水泥回轉(zhuǎn)窯模糊控制器骨架系統(tǒng)開發(fā)
實踐表明，采用模糊控制策略可以有效實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制。而針對不同工序的各種被控參數(shù)，其實用模糊控制器的程序開發(fā)存在大量的重復(fù)性工作。因此，建立相應(yīng)的模糊控制骨架系統(tǒng)可以極大地提高模糊控制器的開發(fā)效率。本文研究了模糊控制器骨架系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其各功能模塊的實現(xiàn)方法；并應(yīng)用該骨架系統(tǒng) 生成了新型干法水泥生產(chǎn)中分解爐溫度控制的模糊控制器。 ......
新型干法水泥生產(chǎn)是一個復(fù)雜的理化反應(yīng)過程，具有大慣性、純滯后、非線性等特點。由于系統(tǒng)工況復(fù)雜多變，難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，適合采用模糊控制策略進行優(yōu)化控制。模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)理論中模糊集、模糊邏輯的概念，模擬人類大腦思維方式和專家的控制經(jīng)驗，與控制理論相結(jié)合，對無法或難以建立對象數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)實施的一種智能控制方法。模糊控制在水泥工業(yè)窯爐控制領(lǐng)域已取得了一定的成功。目前國內(nèi)外的研究主要集中于針對某一具體工序的具體被控對象來開發(fā)模糊控制器，當(dāng)被控對象改變時，模糊控制器就需要重新設(shè)計，其中大量的程序開發(fā)工作都是重復(fù)性的，不但加大了技術(shù)投資，耗費時間，且出錯率也隨之增加。科學(xué)與工程計算軟件MATLAB中提供了模糊推理系統(tǒng)工具箱（Fuzzy
Inference Systems Toolbox），其集成度高，內(nèi)容豐富，基本涵蓋了模糊集合理論的各個方面。但它主要適用于控制器設(shè)計的仿真分析研究，要應(yīng)用于實際水泥工業(yè)生產(chǎn)控制，還需要由專業(yè)人員為之編寫相應(yīng)的接口程序。因此，研究開發(fā)可生成實用模糊控制器的模糊控制骨架系統(tǒng)也就具有重要的實際意義。
1 骨架系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
骨架系統(tǒng)由模糊推理子系統(tǒng)(Fuzzy Inference Subsystem，F(xiàn)ISS)和模糊控制器生成子系統(tǒng)(Fuzzy Controller Generating Subsystem，F(xiàn)CGSS)兩大部分組成。FISS為模糊推理系統(tǒng)設(shè)計及控制查詢表的生成提供了便捷平臺；FCGSS則構(gòu)造了實用模糊控制器的基本骨架模型，并為控制器的生成提供平臺支持。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
骨架系統(tǒng)通過隸屬函數(shù)編輯與模糊規(guī)則編輯過程獲得模糊推理系統(tǒng)的知識庫———包括由隸屬度函數(shù)等信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫與模糊規(guī)則組成的規(guī)則庫。結(jié)合知識庫完成模糊推理運算，生成控制查詢表并進行系統(tǒng)仿真，若獲得滿意的效果則生成信息文件。經(jīng)模糊控制器功能模塊的組裝與界面生成后，導(dǎo)入基本信息與控制查詢表，最終生成模糊控制器可執(zhí)行程序。其工作流程如圖2所示。
2 模糊控制器生成子系統(tǒng)（FCGSS）
2.1 生成原理
生成模糊控制器是骨架系統(tǒng)的主要功能之一，也是其最終目的。與VC等可視化程序開發(fā)工具生成程序的編譯機理不同，由于生成的模糊控制器程序具有基本一致的體系框架，因此可以采取框架復(fù)制的生成方式?；驹硎牵簶?gòu)造通用的控制器程序作為標(biāo)準(zhǔn)骨架模型，模型預(yù)留了讀取系統(tǒng)所需基本信息及模糊控制查詢表內(nèi)容的接口；針對具體被控對象的控制器程序的生成，其實質(zhì)為對該骨架模型的復(fù)制，并輔以相關(guān)信息文件的加載。原理如圖3所示。
所謂的標(biāo)準(zhǔn)骨架模型，是按照模糊控制器所需的采樣、模糊化、模糊推理、解模糊、執(zhí)行輸出等功能開發(fā)的通用模糊控制器程序。通用的意義在于它沒有納入被控對象的任何具體信息。在模糊控制器生成功能被激發(fā)時，骨架模型連同配套信息文件被復(fù)制到用戶指定的磁盤目標(biāo)地址。信息文件由FISS生成，包含了模糊控制器的名稱、各變量名、類型、論域及查詢表內(nèi)容等信息。將加載了信息文件的標(biāo)準(zhǔn)控制器骨架模型轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，便得到了針對具體被控對象的模糊控制器。
這種設(shè)計方案的突出優(yōu)點是具有較好的性能擴展性。骨架模型與信息文件的分離，當(dāng)控制器的性能需要改進，或者需要加入其它的智能控制措施時，只需要對模型作相應(yīng)的修改，并替代原模型即可。
2.2 骨架模型構(gòu)造
骨架模型完成包括模糊控制器界面生成、信息接口、控制表查詢運算、數(shù)據(jù)采集與控制量輸出等各個功能模塊的構(gòu)造。
(1)界面生成與信息接口
一個實用模糊控制器的人機界面主要包括控制器基本參數(shù)設(shè)置、命令按鈕、實時監(jiān)視器、失控預(yù)警、人機切換及歷史數(shù)據(jù)查詢等組成部分。界面設(shè)計以實用易用為原則，兼顧標(biāo)準(zhǔn)化、人性化及簡潔美觀等要求。
骨架模型需要預(yù)留接收來自模糊推理子系統(tǒng)（FISS）包括變量、參數(shù)、隸屬函數(shù)、規(guī)則、查詢表等信息的接口，因為在控制器生成時，從骨架模型到具體控制器的實現(xiàn)是通過對上述信息的加載來完成的。骨架系統(tǒng)以信息文件（SysInfo）的方式，實現(xiàn)FISS與FCGSS之間的信息交互。SysInfo由FISS構(gòu)造，包含基本信息表與控制查詢表兩大部分。
（2）控制表查詢運算
控制表查詢運算是基于輸入變量的量化值進行的。系統(tǒng)對輸入變量值作量化操作，量化比例因子、基本論域、量化論域等參數(shù)通過信息接口自FISS導(dǎo)入。查表操作實際表現(xiàn)為對二維表數(shù)組的搜索定位過程，由于不再涉及復(fù)雜的矩陣運算，因此速度快，能充分滿足實時控制的要求。
（3）數(shù)據(jù)采集與控制量輸出
模糊控制器的輸入、輸出功能，分別由數(shù)據(jù)采集模塊和控制量輸出模塊完成?？刂票聿樵兯媒Y(jié)果需經(jīng)過反量化操作轉(zhuǎn)化為實際的精確控制量。
模糊控制器生成子系統(tǒng)FCGSS在內(nèi)部完成了對骨架模型的構(gòu)造，搭建了模糊控制器的基本框架，通過調(diào)用SysInfo信息文件加載控制查詢表與基本系統(tǒng)信息，生成針對具體被控對象的實用模糊控制器。
1 骨架系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
骨架系統(tǒng)由模糊推理子系統(tǒng)(Fuzzy Inference Subsystem，F(xiàn)ISS)和模糊控制器生成子系統(tǒng)(Fuzzy Controller Generating Subsystem，F(xiàn)CGSS)兩大部分組成。FISS為模糊推理系統(tǒng)設(shè)計及控制查詢表的生成提供了便捷平臺；FCGSS則構(gòu)造了實用模糊控制器的基本骨架模型，并為控制器的生成提供平臺支持。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
骨架系統(tǒng)通過隸屬函數(shù)編輯與模糊規(guī)則編輯過程獲得模糊推理系統(tǒng)的知識庫———包括由隸屬度函數(shù)等信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫與模糊規(guī)則組成的規(guī)則庫。結(jié)合知識庫完成模糊推理運算，生成控制查詢表并進行系統(tǒng)仿真，若獲得滿意的效果則生成信息文件。經(jīng)模糊控制器功能模塊的組裝與界面生成后，導(dǎo)入基本信息與控制查詢表，最終生成模糊控制器可執(zhí)行程序。其工作流程如圖2所示。
2 模糊控制器生成子系統(tǒng)（FCGSS）
2.1 生成原理
生成模糊控制器是骨架系統(tǒng)的主要功能之一，也是其最終目的。與VC等可視化程序開發(fā)工具生成程序的編譯機理不同，由于生成的模糊控制器程序具有基本一致的體系框架，因此可以采取框架復(fù)制的生成方式?；驹硎牵簶?gòu)造通用的控制器程序作為標(biāo)準(zhǔn)骨架模型，模型預(yù)留了讀取系統(tǒng)所需基本信息及模糊控制查詢表內(nèi)容的接口；針對具體被控對象的控制器程序的生成，其實質(zhì)為對該骨架模型的復(fù)制，并輔以相關(guān)信息文件的加載。原理如圖3所示。
所謂的標(biāo)準(zhǔn)骨架模型，是按照模糊控制器所需的采樣、模糊化、模糊推理、解模糊、執(zhí)行輸出等功能開發(fā)的通用模糊控制器程序。通用的意義在于它沒有納入被控對象的任何具體信息。在模糊控制器生成功能被激發(fā)時，骨架模型連同配套信息文件被復(fù)制到用戶指定的磁盤目標(biāo)地址。信息文件由FISS生成，包含了模糊控制器的名稱、各變量名、類型、論域及查詢表內(nèi)容等信息。將加載了信息文件的標(biāo)準(zhǔn)控制器骨架模型轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，便得到了針對具體被控對象的模糊控制器。
這種設(shè)計方案的突出優(yōu)點是具有較好的性能擴展性。骨架模型與信息文件的分離，當(dāng)控制器的性能需要改進，或者需要加入其它的智能控制措施時，只需要對模型作相應(yīng)的修改，并替代原模型即可。
2.2 骨架模型構(gòu)造
骨架模型完成包括模糊控制器界面生成、信息接口、控制表查詢運算、數(shù)據(jù)采集與控制量輸出等各個功能模塊的構(gòu)造。
(1)界面生成與信息接口
一個實用模糊控制器的人機界面主要包括控制器基本參數(shù)設(shè)置、命令按鈕、實時監(jiān)視器、失控預(yù)警、人機切換及歷史數(shù)據(jù)查詢等組成部分。界面設(shè)計以實用易用為原則，兼顧標(biāo)準(zhǔn)化、人性化及簡潔美觀等要求。
骨架模型需要預(yù)留接收來自模糊推理子系統(tǒng)（FISS）包括變量、參數(shù)、隸屬函數(shù)、規(guī)則、查詢表等信息的接口，因為在控制器生成時，從骨架模型到具體控制器的實現(xiàn)是通過對上述信息的加載來完成的。骨架系統(tǒng)以信息文件（SysInfo）的方式，實現(xiàn)FISS與FCGSS之間的信息交互。SysInfo由FISS構(gòu)造，包含基本信息表與控制查詢表兩大部分。
（2）控制表查詢運算
控制表查詢運算是基于輸入變量的量化值進行的。系統(tǒng)對輸入變量值作量化操作，量化比例因子、基本論域、量化論域等參數(shù)通過信息接口自FISS導(dǎo)入。查表操作實際表現(xiàn)為對二維表數(shù)組的搜索定位過程，由于不再涉及復(fù)雜的矩陣運算，因此速度快，能充分滿足實時控制的要求。
（3）數(shù)據(jù)采集與控制量輸出
模糊控制器的輸入、輸出功能，分別由數(shù)據(jù)采集模塊和控制量輸出模塊完成?？刂票聿樵兯媒Y(jié)果需經(jīng)過反量化操作轉(zhuǎn)化為實際的精確控制量。
模糊控制器生成子系統(tǒng)FCGSS在內(nèi)部完成了對骨架模型的構(gòu)造，搭建了模糊控制器的基本框架，通過調(diào)用SysInfo信息文件加載控制查詢表與基本系統(tǒng)信息，生成針對具體被控對象的實用模糊控制器。
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摘自《中國水泥》2005年 03月號
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監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
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