模糊控制及其在冶金行业中的应用研究.pdf

2盖 山 西 冶 金 S H A N X I M E IIA L 叫 R G Y T o ta l 1 3 3 N o ．5 。 2 0 1 l 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 1 0 5 - 0 0 4 2 - 0 3 模糊控制及其在冶金行业中的应用研究 顾秀萍 山西工程职业技术学院， 山西太原0 3 0 0 0 9 摘要 通过讨论模糊控制的结构、 特点和它在冶金行业中的应用， 并利用 MAT L A B的专用工具箱进行 了仿真 研究， 指出将模糊控制应用于冶金行业是实现降低能耗、 提高控制质量的一个有效途径。 关键词 模糊控制应用 冶金行业仿真 中图分类号 T P 2 7 3 ． 1 文献标识码 B 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 8 模糊控制是智能控制领域十分活跃的一个研究 方向。以模仿人脑思维方式为基础的模糊控制不需 要受控对象的精确数学模型，借助于领域专家或操 作人员的经验即可达到较好的控制效果，因此在许 多领域得到日益广泛的应用。 近年来， 随着计算机技 术和人工智能理论的飞速发展，为钢铁工业的智能 化提供了先进的科学技术手段。大批专家学者和工 程技术人员为了将模糊控制等智能控制技术的研究 成果， 推广应用在轧钢炉窑的过程控制中， 做了大量 有益的尝试， 取得了不少的成果。 从烧选到轧钢各工 序以至能源、 计划、 运输、 管理等均有成功使用模糊 控制技术的报道。研究模糊控制及其在冶金行业中 的应用具有重要的现实意义。 1 模糊控制概述 人类的生存环境， 基本上是一个模糊环境。 人类 思维的特点具有 “ 模糊性” ， 人类使用的自 然语言具 有模糊性。 例如， 温度的 “ 高” 和 “ 低” ， 压力的“ 大” 和 “ 小” 等都是模糊概念。 研究模糊性的理论就称为 模糊理论。1 9 6 5 年， 美国的控制理论专家、 加州大学 的L A 。 Z a d e h 教授发表了著名的论文 F u z z y S e t ， 提出了模糊集合的概念， 标志着模糊理论的诞生。 短 短几十年，模糊数学无论在理论还是应用上都得到 了飞速的发展。 模糊控制是模糊数学在控制领域应用的成功范 例。 模糊控制的最大特征是， 能将操作者或专家的控 制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则 ， 然 后利用这些规则经过模糊推理得到合适的控制量去 控制系统。 因此， 模糊控制特别适用于数学模型未知 作者简介 顾秀萍 1 9 7 2 一 ， 女 ， 现于山西工程职业技术 学 院 电 气 系 任 教 ， 讲 师 。 T e l 1 3 9 3 5 1 3 4 2 0 7 ， E m a i l g u x p - 2 0 0 4 1 6 3 ． t o m 或不易建立的、复杂的、非线性系统的控制。1 9 7 4 年，美国的自动控制专家 M a m d a n i 教授首先把模糊 集理论应用于锅炉和蒸汽机的控制， 并得到成功。 这 一 开创性的工作标志着模糊控制工程的诞生。最基 本的模糊控制系统结构如图 1 所示[ 。 模糊控制器 ． 图 1 基本的模糊控 制系统结构 图 1中虚线框 内 的部分 就是模糊 控制 器 F C ， 它根据误差信号产生合适的控制作用， 输出 给被控对象。 一 般来说， 模糊控制器包括以下功能模块 模糊 化接口、 规则库、 模糊推理、 清晰化接口等部分。 1 模糊化。模糊化是将模糊控制器输入量的确 定值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语 言变量值均由对应的隶属函数来定义。 2 规则库。 规则库包含与过程操作有关的经验 型知识， 控制规则就是这些知识的描述。 规则库存放 的知识可以是用 “ I F P k 条件 T H E N C K 结论 ” 形式描述的一组规则，也可以是用矩阵表的形式给 出的规则。 3 模糊推理。以已知的规则库和输入变量为依 据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过 程叫作模糊推理。 4 清晰化。清晰化又称去模糊和反模糊。模糊 推理所得的结果是一个模糊集或者是它的隶属函 数， 不能直接用于作为控制量， 因而还必须做一次转 2 0 1 1 年第 5 期 顾秀萍 模糊控制及其在冶金行业 中的应用研究 换， 将模糊量转换为清晰的数字量。 与传统的控制方法相比，模糊控制具有的特点 是 适用于数学模型未知或不易建立的被控对象， 只 要求掌握操作人员或专家的控制经验和知识；模糊 控制是一种利用语言变量定性描述控制规则，从而 构成被控对象模糊模型的控制方法， 经典控制中， 系 统模型是用传递函数描述； 而在现代控制领域， 则用 状态方程来描述； 模糊控制系统的鲁棒性强， 尤其适 用于非线性、 时变、 滞后系统的控制。 2 模糊控制应用的仿真研究 加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设 备， 它在钢铁生产中占有十分重要的地位。 加热炉的 生产任务是将钢材进行加热处理来改善钢材的性 能， 并且在优质高产的前提下， 尽可能地降低燃料消 耗， 减少氧化烧损。 加热炉的操作水平直接影响产品 的质量 、 产量和生产消耗指标。 温度控制系统是加热炉自动控制系统的核心环 节 要求通过调节燃气阀门的开度 或输出电压等 控制量的大小 使炉内温度迅速达到给定的要求。 这个看似简单的过程具有明显的非线性特点，而且 模型不易建立， 若采用传统的控制方法难以获得满 意的控制效果。 但是， 借助于专家经验设计的模糊控 制器， 却可以很好地解决这个问题。 下面 ，利用 M A T L A B提供的模糊逻辑工具箱 F u z z y L o g i c T o o l b o x 进行加热炉温度模糊控制器 的设 ， 。 首先在 M A T L A B的命令状态下键入 f u z z y ， 就会 出现如图2 所示的模糊推理系统图形编辑器。该编 辑器用于设计和显示模糊推理系统的一些基本信息 与参数 ， 如推理系统的名称， 输入、 输出变量的个数 与名称， 模糊推理系统的类型， 解模糊方法等。各输 人情况如图 2所示。 图2 模糊推理系统图形编辑器 选择加热炉出口温度 Y 与给定值Y d 的偏差 e 及 其偏差变化率 e c 作为模糊控制器的输入变量， 选择 燃气阀门的开度 作为输出变量。 模糊化后， 对应的 模糊语言变量分别为 E ，E 和 。E和 E 的论域为 [一 6 ， 6 ] ， 的论域为 [ 一 7 ， 7 ] 。 E ，E c ， 的模糊子集均为 { N B ，N M ， N S ，Z O ，P S ， P M ， P B} ， 依次表示的物理意义为 { 负大 ， 负中， 负小， 零， 正小， 正中， 正大 } 。 基于操作者手动控制策略总结，得出一组由模 糊条件语句构成的控制规则，将这些条件语句加以 归纳，可建立加热炉出口温度控制规则的模糊控制 状态表 ， 见表 1 。 表 1 模糊控制规则表 E N B N M NS Z E P S P M P B N B P B P B P B P B P M Z E Z E N M P B P B P B P B P M Z E Z E N S P M P M P M P M Z E N S N S Z E P M P M P S Z E NS N M N M P S P S P S Z E N M N M N M N M P M Z E Z E N M N B N B N B NB PB Z E Z E NM NB NB NB NB 系统的决策部分选用 M a m d a n i 算法。 将系统的给定值加入周期性的方波信号进行仿 真， 结果如图 3 所示。 1 ． 8 1 ． 6 1 ．4 ．z 幕 1 O ． 8 0 ． 6 0．4 厂 ／ _ __ f ⋯ ⋯ ’ - J ， -_● 一 ， ， ， r ／ l l l 弋 i O 2 O 4 o 6 0 8 O l 0 o 时间／ s 图3 水位控制仿真波形 可以看到， 基于专家经验的模糊控制系统不需 要对象的数学模型，其输出即可以迅速地跟踪给定 值的变化， 具有很好的控制效果。 山西冶金 E ma i h v e i i n s x 1 26 ．C O rn 第 3 4 卷 3 模糊控制在冶金行业中的应用 近年来， 随着计算机技术和人工智能技术的飞速 发展， 为模糊控制应用予冶金行业提供了先进的科学 技术手段。从烧选到轧钢各工序以至能源、计划、 运 输、 管理等均有成功使用模糊控制技术的报道。 3 ． 1 国外冶金行业模糊控制技术的应用 在国外，将模糊控制技术应用于冶金行业的研 究较早 ， 应用范围也很广泛。无论在高炉、 炼钢、 连 铸、 轧钢系统， 还是原料、 生产计划调度过程， 都有模 糊控制技术应用的成功典范[ 4 】 。 高炉智能控制系统研发较早， 将模糊控制技术与 神经网络与专家系统结合， 构成复合智能系统， 可以 收到很好的控制效果。日 本的新 日 铁、 川崎、 神户、 住 友、 日 本钢管五大钢铁公司无一不建立高炉日常操作 和故障预测、 处理操作专家系统。其他国家在高炉智 能控制方面也做了大量工作， 如韩国浦项、 澳大利亚 B H P 、 法国S o B a c 等都开发应用了炉况预报和操作指 导专家系统。 高炉智能控制有效地支持了工艺操作水 平的提高， 保证了富氧喷煤， 降低了焦比能耗和铁水 硅含量， 并保持其稳定。同时也降低了异常炉况发生 概率， 提高了利用系数， 实现了高效长寿运行。 在连铸方面，法国S E R T 公司用模糊控制器与 P I D并联控制板坯连铸结晶器液位。 稳态时用 P I D 调 节， 当浸入水口 沉积物突然去除时， P I D调节需 1 0 m i n 才能恢复常态，此时应用模糊控制可减少恢复时间 8 O ％， 液位升高减少 4 ％。 轧钢方面，日 本新 日 铁名古屋钢铁厂开发了冷 轧板形神经网络模糊控制系统， 在 2 O 辊森吉米尔轧 机上 ， 用 B P神经 网络识别板形特征 ， 输入至模糊控 制系统， 推理出相应的控制指令， 实际应用中偏差平 均值减少 2 0 ％。 3 ．2 国内冶金行业模糊控制技术的应用 与先进国家相比，我国钢铁企业的冶炼水平还 有相当差距， 计算机控制水平较低， 虽然引进了一些 先进的控制系统和设备，但大部分计算机控制系统 仍然处在计算机过程控制的水平上， 甚至还有少数 设备由人工操作， 其产品质量和能耗与国外同行相 比相距甚远。因此， 应该大力研发、 应用适合我国情 况的冶金智能控制系统， 支持采用新的工艺技术， 提 高各项技术经济指标 ， 赶超国际新水平。我国于 2 0 世纪 7 0年代末、 8 0年代初也已开始了智能控制器 的研究工作。 近年来， 大批专家学者和工程技术人员 为了将模糊控制等智能控制技术的研究成果，推广 应用在轧钢炉窑的过程控制中，做了大量有益的尝 试 ， 取得了不少的成果。 首钢球团厂回转窑自 动喷煤系统应用了模糊控 制器实现对回转窑窑尾温度这一大惯性对象的控 制。 通过对回转窑温度的预测控制、 窑尾温度的模糊 控制实现燃料喷吹量的自 动控制，解决了人工经验 操作所造成的判断不准确、 调整不及时、 温度稳定率 差的问题。 自2 0 0 7 年 1 2 月份安装后， 煤粉调整精度 得到提高， 窑尾温度波动范围降低了4 0 ％。最终达 到了优化球团焙烧过程、 稳定温度控制、 提高焙烧效 率、 降低岗位劳动强度等目的。 莱芜钢铁集团有限公司 1 2 0 t 转炉 自动控制系 统采用转炉干法除尘模糊控制技术，根据转炉炼钢 各个阶段检测的炼钢吹氧量和产生的烟气量，通过 模糊控制模型判断出预先调节风机的频率，克服了 干法除尘烟尘排放量不稳定、 受干扰因素多的缺点， 有效解决了调节滞后时间长、 反应速度慢的问题。 干 法除尘精度达到 5 ．4 m g ／m 3 ， 减少了环境污染， 提高 了能源的回收利用率。 安阳钢铁股份有限公司第二炼钢厂矩形坯连铸 机二冷水 自动配水系统，采用带有死区的模糊 P I D 控制器，它根据模糊化处理后的冷却水流量设定值 调整 P I D参数，这样既减小在流量测量范围的低端 区域内因系统灵敏度偏高所造成的振荡，又兼顾在 流量测量范围的高端区域内的性能。解决了调节阀 的频繁动作问题， 提高了调节阀的寿命， 并能满足宽 流量控制范围的要求。 参考文献 [ 1 ] 易继锴， 侯嫒彬． 智能控制技术[ M] ．北京 北京工业大学出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 吴晓莉， 林哲辉． M A T L A B 辅助模糊系统设计 [ M] ．西安 西安 电子科 技大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 许丽佳 陈阳舟． 基于M A T L A B的非线性系统模糊建模及仿真 [ J ] ．计算机仿真， 2 0 0 4 5 4 9 5 2 ． [ 4 ] 胡仁安． 钢铁工业 自动化的新技术[ J ] ． 冶金自动化， 2 0 0 1 ， 2 5 2 6 9 ． 编辑 苗运平 下转第 4 9页 2 0 1 1 年第 5 期 茹春生， 等 Q 2 3 5 B 钢板冷弯开裂原因分析及预防措施 翻， 并保证钢水镇静时间 2 ～ 3 m i n 。 4 减少高温钢 因到站温度范围过宽 ， 2 0 1 1 年 一 季度中包温度能力指数小于 1 ．0 。若温度控制过 高， 将直接影响中包使用寿命， 造成耐材浸蚀和涂料 层脱落进入钢水， 形成氧化物及硅酸盐夹杂。 5 保持中包液面高度中包液面保证稳定在 4 5 0 to n i 以上 ， 利于夹杂无上浮， 还可避免下渣。 6 钢水全程保护浇注。钢包液面加覆盖剂， 大 包加包盖， 稳定拉速， 大包开浇时挂保护套管并吹氩 保护， 浇注结束时要防止钢包下渣 ， 尽量缩短敞流浇 注时间。 7 调整好脱氧剂、 合金种类及加入顺序 进行 脱氧剂、 合金攻关， 确定种类、 重量及加入顺序， 好使 脱氧产物容易上浮。 参考文献 [ 1 ] 孙贤文． 低碳锰钢的带状组织及其对钢板冷弯性能的影响 [ J ] ． 电子显微学报， 2 0 0 4 ， 2 3 4 4 4 7 ． 编辑 苗运平 Q2 3 5 B C o l d B e n d i n g P l a t e C r a c k i n g R e a s o n A n a l y s i s a n d P r e v e n t i o n M e a s u r e s RU Ch u n s h e n g ZHANG J u n we i N e w L i n g a n g S h a n x i S t e e l C o ． ， L t d ． ， L i n f e n 0 4 1 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n e a r l y 2 0 1 i ，t h e p r o d u c ti o n o f t h e 1 2 mm t o 4 0 ton i t h i c k p l a t e i n c o l d b e n d i n g h a p p e n e d wh e n t h e c r a c k i n g p h e n o me n a a t L i n g a n g ． I n s a mp l e a n a l y s i s f 0 u n d t h a t s t e e l p l a t e c r a c k i n g p a r t s c r a c k i n g t h e ma i n r e a s o n i s e x i s t i n g i n t h e s t e e l s t r i p s u l fi d e ， s i l i c a t e i n c l u s i o n s s e g r e g a ti o n a n d t o o mu c h s t e e l b l o c k s t h e c o n t i n u i t y o f ma t r i x ，c a u s i n g s t r e s s f r a c t u r e ． T h r o u g h t h e a p p r o p r i a t e me a s u r e s c a r l r e d u c e t h e i n c l u s i o n s p r o d u c e ． Ke y w o r d s Q 2 3 5 B ，s t e e l p l a t e ，c o l d b e n d i n g ,i n c l u s i o n 上接第 4 4 页 S t u d y o n t h e F u z z y Co n t r o l a n d i t s Ap p l i c a t i o n i n t h e M e t a l l ur g y I ndu s t r y GU Xi u p i n g S h a n x i E n g i n e e r i n g V o c a t i o n a l C o l l e g e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e d e s c r i p t i o n o f t h e s t r u c t u r e ，c h a r a c t e ri s t i c s o f f u z z y c o n tr o l an d t h e a p p l i c a t i o n i n me t a l l u r g y i n d u s t r y ， a n d s i mu l a t i o n s are t a k e n u s i n g t h e MA T L AB t o o l b o x ， a n d p o i n t e d t h a t the a p p l i c a ti o n wi l l b e a n e ffic i e n t w a y t o r e d u c e t h e e n e r gy c o n s u mp t i o n an d i mp r o v e t h e c o n t r o l q u a l i t y ． Ke y wo r d s f u z z y c o n tr o l ，a p p l i c a t i o n，me t a l l u r gy i n d u s t r y ， s i mu l a ti o n