基于现场总路线的模糊控制系统

Profibus-PA现场总线专为过程自动化而设计，标准的本质安全的传输技术，实现了IECl158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合即总线供电的站点。应用模糊控制技术与ProfHbus-PA现场总线，过程测控控制系统的实现大为简化，并具有智能化、网络化等特点，本文将模糊控制技术与现场总线相结合设计了水泥回转窑温度智能测控系统。

一、干法回转窑智能模糊控制系统设计

1.1 干法回转窑工况分析

新型干法水泥生产过程中，预分解回转窑具有大惯性、纯滞后、非线性等特点。根据生产工况分析，回转窑烧成带温度和窑尾废气温度是影响水泥熟料质量的关键因素，因而这两个温度的稳定，能保持回转窑具有好的烧成质量和节能效果，同时对回转窑热工稳定和稳定运行都很重要，因此将烧成带温度和窑尾废气温度作为受控变量，而将影响烧成带温度和窑尾废气温度的回转窑速度、喂煤量作为控制变量。通过调整回转窑的拖动电机转速、给煤电机转速和喂料电机转速来调整给煤量和喂料量。由于回转窑难以建立精确的数学模型，采用传统的PID控制策略凹难以获得满意的控制品质。本文采用模糊控制器实现对烧成带温度和窑尾废气温度的控制。

1.2 回转窑模糊控制器设计

设烧成带温度和尾气温度分别用BT与GT表示，并把BT和GT作为被控制量，用ks、CS和MS分别表示窑主电机转速、喂料电机转速和喂煤电机转速并作为控制量。其中生料下料量与窑速、排风量与喂煤量在锻烧过程中均保持一定比例关系，图1为回转窑温度控制框图。　　

1.2.1 被控制量与控制量模糊化

被控制量BT对应的语言值模糊子集选取为{VL，LL，L，N，H，LH，VH}其中VL=太低;LL=较低;L=低;N=正常设定;H=高;LH=较高;VH=太高，并确定BT整数论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。被控制量GT对应的语言值模糊子集选取为{VL，L，N，H，VH}，其中VL=太低;L=低;N=正常设定;H=高;VH=太高，并确定GT整数论域为{-2，-1，0，1，2}。

控制量KS对应的语言值模糊子集选取为{NM，NS，M，PS，PM}，其中NM=较低速;NS=低速(稍慢);M=中速;PS=高速(稍快);PM=较高速;并确定KS的整数论域为{-2,-1，0，1，2}。控制量CS对应的语言值模糊子集选取为{NM,NS,MK,PS,PM}，其中NM=较低速;NS=低速(稍慢);MK=中速保持;PS=高速(稍快);PM=较高速，确定CS的整数论域为{-2,-1，0，1，2}。控制量MS对应的语言值模糊子集选取为{NS,MK,pS}，其中NS=低速(稍慢);MK=保持;

PS=高速(稍快);确定MS的整数论域为{-1，O，1}。

1.2.2 模糊规则库建立

对被控量BT、GT的变化量eBT和eGT进行采样(通过A/D转换)，同时对窑转速KS、喂料电机转速CS和喂煤电机转速MS进行采样，得到系统的几组输入输出数据对，采用三角形模糊器和直接合成推理法建立模糊规则库。

根据回转窑的工况要求和实际生产经验，建立被控制量烧成带温度BT、窑尾温度GT与控制量回转窑主电机转速朋的模糊控制规则如表1所示。　　

烧成带温度BT、窑尾温度GT与控制量喂料电机转速CS、喂煤电机转速MS的模糊控制规则表可用同样方法建立。

由表1可得IF BT是VL，且GT是VL，则KS为NM等模糊控制规则，结合模糊规则表可得模糊控制矩阵{Cij}。

采用组合推理，先求得模糊关系矩阵:　　

式中：Rij=Ai×Bj。

通过模糊关系矩阵计算输出模糊控制量矩阵

C*=(A*×B*)ToR (2)

式中:"o"表示模糊矩阵的最大，即代数积合成运算。将上述过程编成程序，通过计算机求解控制器输出C*的隶属度;同样可求得D*和E*的隶属度。

1.2.3 解模糊

解模糊就是求出每一个模糊量输出的精确值，即对模糊控制信号的隶属函数图形进行解模糊处理。在此采用质量中心法COG(center of gravity)，结合加权平均，计算模糊输出量C*的精确值，其求解方法为:　　

由上式可分别计算得到对输入论域中不同离散值的精确输出控制量。

二、基于ProHbus-PA回转窑温度控制实现

2.l Profibus-PA总线硬件设计

2.1.1 总线通信接口电路

通信接口电路采用SIEMENS专用芯片SPC4和SIMl芯片实现，SPC4集成了ProfibuS-DP和PA的全部协议，SPC4可处理报文、地址码及备份数据序列，可完全按照协议，完成Profibus-PA网络上的数据通信。SIMl(SIEMENS IEC Hl介质连接单元)芯片与IEC Hl即Proflbus-PA信号兼容，作为SPC4的扩展芯片使用。Profibus-PA总线接口电路如图2所示。　　

2.1.2 温度控制与Profibus-PA总线通信接口电路

温度检测电路由红外光电传感器、放大器、A/D转换器(D/A转换器)、AT90S8515微处理器、LCD显示器、报警电路等组成。红外光电传感器把水泥窑胴体表面温度转换为mV电压信号，通过放大电路放大后输出。红外光电传感器检