡。根据实际调整的经验,可取K1≈K2,KP=(2～3)KI。当K1、K2取值较大时,应适当减少KP、KI。若采样周期较长，则KP、KI可选得大一些。控制表的输出要经过一个输出环节转换为实际控制量，再加到被控对象上进行控制。本系统采用比例与积分二者相结合的输出结构，具有超高小，暂态时间短的优点。3、油/风比模糊自寻优控制器设计退火炉的油耗量与油/风比之间存在极值关系。这种极值关系受燃料热值变化及油嘴变化的影响，会产生漂移。可以用最小耗油量为指标，对油/风比进行自寻优控制。通常的步进或自寻优的步长是固定的。为了提高搜索速度，减小搜索损失，可以采用变步长的方法。在离极值点较远处，曲线较陡处，选用大步长，而在极值点附近,曲线平缓处，采用小步长进行搜索。通过模糊逻辑判断可以实现步长的自动改变。应用模糊集合理论设计的模糊自寻优控制器如图3所示，它以耗油量为指标，寻找最佳的油/风比。在每个采样周期测量油耗量Δy，根据Δy和上一周期寻优步长决定本次寻优步长。ΔY和ΔX分别是耗油增量和步长的模糊语言变量。Ky为Δy的量化因子，Kx为比例因子，它把ΔX转换为步长的实际值。选择ΔY、ΔX分别为包含8个和6个语言变量的模糊子集如下:ΔY={NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}ΔX={NB，NM，NS，PS，PM，PB}ΔY和ΔX论域分别规定为14和12个等级,即:Ya={-6，-5，-0，+0，…，+5，+6}Xa={-6，-5，-1，+1，…，+5，+6}图3模糊自寻优控制器自寻优搜索过程的控制规则见表1，其中ΔXt-1为上一周期寻优步长，ΔXt为本次寻优步长。表1人工修正后的模糊控制表给定ΔY和ΔX隶属度赋值表，应用模糊推理合成规则，计算出自寻优控制表，再加上人工修正,可得自寻优控制表2。增加Ky和Kx，可以提高搜索速度，Kx的值还会影响搜索损失，故可根据对收敛速度的要求选择Ky，而根据对搜索损失的要求选择Kx。在实际应用中，为了保证油/风自寻优过程的稳定性，加入了一个停步环节。若由于干扰使炉温出现较大波动时，暂停搜索,以避免出现误动作。自寻优控制是一种稳态最优比控制，其采样频率应低于对象固定频率的2～5倍。因此，油/风自寻优的采样周期应为温度采样周期的2～5倍。本系统选取自寻优采样周期为3min，即为温度调节回路采样周期的3倍。四、应用效果与结论燃油退火炉的手动控制和采用模糊控制系统后的温度记录曲线见图4，采用模糊控制时,升温跟踪误差在±40℃以内，保温段精度可达20℃。炉压给定为133.3Pa(1mmH2O)，控制精度为±266.6Pa(0.2mmH2O)。图4退火炉的温度曲线油/风比自寻优控制收敛速度很快，一般经过6～8个采样周期即可达到最佳值。据初步估计，在保温阶段，采用模糊控制比手动控制可节能12%，经济效益可观。整个系统运行稳定，没有振荡，在温度控制回路加入一20%的阶跃干扰时，温度最大落差为-100，恢复时间约为10个采样周期。仿真结果表明，利用热效率与油/风比之间的峰值特性设计的自寻优控制器达到了良好的效果。