回转窑全局温度有限阶建模及动态转换模糊控制理论研究

Rotary kilns are wildly used in cement manufacturing, waste incineration, metallurgy and chemical engineering, and are large, spatio-temporal coupling and high order power equipment. At present, modeling for rotary kiln is difficult for rapid real-time monitoring, control is focus on local space point, and kinds of uncertainties are wildly existed in this system, etc. Finite-order modeling and intelligent control will be researched for global temperature of rotary kiln. Firstly, a finite-order model is built based on partly temperature data and finite-order modeling method of spatio-temporal coupling, a dynamic switching based fuzzy modeling method is proposed to compensate without modeled dynamic and uncertainties, and then synthesis whole model of the temperature. Spatial basis, sensors distribution, heater position and size of heat will be optimized by all data, and effective of the model will be also validated. Finally, it is designed that structure and parameters of dynamic switching based fuzzy logic controller according to this finite-order model, it is uncovered that relationship between model and controller parameter, and robustness and stability is researched. This modeling method is convenient for design of controller and rapid real-time supervision, and the control method can achieve the aim of intelligent online control for global temperature of rotary kilns. This project provides a method for improving the intelligent level of rotary kilns, and also for modeling and control idea of spatio-temporal coupling systems. This project has very important technical application prospect and theoretical research significant.

回转窑广泛应用于水泥制造、垃圾焚烧、冶金和化工等领域，是大型、时空耦合和高功耗装备。针对回转窑温度场的模型难用于实时快速监测、控制面向局部空间点和富含多种不确定因素的问题，研究回转窑全局温度的有限阶建模和智能控制。首先，根据部分温度数据和时空耦合系统有限阶建模方法建立回转窑温度场的有限阶模型，提出基于动态转换的模糊建模方法补偿未建模动态和不确定因素，进而合成全局温度模型。其次，依据全部温度数据来优化空间基函数个数、传感器分布、加热器位置、加热量大小并验证模型的有效性。最后，结合上述有限阶模型，设计基于动态转换模糊逻辑控制器的结构，揭示模型和控制器参数的关系，并研究系统的鲁棒性和稳定性。该建模方法便于控制器设计和全局温度实时快速监测，且控制方法可实现回转窑全局温度的在线智能控制。本课题可以提高回转窑的智能化水平，也为时空耦合系统的建模与控制提供一种思路，具有重要的工程应用前景和理论研究意义。

回转窑广泛应用于水泥制造、垃圾焚烧、冶金和化工等领域，是大型、时空耦合和高功耗装备。针对回转窑温度场的实时监控仅限于有限个点上，本项目试图通过这些空间点上的数据，快速模拟和预测回转窑温度场的变化，实现整体快速监测的目的；针对回转窑系统高功耗的特点，研究智能方法实现温度场的智能控制，降低功耗。在研究过程中，利用KL方法将数据分解成空间基函数和时间系数数据，提出了基于动态转换的模糊逻辑系统建立时间系数模型，基函数与该时间系数模型合成整个温度场的快速预测模型，能准确预测一维催化反应棒的温度场，但是跟现行的方法相比优势不大。在回转窑的运转过程中，实验室中很难安装足够多的传感器。研究表明，现行数据量不够，该方法很难应用于回转窑系统。针对时空耦合温度场的智能控制，设计了基于动态转换模糊逻辑控制器的结构，推导了模糊控制器的数学模型，研究了该控制器与传统PID控制器的关系；基于动态转换的模糊逻辑控制器结合空间基函数，实现时空耦合系统的智能控制，成功应用于催化反应棒模型，仿真数据表明，该控制方法比传统PID控制效果好。然而，回转窑的空间维数比催化反应棒大且功耗太高，该方法难以推广到回转窑温度场上。经项目组研究修改了研究策略。现在通过有限元仿真数据代替三维温度场的数据，从理论上建立温度场的快速预测模型，通过仿真软件和MATLAB联合仿真的方法来模拟三维温度场的控制，从而不必担心传感器的数量和设备的能耗，从理论上揭示三维温度场的快速预测和智能控制。建模方面的论文在投稿过程中，控制方面的论文在整理过程中。申报书中撰写的空间基函数的个数、传感器分布、加热器位置及加热量大小的优化，也在通过联合仿真的方式展开研究。这些建模和控制理论对研究时空耦合系统的建模和控制具有一定的理论意义和应用价值，已经应用于催化反应棒、芯片固化过程，也可以应用于其它三维温度场，后续对芯片固化过程温度场开展更深入的研究。