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水泥回转窑模糊控制器骨架的系统开发

【河北水泥网】  【时间:2011-07-27】  【关闭本页】  【打印本页[字体:字体颜色]
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  实践表明,采用模糊控制策略可以有效实现水泥生产过程的优化控制。而针对不同工序的各种被控参数,其实用模糊控制器的程序开发存在大量的重复性工作。因此,建立相应的模糊控制骨架系统可以极大地提高模糊控制器的开发效率。本文研究了模糊控制器骨架系统的体系结构及其各功能模块的实现方法;并应用该骨架系统 生成了新型干法水泥生产中分解炉温度控制的模糊控制器。

  新型干法水泥生产是一个复杂的理化反应过程,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点。由于系统工况复杂多变,难以得到精确的数学模型,适合采用模糊控制策略进行优化控制。模糊控制是基于模糊数学理论中模糊集、模糊逻辑的概念,模拟人类大脑思维方式和专家的控制经验,与控制理论相结合,对无法或难以建立对象数学模型的复杂系统实施的一种智能控制方法。模糊控制在水泥工业窑炉控制领域已取得了一定的成功。目前国内外的研究主要集中于针对某一具体工序的具体被控对象来开发模糊控制器,当被控对象改变时,模糊控制器就需要重新设计,其中大量的程序开发工作都是重复性的,不但加大了技术投资,耗费时间,且出错率也随之增加。科学与工程计算软件MATLAB中提供了模糊推理系统工具箱(Fuzzy Inference Systems Toolbox),其集成度高,内容丰富,基本涵盖了模糊集合理论的各个方面。但它主要适用于控制器设计的仿真分析研究,要应用于实际水泥工业生产控制,还需要由专业人员为之编写相应的接口程序。因此,研究开发可生成实用模糊控制器的模糊控制骨架系统也就具有重要的实际意义。

  1 骨架系统体系结构

  骨架系统由模糊推理子系统(Fuzzy Inference Subsystem,FISS)和模糊控制器生成子系统(Fuzzy Controller Generating Subsystem,FCGSS)两大部分组成。FISS为模糊推理系统设计及控制查询表的生成提供了便捷平台;FCGSS则构造了实用模糊控制器的基本骨架模型,并为控制器的生成提供平台支持。其体系结构如图1所示。

  骨架系统通过隶属函数编辑与模糊规则编辑过程获得模糊推理系统的知识库———包括由隶属度函数等信息构成的数据库与模糊规则组成的规则库。结合知识库完成模糊推理运算,生成控制查询表并进行系统仿真,若获得满意的效果则生成信息文件。经模糊控制器功能模块的组装与界面生成后,导入基本信息与控制查询表,最终生成模糊控制器可执行程序。其工作流程如图2所示。

  2 模糊控制器生成子系统(FCGSS)

  2.1 生成原理

  生成模糊控制器是骨架系统的主要功能之一,也是其最终目的。与VC等可视化程序开发工具生成程序的编译机理不同,由于生成的模糊控制器程序具有基本一致的体系框架,因此可以采取框架复制的生成方式。基本原理是:构造通用的控制器程序作为标准骨架模型,模型预留了读取系统所需基本信息及模糊控制查询表内容的接口;针对具体被控对象的控制器程序的生成,其实质为对该骨架模型的复制,并辅以相关信息文件的加载。原理如图3所示。

  所谓的标准骨架模型,是按照模糊控制器所需的采样、模糊化、模糊推理、解模糊、执行输出等功能开发的通用模糊控制器程序。通用的意义在于它没有纳入被控对象的任何具体信息。在模糊控制器生成功能被激发时,骨架模型连同配套信息文件被复制到用户指定的磁盘目标地址。信息文件由FISS生成,包含了模糊控制器的名称、各变量名、类型、论域及查询表内容等信息。将加载了信息文件的标准控制器骨架模型转化为可执行程序,便得到了针对具体被控对象的模糊控制器。

  这种设计方案的突出优点是具有较好的性能扩展性。骨架模型与信息文件的分离,当控制器的性能需要改进,或者需要加入其它的智能控制措施时,只需要对模型作相应的修改,并替代原模型即可。

  2.2 骨架模型构造

  骨架模型完成包括模糊控制器界面生成、信息接口、控制表查询运算、数据采集与控制量输出等各个功能模块的构造。

  (1)界面生成与信息接口

  一个实用模糊控制器的人机界面主要包括控制器基本参数设置、命令按钮、实时监视器、失控预警、人机切换及历史数据查询等组成部分。界面设计以实用易用为原则,兼顾标准化、人性化及简洁美观等要求。

  骨架模型需要预留接收来自模糊推理子系统(FISS)包括变量、参数、隶属函数、规则、查询表等信息的接口,因为在控制器生成时,从骨架模型到具体控制器的实现是通过对上述信息的加载来完成的。骨架系统以信息文件(SysInfo)的方式,实现FISS与FCGSS之间的信息交互。SysInfo由FISS构造,包含基本信息表与控制查询表两大部分。

  (2)控制表查询运算

  控制表查询运算是基于输入变量的量化值进行的。系统对输入变量值作量化操作,量化比例因子、基本论域、量化论域等参数通过信息接口自FISS导入。查表操作实际表现为对二维表数组的搜索定位过程,由于不再涉及复杂的矩阵运算,因此速度快,能充分满足实时控制的要求。

  (3)数据采集与控制量输出

  模糊控制器的输入、输出功能,分别由数据采集模块和控制量输出模块完成。控制表查询所得结果需经过反量化操作转化为实际的精确控制量。

  模糊控制器生成子系统FCGSS在内部完成了对骨架模型的构造,搭建了模糊控制器的基本框架,通过调用SysInfo信息文件加载控制查询表与基本系统信息,生成针对具体被控对象的实用模糊控制器。

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