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【摘 要】随着科技的发展和社会的不断进步，工业生产技术逐渐发展，尤其是煅烧炉、水泥窑、锅炉等温度的控制技术有了很大进步，在一定程度上起到了有效的控制作用，提高其生产效率。但由于这些工业过程的控制中，受到复杂机理、时滞和非线性等因素的影响，导致很多情况下对温度控制等难以控制，模型也不容易建立。所以必须要加大对现代水泥窑温度控制的研究，分析工业过程控制中温度的影响因素，制定合理的方案。本文作者主要针对水泥窑温度模糊控制系统的问题进行研究和探讨，并根据存在的问题提出合理化的建议和措施。
【关键词】水泥回转窑；温度控制；模糊控制；灰色预测系统；解耦控制
近几年，由于社会经济的快速发展，再加上工业生产技术的不断进步，大大的提高了生产效率，但在水泥窑生产的温度控制过程中，由于受环境因素、内部机理、时滞和其他生产要素的影响等，给温度控制带来了一定的难度。为了尽量消除掉温度控制对生产的影响，需要采用现代新型的模糊控制的概念，也就是将模糊逻辑的概念融入到现代思维方式中，本身并不具有模糊的意义，而是通过该逻辑消除模糊影响。
1 水泥回转窑温度控制的必要性
水泥是现代国民经济建设必备的建筑材料，我国的建设项目较多，每年需求大量的水泥材料，所以水泥窑是一个重要的建设项目。但在水泥生产过程中，由于生产的自动化技术水平较低，耗能大、成本高，在加上环境污染严重，尤其是温度控制难以把握，在一定程度上降低了生产效率，影响了生产的技术水平。影响水泥窑内室温度的原因较多，同时存在检测的不足，导致很多参数难以明确，熟料煅烧过程中存在大惯性、大滞后和强耦合的特点。因此，通过传统的数学建模就难以控制，必须通过现代计算机技术来研究如何改进水泥回转窑的内室温度和控制，提高水泥的生产效率。
2 水泥回转窑温度控制发展现状和研究
水泥回转窑的煅烧系统的温度控制是自上个世纪六十年代开始研究的，很多专家学者都对此问题提出了自己的看法，并制定了相关的应对方案。（1）传统的人工控制法，通过人工来判定温度的情况，采用仪表等进行测量，再加上工作人员的经验等来实行人工控制，效果一般，工作量大，环境较差；（2）通过分析具体生产状况来建立物理化学变化的数学模型，通过模型来分析水泥回转窑的热工状况，但由于存在非线性、时变和分布参数等问题的影响，导致具体的数学模型难以发挥作用；（3）控制器法，通过分析生产过程中的数据输入状况来建立系统的辨识控制器，通过控制来分析和判断其状况；（4）模糊控制，通过工作经验和模糊逻辑的模型来实现模糊控制。
模糊控制器诞生于1978年，由丹麦的Larsen在水泥窑生产线设计出来模糊控制器，并发挥了作用。我国学者通过分析水泥窑状况制定出了回转窑模糊控制器，并制定了控制方案，之后杨志强也在前辈的基础上采用PLC来控制算法的实现。模糊控制是聚集了专家的经验跟人工智能技术等要素，所以对系统控制十分有效，应用相对广泛。
3 水泥回转窑煅烧系统温度模糊控制的算法设计
3.1 水泥回转窑煅烧系统工作原理
3.1.1 分解水泥回转窑的工艺流程
水泥生产的过程是一个复杂的环节，其中包括了原料的生产和输送，生料、熟料制造，成品水泥的生产过程跟水泥包装等五部分，其中在每个环节中又涵盖了很多个细节。其中分解水泥回转窑的工艺流程图如图1所示：
图1 分解水泥回转窑工艺流程
3.1.2 预热分解系统
（1）预热器，预热器主要是通过熟料生产过程中的高温烟气将生料预热到750～800℃，排出的烟气温度大约有1000摄氏度。在物料流向设计时需要注意旋风筒的分离效率，考虑降低筒内的阻力状况来实现减少电耗。
（2）分解炉，分解炉主要通过分解功能来将物料预热后进行分解，相当于一个气固多相反应器。其中在分解炉中的反映方程式可以表示为：CaCO2→CaO+CO2↑ 。在分解过程需要吸收大量的热量，这样会大大的减轻回转窑的热负荷，从而提高热回转窑的生产效率和生产水平。
（3）煅烧系统，在煅烧系统中回转窑的水泥的预分解是整个系统的核心，而按照水泥回转窑的不同的反应过程可以将回转窑的工艺划分为过渡带、烧成带和冷却带三个环节。过渡带的温度一般会在900℃之上，通过收集大量的热量，物料才会分解。烧成带中反应温度高于1300℃，此时物料已经变为液体状，其中硅酸二钙跟氧化钙在其中发生化合反应，所以会影响到水泥生产的质量和工艺。冷却带中，待煅烧完毕后熟料会在移动过程中遇到二次风，交换了热量，部分变为液体状，但氧化钙的含量通常小于等于1%。
4 回转窑锻烧系统温度模糊控制算法设计
4.1 模糊控制器
模糊控制是根据熟练的工作人员的经验跟智能技术等相互结合的一种模糊逻辑系统，本身并不模糊，而是通过逻辑分析来消除掉模糊的因素，达到温度控制的目的，其模糊控制器的原理分析如图2所示：
图2 模糊可控制器的原理分析
4.2 模糊控制
回转窑的煅烧系统操作控制中需要注重烧成带温度、窑尾温度以及参数的控制等，其中烧成带温度通常会控制在1350摄氏度之上，窑尾温度在950～1050摄氏度之间，而需要监控的参数通常包括：（l）监控参数：烧成带温度Yl（正常下作范围：1350～1450e）；窑尾温度YZ（正常工作范围：950～1050e）。（2）控制参数：喂煤量Xl；主排风机转速X2；窑转速X3。
4.3 灰色预测模型
灰色的预测模型主要基于水泥回转窑煅烧系统建立的，能够在回转窑中有效的控制内部温度，提高生产效率。灰色预测模型的建立过程主要为：首先要确定灰色的预测模型，按照微分方程进行确定，对输出的原始数据进行处理，同时要建立数据矩阵跟构造数据向量；然后按照时间求解模型等来分析时间响应模型的离散化跟参数的辨识等。灰色的预测控制结构见图3：
图3 灰色预测控制系统结构
4.4 模糊控制器的设计
传统的PD型模糊控制器具有很好的动态品质，对于稳态偏差难以处理，PI型的控制器暂态响应的效果较差，所以本文中设计一种两者相互结合的模糊控制器，也就是三维的模糊控制器。
首先要根据预测系统后的偏差量、偏差的变化状况跟偏差的变化加速度等来分析语言的变量模糊化，然后用统一的公式表示；其次选择合适的隶属度函数，一般会采用对称、稳态分布的梯形形式，另外还要制定模糊控制的规则，通过加权平均解的模糊法来分析模糊化和模糊推理问题，并根据对应的算法来实时的调整控制器的可调因子，使其适应于系统的运行。
由于自适应算法跟灰色预测模型的融入，所以系统可以兼顾稳定性、实时性跟快捷性的特点，有效的控制水泥回转窑的系统温度状况。
5 结语
通过对水泥回转窑生产过程中温度影响因素的分析，制定了温度模糊控制的有效方案，有效的改善了水泥回转窑的内部温度，提高了生产效率和生产质量。
参考文献：
[1]杨宇.基于LS-SVM的氧化锌挥发窑温度模糊控制的研究[D].中南大学，2009.
[2]李冬生.水泥回转窑煅烧系统温度模糊控制算法研究[D].燕山大学，2010.
[3]张晓晖.基于图像处理的水泥窑模糊控制系统的研究[D].内蒙古工业大学，2007.
[4]刘国华.水泥回转窑多变量智能控制系统的设计与开发[D].安徽大学，2013.
【关键词】水泥回转窑；温度控制；模糊控制；灰色预测系统；解耦控制
近几年，由于社会经济的快速发展，再加上工业生产技术的不断进步，大大的提高了生产效率，但在水泥窑生产的温度控制过程中，由于受环境因素、内部机理、时滞和其他生产要素的影响等，给温度控制带来了一定的难度。为了尽量消除掉温度控制对生产的影响，需要采用现代新型的模糊控制的概念，也就是将模糊逻辑的概念融入到现代思维方式中，本身并不具有模糊的意义，而是通过该逻辑消除模糊影响。
1 水泥回转窑温度控制的必要性
水泥是现代国民经济建设必备的建筑材料，我国的建设项目较多，每年需求大量的水泥材料，所以水泥窑是一个重要的建设项目。但在水泥生产过程中，由于生产的自动化技术水平较低，耗能大、成本高，在加上环境污染严重，尤其是温度控制难以把握，在一定程度上降低了生产效率，影响了生产的技术水平。影响水泥窑内室温度的原因较多，同时存在检测的不足，导致很多参数难以明确，熟料煅烧过程中存在大惯性、大滞后和强耦合的特点。因此，通过传统的数学建模就难以控制，必须通过现代计算机技术来研究如何改进水泥回转窑的内室温度和控制，提高水泥的生产效率。
2 水泥回转窑温度控制发展现状和研究
水泥回转窑的煅烧系统的温度控制是自上个世纪六十年代开始研究的，很多专家学者都对此问题提出了自己的看法，并制定了相关的应对方案。（1）传统的人工控制法，通过人工来判定温度的情况，采用仪表等进行测量，再加上工作人员的经验等来实行人工控制，效果一般，工作量大，环境较差；（2）通过分析具体生产状况来建立物理化学变化的数学模型，通过模型来分析水泥回转窑的热工状况，但由于存在非线性、时变和分布参数等问题的影响，导致具体的数学模型难以发挥作用；（3）控制器法，通过分析生产过程中的数据输入状况来建立系统的辨识控制器，通过控制来分析和判断其状况；（4）模糊控制，通过工作经验和模糊逻辑的模型来实现模糊控制。
模糊控制器诞生于1978年，由丹麦的Larsen在水泥窑生产线设计出来模糊控制器，并发挥了作用。我国学者通过分析水泥窑状况制定出了回转窑模糊控制器，并制定了控制方案，之后杨志强也在前辈的基础上采用PLC来控制算法的实现。模糊控制是聚集了专家的经验跟人工智能技术等要素，所以对系统控制十分有效，应用相对广泛。
3 水泥回转窑煅烧系统温度模糊控制的算法设计
3.1 水泥回转窑煅烧系统工作原理
3.1.1 分解水泥回转窑的工艺流程
水泥生产的过程是一个复杂的环节，其中包括了原料的生产和输送，生料、熟料制造，成品水泥的生产过程跟水泥包装等五部分，其中在每个环节中又涵盖了很多个细节。其中分解水泥回转窑的工艺流程图如图1所示：
图1 分解水泥回转窑工艺流程
3.1.2 预热分解系统
（1）预热器，预热器主要是通过熟料生产过程中的高温烟气将生料预热到750～800℃，排出的烟气温度大约有1000摄氏度。在物料流向设计时需要注意旋风筒的分离效率，考虑降低筒内的阻力状况来实现减少电耗。
（2）分解炉，分解炉主要通过分解功能来将物料预热后进行分解，相当于一个气固多相反应器。其中在分解炉中的反映方程式可以表示为：CaCO2→CaO+CO2↑ 。在分解过程需要吸收大量的热量，这样会大大的减轻回转窑的热负荷，从而提高热回转窑的生产效率和生产水平。
（3）煅烧系统，在煅烧系统中回转窑的水泥的预分解是整个系统的核心，而按照水泥回转窑的不同的反应过程可以将回转窑的工艺划分为过渡带、烧成带和冷却带三个环节。过渡带的温度一般会在900℃之上，通过收集大量的热量，物料才会分解。烧成带中反应温度高于1300℃，此时物料已经变为液体状，其中硅酸二钙跟氧化钙在其中发生化合反应，所以会影响到水泥生产的质量和工艺。冷却带中，待煅烧完毕后熟料会在移动过程中遇到二次风，交换了热量，部分变为液体状，但氧化钙的含量通常小于等于1%。
4 回转窑锻烧系统温度模糊控制算法设计
4.1 模糊控制器
模糊控制是根据熟练的工作人员的经验跟智能技术等相互结合的一种模糊逻辑系统，本身并不模糊，而是通过逻辑分析来消除掉模糊的因素，达到温度控制的目的，其模糊控制器的原理分析如图2所示：
图2 模糊可控制器的原理分析
4.2 模糊控制
回转窑的煅烧系统操作控制中需要注重烧成带温度、窑尾温度以及参数的控制等，其中烧成带温度通常会控制在1350摄氏度之上，窑尾温度在950～1050摄氏度之间，而需要监控的参数通常包括：（l）监控参数：烧成带温度Yl（正常下作范围：1350～1450e）；窑尾温度YZ（正常工作范围：950～1050e）。（2）控制参数：喂煤量Xl；主排风机转速X2；窑转速X3。
4.3 灰色预测模型
灰色的预测模型主要基于水泥回转窑煅烧系统建立的，能够在回转窑中有效的控制内部温度，提高生产效率。灰色预测模型的建立过程主要为：首先要确定灰色的预测模型，按照微分方程进行确定，对输出的原始数据进行处理，同时要建立数据矩阵跟构造数据向量；然后按照时间求解模型等来分析时间响应模型的离散化跟参数的辨识等。灰色的预测控制结构见图3：
图3 灰色预测控制系统结构
4.4 模糊控制器的设计
传统的PD型模糊控制器具有很好的动态品质，对于稳态偏差难以处理，PI型的控制器暂态响应的效果较差，所以本文中设计一种两者相互结合的模糊控制器，也就是三维的模糊控制器。
首先要根据预测系统后的偏差量、偏差的变化状况跟偏差的变化加速度等来分析语言的变量模糊化，然后用统一的公式表示；其次选择合适的隶属度函数，一般会采用对称、稳态分布的梯形形式，另外还要制定模糊控制的规则，通过加权平均解的模糊法来分析模糊化和模糊推理问题，并根据对应的算法来实时的调整控制器的可调因子，使其适应于系统的运行。
由于自适应算法跟灰色预测模型的融入，所以系统可以兼顾稳定性、实时性跟快捷性的特点，有效的控制水泥回转窑的系统温度状况。
5 结语
通过对水泥回转窑生产过程中温度影响因素的分析，制定了温度模糊控制的有效方案，有效的改善了水泥回转窑的内部温度，提高了生产效率和生产质量。
参考文献：
[1]杨宇.基于LS-SVM的氧化锌挥发窑温度模糊控制的研究[D].中南大学，2009.
[2]李冬生.水泥回转窑煅烧系统温度模糊控制算法研究[D].燕山大学，2010.
[3]张晓晖.基于图像处理的水泥窑模糊控制系统的研究[D].内蒙古工业大学，2007.
[4]刘国华.水泥回转窑多变量智能控制系统的设计与开发[D].安徽大学，2013.