基于混雜自動機(jī)建模的監(jiān)控系統(tǒng)

徐銘銘，舒少龍，王飛

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上?！?01804）

基于混雜自動機(jī)建模的監(jiān)控系統(tǒng)

徐銘銘，舒少龍，王飛

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)具有大滯后、非線性、強(qiáng)耦合等特性，整個系統(tǒng)非常復(fù)雜。通過對回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)呈現(xiàn)混雜系統(tǒng)的特征。因此，建立基于混雜自動機(jī)的回轉(zhuǎn)窯混雜控制模型，并根據(jù)回轉(zhuǎn)窯控制呈現(xiàn)的特性設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的混雜監(jiān)控系統(tǒng)。

混雜系統(tǒng)；混雜自動機(jī)；回轉(zhuǎn)窯；建模；監(jiān)控

0　引言

回轉(zhuǎn)窯具有大滯后、非線性、純延遲、強(qiáng)耦合等特性，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的控制方法也不能滿足控制需求［1］?；剞D(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)主要是讓物料在窯中煅燒到一定程度，需要同時對窯內(nèi)各段溫度、窯體轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量、流入的燃料量等進(jìn)行控制，因而實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的自動化控制不僅要通過變頻電機(jī)控制物料的流速、窯體的轉(zhuǎn)速以及控制燃料流入的閥門的關(guān)閉程度來調(diào)節(jié)，還要在不同運(yùn)行工況下對系統(tǒng)中的各種設(shè)備經(jīng)行邏輯控制。因此，回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出典型的混雜系統(tǒng)特性。

目前，國內(nèi)對回轉(zhuǎn)窯控制的研究主要著眼于使用先進(jìn)的控制算法，如模糊控制［2］、神經(jīng)控制［3］、模糊神經(jīng)控制［4，5］、自適應(yīng)控制［6］等，這些控制理論主要通過不同的方法來獲取接近回轉(zhuǎn)窯對象的模型，并且都能應(yīng)對回轉(zhuǎn)窯控制的多數(shù)情況，也都有各自的控制缺陷。本文提出將混雜系統(tǒng)理論應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯控制的研究中。本文在系統(tǒng)分析了回轉(zhuǎn)窯各分段系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，利用混雜自動機(jī)建立回轉(zhuǎn)窯控制的整體模型［8，9］，并設(shè)計了混雜控制器，為回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的控制的深入分析和研究奠定了基礎(chǔ)［10～12］

1　回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)分析

本文以水泥回轉(zhuǎn)窯為例，通過對水泥回轉(zhuǎn)窯的系統(tǒng)的分析，將回轉(zhuǎn)窯分為三段：窯頭段、煅燒段、干燥段，分別為各段進(jìn)行分析。

1.1窯頭段

窯頭為整體系統(tǒng)提供熱源，影響窯頭溫度的因素有：油壓、蒸汽壓和回油閥閥門的開度。目前油壓和蒸汽壓沒有采樣和控制，基本上保持在一定值。窯頭溫度的自動調(diào)節(jié)主要靠回油閥，回油閥開度越高，回流的油越多，進(jìn)入燃燒器的油越少，從而窯頭溫度越低；反之，窯頭溫度就越高。

1.2煅燒段

煅燒溫度是指煅燒窯物料出口處物料的溫度，煅燒溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。如果溫度過高，就會造成物料“過燒”，這時應(yīng)該調(diào)高窯爐轉(zhuǎn)速，讓物料在回轉(zhuǎn)窯煅燒的時間減少；反之，應(yīng)調(diào)低窯爐轉(zhuǎn)速，讓物料的煅燒時間增加。窯爐轉(zhuǎn)速和進(jìn)料電機(jī)的頻率要按照比例配合調(diào)節(jié)（即窯爐轉(zhuǎn)速調(diào)高，則進(jìn)料電機(jī)的驅(qū)動頻率也要調(diào)高；反之亦然），以保證物料平穩(wěn)行走，不會堆積。

1.3干燥段

干燥溫度是指物料經(jīng)過干燥段的干燥作用后，將要進(jìn)入煅燒段時的溫度。干燥過程能量主要消耗在物料水分的汽化上，干燥溫度越低，水分汽化的不充分，進(jìn)入煅燒段的物料的水分含量就越高，此時必須降低窯爐轉(zhuǎn)速，以保證物料進(jìn)入煅燒段時經(jīng)過充分的汽化。

2　基于混雜自動機(jī)建立的煅燒段控制模型

2.1混雜自動機(jī)

混雜自動機(jī)模型是混雜動態(tài)系統(tǒng)建模的主要方法之一?；祀s自動機(jī)的作用域由一些離散狀態(tài)集構(gòu)成，在每一個離散狀態(tài)集中，連續(xù)狀態(tài)依照一定的規(guī)律進(jìn)行演化。

一個典型的混雜動態(tài)系統(tǒng)可用如下的混雜自動機(jī)模型描述［7］：

式中：Q—有限離散狀態(tài)集，Q=｛q1，q2，…，qm｝；∑—離散事件集合，∑=｛σ1，σ2，…，σm｝；X—有限連續(xù)狀態(tài)集，X=Rn，每個連續(xù)狀態(tài)對應(yīng)連續(xù)Q×X×U→R狀態(tài)空間Rn的一個分區(qū)；U—輸入變量的集合；Y—輸出變量的集合；Inv為從Q到X子集的映射，Inv（q）狀態(tài)為q時，必須有x∈Inv（q）；F—為是向量場，f（q）為每個離散狀態(tài)對應(yīng)的系統(tǒng)行為，即離散狀態(tài)q對應(yīng)的連續(xù)狀態(tài)演化規(guī)律，一般可表示為x.=f（x，u）；E=Q×Q，離散遷移的集合，e（q）為每一個q指定一個使能集，在e（q）發(fā)生時離散狀態(tài)進(jìn)行躍變；T—離散狀態(tài)變遷關(guān)系，t（q，q'）表示發(fā)生時系統(tǒng)由狀態(tài)q進(jìn)入狀態(tài)q'。

由離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)組成的狀態(tài)對（q，x）∈Q×Rn稱為混雜系統(tǒng)H，U是H的輸入，Y是H的輸出。

2.2煅燒段混雜自動機(jī)模型

（1）控制設(shè)備自動機(jī)模型。影響煅燒段的主要因素為溫度、窯體轉(zhuǎn)速、物料進(jìn)料速度。溫度沒法直接控制，轉(zhuǎn)速均可通過控制驅(qū)動電機(jī)的頻率來調(diào)節(jié)，驅(qū)動電機(jī)的頻率為連續(xù)變量w，驅(qū)動電機(jī)有自身額定功率，也有最大功率，所有系統(tǒng)需要考慮這些限制因素。對于驅(qū)動電機(jī)頻率f的自動機(jī)建模如圖1所示。

圖1　驅(qū)動電機(jī)自動機(jī)模型Fig.1 Automata model of drive motor

在圖中，自動機(jī)模型中狀態(tài)V=｛V0，V1，V2｝，事件E=｛v0，v1，v2｝，狀態(tài)V的含義定義如下：①狀態(tài)V0為驅(qū)動電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)，頻率f=0；②狀態(tài)V1—驅(qū)動電機(jī)處于正常狀態(tài)，頻率處于最大最小之間，頻率f=w，w為驅(qū)動電機(jī)頻率的輸入值；③狀態(tài)V2—驅(qū)動電機(jī)達(dá)到最大功率狀態(tài)，頻率處于上限飽和狀態(tài)，頻率f=fmax，fmax—驅(qū)動電機(jī)的最大頻率。

系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的頻率特性，通過AD轉(zhuǎn)換接口，將頻率f轉(zhuǎn)換成事件｛v0，v1，v2｝中的一個，v0為下限飽和事件；v2—上限飽和事件，v1—正常狀態(tài)事件。

驅(qū)動電機(jī)動作執(zhí)行器自動機(jī)模型如圖2所示，圖中狀態(tài)V0表示驅(qū)動電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)，此狀態(tài)下停止增加或減少驅(qū)動電機(jī)的頻率；狀態(tài)V1為驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行頻率降低的狀態(tài)，此狀態(tài)下，驅(qū)動電機(jī)頻率減小；狀態(tài)V2為驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行頻率升高的狀態(tài)，此狀態(tài)下，驅(qū)動電機(jī)頻率增加；事件_v0減少驅(qū)動電機(jī)的頻率，事件_v2增加驅(qū)動電機(jī)的頻率，事件_v1停止減少驅(qū)動電機(jī)的頻率，事件_v'1停止增加驅(qū)動電機(jī)的頻率。

圖2　驅(qū)動電機(jī)動作執(zhí)行器自動機(jī)模型Fig.2 Automata model of drive motor action executor

驅(qū)動電機(jī)位置自動機(jī)模型和動作執(zhí)行器模型組成了驅(qū)動電機(jī)離散事件系統(tǒng)，根據(jù)上面的分析，我們會發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動電機(jī)處于上下限飽和狀態(tài)下時，系統(tǒng)不應(yīng)該再向驅(qū)動電機(jī)發(fā)出增加和減少頻率的指令，因此我們需要對驅(qū)動電機(jī)的離散事件系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范約束。

圖3對驅(qū)動電機(jī)離散事件系統(tǒng)進(jìn)行了控制規(guī)范：當(dāng)驅(qū)動電機(jī)狀態(tài)處于V0時，只有事件_v1（停止減小驅(qū)動電機(jī)頻率）和事件_v2（增加驅(qū)動電機(jī)的頻率）允許執(zhí)行；當(dāng)驅(qū)動電機(jī)狀態(tài)處于V2時，只有事件_v0（減少驅(qū)動電機(jī)的頻率）和事件_v'1（停止增加驅(qū)動電機(jī)的頻率）執(zhí)行；當(dāng)狀態(tài)處于V1時，所有事件均可執(zhí)行。

圖3　驅(qū)動電機(jī)控制規(guī)范自動機(jī)模型Fig.3 Automata model of drive motor control norm

由于控制物料進(jìn)速的驅(qū)動電機(jī)之間隨著控制窯體轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電機(jī)的頻率增加而增加，減少而減少，所以需要對兩驅(qū)動電機(jī)組成的離散控制系統(tǒng)的行為進(jìn)行規(guī)范設(shè)計，對一些行為進(jìn)行約束。

圖4　驅(qū)動電機(jī)組合動作執(zhí)行器自動機(jī)模型Fig.4 Automata model of drive motor motion actuator

圖4為兩驅(qū)動電機(jī)動作執(zhí)行器自動機(jī)模型，上圖中狀態(tài)X=｛V0，V1，V2｝為驅(qū)動窯體轉(zhuǎn)速電動機(jī)的動作執(zhí)行器自動機(jī)模型；由于物料驅(qū)動電機(jī)的動作是跟隨窯體轉(zhuǎn)速動作而變化的，有方向上的一致性，即驅(qū)動頻率同增大，同減小，用狀態(tài)X=｛W0，W01，W1，W02，W2｝來表示驅(qū)動物料進(jìn)速電動機(jī)的動作執(zhí)行器自動機(jī)模型，相對驅(qū)動窯體轉(zhuǎn)速的自動機(jī)模型，此模型中增加了二個狀態(tài)Xa=｛W01，W02｝，這樣，當(dāng)物料驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行事件_w*1（停止減少電動機(jī)頻率）時，狀態(tài)只能夠遷移到狀態(tài)W01，不能直接遷移到狀態(tài)W0，必須等窯體驅(qū)動電機(jī)發(fā)生事件_v1，才會遷移到W0。其余情況類似。就可以實現(xiàn)對進(jìn)料驅(qū)動電機(jī)跟隨窯體轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機(jī)在頻率增加而增加，減少而減少。

（2）煅燒段自動機(jī)模型。煅燒段是決定物料煅燒是否合格的關(guān)鍵步驟，由于物料煅燒主要受煅燒溫度和回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速的兩個因素的影響，所以基于這兩個因素我們將煅燒段分為以下幾個狀態(tài)：煅燒過度（OverHeat）、煅燒不充分（LackHeat）、煅燒適宜（OK）、物料轉(zhuǎn)速偏?。⊿low）、危險（Danger）、就緒（Ready）、開始（ON）。

煅燒段混雜自動機(jī)模型如圖5所示。其中，v0—窯體最低運(yùn)行頻率；Td—危險溫度下限值；T0—目標(biāo)溫度值；△t—目標(biāo)溫度值偏差范圍；w0—進(jìn)料最低頻率，小于此頻率，此會導(dǎo)致產(chǎn)出過少。q1，q2，q3，q4，q5，q6代表窯頭運(yùn)行在不同的工作區(qū)域內(nèi)，也即是說系統(tǒng)有六個離散狀態(tài)。這六個離散狀態(tài)之間的遷移如圖5所示，遷移條件，即事件也如圖中所示。這里的系統(tǒng)子模型fn（x）根據(jù)所處的不同狀態(tài)有所不同。

圖5　煅燒段自動機(jī)模型Fig.5 Automata model of calcination section

2.3回轉(zhuǎn)窯混雜系統(tǒng)控制模型與設(shè)計

系統(tǒng)由三部分組成，一部分是通過離散事件動態(tài)系統(tǒng)中自動機(jī)模型建立的決策層，一部分是連續(xù)控制系統(tǒng)，還有一部分是連接以上二部分的接口層：事件生成器和執(zhí)行器。系統(tǒng)由離散事件動態(tài)系統(tǒng)對其做整體監(jiān)控，而連續(xù)控制系統(tǒng)則對實際控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過紅外測溫模塊和轉(zhuǎn)速測量模塊測得對象的實時溫度、轉(zhuǎn)速，將測得的溫度、轉(zhuǎn)速經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的事件，此事件觸發(fā)決策層中的自動機(jī)模型，推動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，再根據(jù)此狀態(tài)，將相應(yīng)的參數(shù)傳給下層，選擇合適的連續(xù)控制系統(tǒng)來控制回轉(zhuǎn)窯。

根據(jù)對混雜控制系統(tǒng)理論的分析，回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)中決策層，即離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模部分，要根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)發(fā)出離散命令，包括選擇何種的控制模型、連續(xù)控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)指令等。

3　結(jié)論

本文提出基于混雜自動機(jī)建模的混雜系統(tǒng)來實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，從監(jiān)控的角度提出了新的思路，可以避免使用一種控制算法來控制回轉(zhuǎn)窯出現(xiàn)的不足，值得進(jìn)一步研究。

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Modeling System for Rotary Kiln Based on Hybrid Automata

XU Ming-Ming，WANG Fei，SHU Shao-Long
（School of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

The production of rotary kiln has the characteristic of long time delays，nonlinearities and strong interrelationships between variables.A fact was discovered that the production of rotary kiln showed the typical feature of hybrid system by analyzing its characteristics. Therefore，the hybrid dynamic model was built based on theory of hybrid automata，at the same time hybrid monitoring system was designed to fulfill the demand of global control.

hybrid system；hybrid automate；rotary kiln；modeling；monitoring

TP27

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.039

1002-6673（2015）01-108-03

2014-12-19

徐銘銘（1989-），碩士研究生。研究方向：監(jiān)控系統(tǒng)；舒少龍（1980-），副教授。主要研究方向：離散事件動態(tài)系統(tǒng)和魯棒控制。