冶炼厂烧结原料水分的论域自调整模糊控制

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ｕ＊ ｅｃ＊ ｅ＊
３
结束语
模糊控制规则表
ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＳ ＺＥ
ＮＭ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＳ ＺＥ ＰＳ
ＮＳ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＳ ＺＥ ＰＳ ＰＳ
ＺＥ ＮＭ ＮＳ ＮＳ ＺＥ ＰＳ ＰＳ ＮＭ
ＰＳ ＮＳ ＮＳ ＺＥ ＰＳ ＰＳ ＮＭ ＮＭ
ＰＭ ＮＳ ＺＥ ＰＳ ＰＳ ＮＭ ＮＭ ＰＢ
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图 １ !"#$%&’()*+,论域自调整模糊控制器
２．２
１
水分的论域自调整模糊控制原理
确定各输入 ， 输出的变化范围及其对应语言变量的论域元素 和量化因子、 比例因子 系统输入输出实际变化范 围 ｅ 、 ｅｃ 、 ｕ 是根据系统的实际情况 设定的 ， 元素整数论域根据需要设定。设偏差 ｅ 和偏差变化 ｅｃ 及 输出控制量 ｕ 的实际论域分别为 ［－ Ｅｅ， Ｅｅｃ］， ［－ Ｅｅｃ， Ｅｅｃ］和 ［－ Ｅｕ， Ｅｕ］， 分 别 用 Ｕｅ 、 Ｕｅｃ、 Ｕｕ 表 示 ； 其 初 始 论 域 分 别 为 ［－ Ｅｅｏ， Ｅｅｏ］、 ［－ Ｅｅｃｏ， Ｅｅｃｏ］、 ［－ Ｅｕｏ， Ｅｕｏ］， 分别用 Ｕｅｏ、 Ｕｅｃｏ、 Ｕｕｏ 表示。设 ｅ 、 ｅｃ 、 ｕ 的元素初始整数论 域范围均为 ： ｛－ ６ ， － ５ ， － ４ ， － ３ ， － ２ ， － １ ， ０ ， １ ， ２ ， ３ ， ４ ， ５ ， ６｝。 偏差 ｅ ， 偏差变化 ｅｃ 和控制量 ｕ 的论域伸缩因子分别是 ：
甘肃科技纵横
工业科技
２００６ 年 （ 第 ３５ 卷 ） 第 ２ 期
冶炼厂烧结原料水分的论域自调整模糊控制
王
（ １．兰州交通大学
衎 １， 张友鹏 １， 张
彪２
信息与电气工程学院 ， 甘肃 兰州 ７３００７０ ； ２． 兰州物理研究所 ， 甘肃 兰州 ７３００００）
ｅ＝Ｒ－ Ｙ 及其偏差变化 ｅｃ 作为输入语言变量 ， 烧结料加水阀门的 电流控制量 ｕ 作为输出语言变量 ， 这样设计的模糊控制器是双输
Ｕｅｏ、Ｕｅｃｏ、 Ｕｕｏ 的隶属函数表
ｅ＊ 、 ｅｃ＊ 、 ｕ＊ 的论域
－６ ０ ０ ０ ０ ０ ０
－５
－４ ０ ０ ０ ０ ０ ０
－３ ０
－２ ０ ０ ０ ０ ０ ０
－１ ０ ０
０ ０ ０ ０ ０ ０ ０
１ ０ ０ ０
２ ０ ０ ０ ０ ０ ０
ＮＢ ＮＭ
模 糊 集 合
１．０ ０．５ ０ ０ ０ ０ ０
０．５ １．０ ０．５ ０ ０ ０ ０
ＮＳ ＺＥ ＰＳ ＰＭ ＰＢ
０．５ １．０ ０．５ ０ ０ ０
０．５ １．０ ０．５ ０ ０
０．５ １．０ ０．５ ０
０．５ １．０ ０．５
Ｒ１＝（ＮＢ）ｅ× （ＮＢ）ｅｃ× （ＮＢ）ｕ Ｒ２＝（ＮＢ）ｅ × （ＮＭ）ｅｃ × （ＮＢ）ｕ 将 ４９ 条规则各自的模糊关系进行合并运算 ， 可以得到总的 关系矩阵。 已知模糊关系 ， 采用加权平均法模糊判决 ： 即 ｕ＊＝∑ｋｉ ・ ｘｉ ／ ∑ｋｉ 式中 ， 系数 ｋ 选择根据实际情况而定 ， ｘｉ 表示输出变量
# #
２
２
１／２
ｅ＜０，ｅｃ＜０，ａｅ 与 ａｅｃ 相当
其它
根据论域伸缩因子 ， 调整得到 ｅ 、 ｅｃ 、 ｕ 的实时论域 ： ・ ・ ・ Ｅｅ＝Ｅｅｏ ａｅ Ｅｅｃ＝Ｅｅｃｏ ａｅｃ Ｅｕ＝Ｅｕｏ ａｕ 调整 ｋｅ、 ｋｅｏ、 ｋｕ： ｋｅ＝ Ｎｍａｘ ／ Ｅｅ ｋｅｃ＝Ｎｍａｘ ／ Ｅｅｃ ｋｕ＝Ｅｕ ／ Ｎｍａｘ 其中推理论域的最大值用 Ｎｍａｘ 表示 ， 即 Ｎｍａｘ＝６ 。 量化 ｅ 和 ｅｃ ： ｅ＊ ＝ ｋ・ ・ ｅｃ＊ ＝ ｋｅｃ ｅｃ ｅ ｅ
入单输出的。
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摘要 ： 设计了冶炼厂烧结原料水分控制的论域自调整模糊控 制器 ， 使系统通过不断的平滑调节论域范围和量化因子及比例因 子， 实现在系统处于死区时量化因子显著增加， 使控制器的输出 摆脱死区范围和细化控制等级， 在系统偏差大时能快速调节输 出。 关键词 ： 水分控制 模糊控制 伸缩因子 控制规则
０
引言
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铅锌冶炼厂烧结原料的混合作业是烧结生产上的一道重要 工序 ， 也是烧结前原料准备的最后一道工序 。 烧 结 料 的 加 水 ， 润 湿的好坏直接关系到料层的透气性和烧结生产能力。 水分加入分 两个阶段进行 ， 一次混合加入一定量的水分 （ 约占总水分 ７０％－ ８０％ ） ， 二次混合需要加入适当的水分 ， 以达 到 烧 结 原 料 所 需 的 含 水量。 由于烧结原料中水分波动很大且不可预测以及对水分测量 的滞后和影响生产流程的因素很多 ， 无法建立起对水分控制的精 确数学模型。 长期以来 ， 用人工直观判断进行水分调节 ， 在控制精 度上有很大波动 ， 难以满足生产需要。 为了进一步稳定操作工艺、 优化技术参数、 提高产品质量， 将模糊控制引入到冶炼厂原料水 分控制系统中 ， 使系统具有一定的自适应能力和很好的鲁棒性及 稳定性。本文基于这一工程背景 ， 介绍论域自调整模糊控制方法 在水分控制系统中的应用。
模糊子集的加权值。最后再依据实际操作经验作适当的调整 ， 得 到总的模糊控制查询表。 上述的过程和公式编制成一个相应的计 算程序， 离线生成的模糊控制表作为控制查询表来实现模糊控 制。
０．５ １．０
模糊聚类分析方法由控制器已有的输入输出样本中自动提取。 确 定一个模糊控制规则的原则是必须使系统输出响应的动态特性 为最佳。首先 ， 根据线性设计方法获取初步控制规则 ； 然后 ， 考虑 实际经验及现场情况对上述控制规则作适当修改。 因为这是一个 双输入单输出的模糊控制器 ， 其规划形式为 ： Ｒｉ： ｉｆ ｅ＊ 是 Ａｉ ａｎｄ ｅｃ＊ 是 Ｂｉ 则 ｕ＊ 是 Ｃｉ 其 中 ， Ｒｉ 表 示 第 ｉ 条 规 则 ， ｅ＊ 和 ｅｃ＊ 分 别 代 表 水 分 偏 差 和 水 分 偏 差 变 化 的 语 言 变 量 ， ｕ＊ 为 输 出 量 的 语言变量。它们的语言值在相应论域中的模糊子集分别为 Ａｉ， Ｂｉ 和 Ｃｉ。因为模糊输入量水分偏差和偏差变化均有 ７ 个标称 ， 所以 组合后的总规则数为 ４９ 个 ， 由此构成一个模糊逻辑控制规则知 识库 ， 这些规则生成模糊控制规则表 ， 如表 ２ 所示。 表２
系统采用论域自调整的模糊控制方法的原因是在水分偏差 大时用固定论域控制可以实现快速调节。 但当系统进入相对理想 的状态后， 水分偏差和偏差变化会很小， 且可能保持某一定值不 变， 这样不仅使系统产生稳态误差， 而且对于这种惯性大的系统 不能实现精度控制。采用自调整论域的方法可以实现偏差、 偏差 变化及控制量的论域随偏差、 偏差变化而变化， 实现系统的高精 度控制。其控制原理如下 ： 系统根据实时输入的偏差和偏差变化 计算论域伸缩因子 ， 当偏差较小时论域伸缩因子相应的变小 ， 调 整偏差、 偏差变化及输出量的论域。其实质是不断调节量化因子 和比例因子， 使量化因子变大， 使系统处于死区的较小误差能够 被量化因子放大， 便于系统分辨和控制， 同时比例因子相应的减 小 ， 从而使经过模糊推理后的值被解模糊后和比例因子相乘得到 控制精度 的控制量； 当偏差较大时， 偏差和偏差变化及输 “很 细 ” 比例因子变大 ， 实现系统 出量的论域增大 ， 从而使量化因子变小、 及时、 稳定的调整。论域自调整控制的实质是通过缩放量化因子 使输入的变化量都能被量化到被控制规则所辨识和控制输出 ， 改 善了普通模糊控制器难以实现的控制精度和解决了系统的死区 问题。在整个控制过程中模糊推理机制不变 ， 其模糊控制规则表 和模糊控制表都是固化在计算机的内存中供在线查询。 系统通过 计算论域伸缩因子实现量化因子和比例因子的平滑调整 ， 消除了 分档处理量化因子给系统带来的震荡干扰。其原理图如图 １ 所 示。
确定模糊集的隶属函数和语言变量的模糊子集 常用的隶属函数形状有凸型 ， 正态型 ， 梯型 ， 三角型等。为方 便这里采用三角型。根据元素论域范围和模糊子集语言值的设 定 ， 考虑到模糊子集语言值对元素整数论域范围的覆盖程度 ， 既 要使隶属函数所包含的元素论域不能太宽或太窄 ， 也要使相邻的 模糊子集有交集。本文为了加强对系统的控制， 取交叠系数为 １。 对 ｅ、 ｅｃ 的初始论域 Ｕ 、 Ｕ 各 自 定 义 ７ 个 模 糊 集 合 ： ＰＢ （正 的 大 水 分 偏 差 ／ 偏 差 变 化 ）； ＰＭ（正 的 中 水 分 偏 差 ／ 偏 差 变 化 ）； ＰＳ（正 的 小水分偏差 ／偏差变化 ）； ＺＥ（正 的 零 水 分 偏 差 ／偏 差 变 化 ）， ＮＳ（负 的 小水分偏差 ／偏差变化 ）， ＮＭ（负的中 水 分 偏 差 ／ 偏 差 变 化 ）， ＮＢ（负 的 大水分偏差 ／偏差变化 ）； 设输出 变 量 ｕ 的 初 始 论 域 Ｕ 有 ７ 个 模 糊 集合 ： ＰＢ（水阀全开 ）， ＰＭ（水阀多半开 ）， ＰＳ（水阀大半开 ）， ＺＥ（水阀半 开 ）， ＮＳ（水阀小开 ）， ＮＭ（水 阀 微 开 ）， ＮＢ（水 阀 全 闭 ）。 其 隶 属 函 数 如 表 １ 所示。 ２．４ 确定模糊控制规则 设计模糊控制器的核心是模糊规则集的建立。 建立模糊规则 集一般是根据工艺操作人员的经验， 抽取相应的模糊规则， 或用
ａｅ＝１－ λ ｅｘｐ［－ ｋ（ｅ／Ｅｅｏ）２］ ａｅｏ＝１－ λ ｅｘｐ［－ ｋ（ｅｃ／Ｅｅｃｏ） ２］ 其中 λ为最小论域的取值范围 ， 一般取 λ ＝０．９５ ， λ反 映 了 系 统的控制精度 ， ｋ 为常系数 ， 根据系统的实际情况而定 ａｅ＞＞ａｅｃ ａｅ ! ａｕ＝" ［ （ ａｅ ＋ａｅｃ）／２ ］ （ａｅ＋ａｅｃ）／２ $