基于改进模糊综合评价法的回转窑测量

刘红玲， 徐亚峰， 杨咚浩， 姜 涛

(徐州工程学院，江苏 徐州 221000)



基于改进模糊综合评价法的回转窑测量

刘红玲， 徐亚峰， 杨咚浩， 姜 涛

(徐州工程学院，江苏 徐州 221000)

回转窑在长期重载、高温的工作条件下工作，筒体容易变形从而引起“红窑”事故。采用摄像头检测各档位截面回转中心，从而获得回转轴线。改进模糊综合评价主要通过相对隶属度函数构造模糊判断矩阵，利用层次分析法确定指标权重，模糊结合算子计算综合评价向量。运用于实际检测中的评价，通过标准化直线度、温度、支承力，实现了回转窑各档位运行状态的等级划分。经过实验测试，实现了回转窑在线检测，得到回转窑运行状态等级指标。

回转窑； 检测系统； 模糊综合评价； 层次分析法

0 引 言

回转窑机械运行状态是指回转窑运行过程中机械性能参数状态，通过测量技术获得。回转窑测量对象主要是回转窑的运行轴线、各档位支撑受力、窑内温度情况等。随着回转窑的检测技术的发展，测量装置和测量精度逐渐优化，静态与动态测量、实时监测技术等测量技术日益完善[1-2]。本文设计基于摄像头循迹的轴线检测系统，克服安装难、成本高等问题，在一定的精度范围内实现检测，通过建立模糊综合评价对测量结果进行评价[3]，标定测量结果的优或劣，智能测定运行状态。

1 回转窑轴线检测系统原理

回转窑的轴线检测，硬件系统主要包括信号采集部分的摄像头、数据处理模块、数据传输模块等，具体包括STM 32芯片一块、串口通讯设备、ZigBee发送与接收节点、上位机显示模块等。通过检测感应条移动时间、间距等，计算偏移位置和偏移量，发送到上位机显示[4]。多次连续采样后即实现动态处理与动态显示。系统结构框图见图1。

图1 系统结构框图

在窑体1周上黏贴感应条，感应条材料具有一定的塑性，颜色为黑色和白色，黑色为小块。摄像头检测示意图如图2所示，在一个截面上(见图2(a))，筒体感应条的位置可排布在各个档位或等距排布，摄像头可视范围可视作正态分布，如图2(b)图所示。所以感应条位置确定，便确定了各个感应条的回转中心，而各回转中心的连线即是筒体的回转轴[5-6]。

各个测量档位截面中心点位置计算如下：

(a) 一个截面

(b) 整个筒体

图2 摄像头检测原理图

根据检测边界可确定y方向的中心线，即L/2的位置。若筒体转动角速度为ω，摄像头固定部分距理想筒体最高点为h，转动过程中，黑点从3转到2位置的时间通过计数可得到，则理想筒体有如下关系：

对于理想筒体，该过程的转动时间为定值，若筒体表面发生变形，则时间将发生变化，变化在一定范围内可视为正常偏差[7]。另外，对于实际运行的筒体近似看作椭圆，在检测边界处相对曲率半径可求，作平行于理想半径的直线交y轴，则有：

另外，在△OO′B中，根据三角形余弦定理有：

再根据正弦定理，可解出△OO′B各个几何量为

在回转窑运动过程中，可将AB看成直线，这样可以讨论回转窑偏转的最大范围。假设直线AB与竖直线成角度φ，图2(a)中角∠C大小为

在△ABO′中，

再根据余弦定理，可求出曲率ρ，

联立上式可求得x偏移量Δl和边缘点的曲率半径ρ，由此便确定了该档位处的回转中心。所以整个筒体的检测主要是寻找感应条的位置，所有感应条所在截面的回转中心点的连线就是窑体轴线。

2 改进模糊综合评价法

利用改进模糊综合评价模型对回转窑运行轴线、支承力等方面进行综合评价[8]。其中回转窑的运行轴线主要针对轴线直线度，支承力主要针对载荷分布。直线度按照国家最新颁布的《形状和位置公差标准》[9](GB/T 1184-1996)，支承力主要根据筒体材料强度等性能参数[10-11]，建立综合隶属度，构建综合指标评价模型。

2.1 构建模糊判断矩阵

通过隶属度函数构建模糊矩阵[12]。隶属度函数有三角形、高斯型、梯形隶属度函数等，相对隶属度函数有递增型和递减型，指标数值越高等级越高为递增型；反之，为递减型。递增和递减型隶属度函数如下：

若为递减型，xij≤yim,yi1>xij>yim；yi1≤xij；若为递增型，xij≥yim,yi1

根据现场测量数据，即样本特征值，代入上面相对隶属度的计算公式可以确定模糊判断矩阵R=(rij)n×m，n为指标个数，m为等级数。

2.2 确定评价指标权重

层次分析法[13-14]是确定权重的非常有效的方法，通过构造层次结构图将复杂指标分层，各个层次之间存在关系，便得到了指标与评价主体之间的关系，通过权重体现。

(1) 确定评价因素构造层次图。评价主体即是最终要评价的对象，在层次结构图中处于目标层，只有一项。评价因素是最终对评价目标产生影响的因素，在层次图中处于方案层或措施层。对评价主体有n个评价因素，则因子集表示为x={x1,x2,…,xn}。

(2) 构造层次判断矩阵。所建的层次结构图包括目标层、准则层和方案层，判断矩阵是准则层对目标层的判断矩阵和方案层对准则层的判断矩阵。判断矩阵是采用1～9标度[13]的正负反矩阵，根据专家打分或调查文献等方法两两比较各个因素的重要程度。最终确定层次判断矩阵S=(cij)p×p。准则层和方案层判断矩阵的构造方法相同。

(3) 计算权重。计算层次判断矩阵的最大特征值λmax，将最大特征值对应的特征向量w看作评价指标的权重向量。而最终确定评级指标的权系数是准侧层和方案层权向量之积，称为层次总排序。

(4) 一致性检验。层次分析法的检验分为层析单排序和层次总排序检验，检验原理近似。假设判断矩阵阶数为n，一致性指标表示为：

Saaty在创立层次分析法时，利用计算机随机产生1 000个样本矩阵，这些判断矩阵仍满足正负反矩阵，表示样本随机的重要程度。由于样本矩阵数量较多，可以一定程度上代表一般的重要程度，计算样本矩阵的一致性指标，取平均即得到平均随机一致性指标RI。当一致性指标与随机一致性指标之比满足：CR=CI/RI<0.1时，一致性检验通过，说明判断矩阵具有较好的一致性。当不满足条件，还需反复调整判断矩阵，保证检验通过为准。

2.3 模糊综合评价及其算子

由层次分析法确定权向量A，基于相对隶属度函数确定的模糊关系矩阵R，通过模糊合成算子得到综合评价模型：

B=A∘R

模糊合成算子按照综合程度、体现权重、体现模糊矩阵以及合成方式可分为4种，选用其中体现权数作用明显，综合程度强，利用模糊矩阵数据充分，合成为加权平均的方式算子M(·,⊕)计算综合评价矢量B，具体如下：

3 回转窑机械运行状态评价

回转窑的机械运行状态主要包括回转轴线和支承力。利用改进模糊综合评价法评价轴线直线度和支承力大小，为回转窑的运行状态划分等级，提高测量和预警的准确性。实验室模拟在相同的情况下，正圆柱与椭圆柱轴线重合情况，取样时间为4 h，1 h为一间隔，取平均值。根据检测原理，系统需要对采集的数据处理，并通过上位机动态显示。

3.1 运行状态等级标准

根据国家标准，轴线直线度标准值及等级见表1。

表1 直线度公差值及等级

注：等级标准为公差值

由于回转窑轴线直线度较低，可大致可分成5个等级，便于计算与评价。

对支承力，没有统一的标准来划分受力等级，根据以往文献[10-12]，结合有限元分析及筒体破裂情况，将支承力大致划分等级。具体如下：第一档载荷小于20 MPa为一级，20～40 MPa为二级，40～60 MPa为三级，60～80 MPa为四级，80 MPa以上为五级，级数越高运行状态越差。第二档4 MPa以下为一级，4～8 MPa为二级，8～12 MPa为三级，12～16 MPa为四级，16 MPa为五级。大齿圈处，小于1 MPa为一级，1～2.5 MPa为二级，2.5～4 MPa为三级MPa，4～5.5 MPa为四级，5.5 MPa以上为五级。

对于支撑件的热工制度稳定性等其他因素，主要测量回转窑温度值，按温度特性划分等级。

3.2 实测数据分析

采用测量精度较高的测量技术测量回转窑回转轴线、支承力等量，采用分档测量的方法，测量各档位轴线偏移量、支承力、温度等值见表2。

表2 回转窑各档位参数

3.3 确定模糊矩阵

根据相对隶属度函数、测量值与标准值，得到各个档位模糊矩阵：

3.4 确定权重

根据以往文献，结合较新的观点[4,11]，确定评价指标的层次判断矩阵如下：

利用Matlab计算最大特征值为λmax=3.064 9。一致性指标为：

判断矩阵为三阶，根据文献[9]，随机一致性指标RI取0.58，一致性比例为：

通过一致性检验，所得的权向量即为所求，将权向量归一化后得权系数矩阵如下：

3.5 不同档位的运动状态评价

对于档位1、2.3，模糊综合评价向量分别为：

B1=A°R1=[0 0 0 0.18 0.82]

B2=A°R2=[0 0.02 0.24 0.08 0.65]

B3=A°R3=[0.03 0.04 0 0.09 0.84]

从综合评价向量来看，回转窑运行状态较好的是第三档，其次是第二档，第一档运行状态最差。综合考虑了回转轴线、温度、支承力这3个因素，3个档位的综合指标均集中在五级，即最差的一级，少部分分布在第一级。按照三因素等级与回转窑运行状态的关系，等级越高，机械运行状态最差，则此次测量的回转窑运行状态时较差的。结果如图3所示。

图3 系统检测结果

4 结 语

回转窑运行状态的优劣是回转窑生产加工的关键，本文通过对回转窑运行轴线、温度、支承力的综合评价，得到回转窑运行状态等级指标。从数据分析结果看，各档位运行状态有所区别，但整体运行状态较差。模型自身可能存在问题有待优化，笔者正尝试分析不同采集数据的回转窑状态评价，进一步优化模型。

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Research of Measuring Rotary Kiln Based on Improved Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

LIUHong-ling,XUYa-feng,YANGDong-hao,JIANGTao

(Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221000, China)

The rotary kiln works on a heavy load and high temperature with a long time. Hence, its body may deform and result in the production accidents．This paper introduced the principle of detecting rotary kiln performance parameters and used camera for data acquisition, and designed detection system. An improved fuzzy comprehensive evaluation was used to evaluate mechanical running condition of rotary kiln, and the estimation provided a basis for further evaluation. The camera was used to detect the center of rotation of the gear section, so as to obtain the axis of rotation. Improved fuzzy comprehensive evaluation of fuzzy judgment matrix was constructed by the relative membership function to determine the index weight. Combining the fuzzy vector operator, AHP was applied to carry out comprehensive evaluation. In the actual detection, through the standardization of linearity, temperature, supporting force, the classification of each stall rotary kiln operating status was achieved. Experimental test results showed the online detection system of rotary kiln could get running condition grading index of rotary kiln .

rotary kiln; detection system; fuzzy comprehensive evaluation; AHP

2015-01-28

刘红玲(1965-)，女，江苏徐州人，副教授，主要研究方向为计算机应用。

Tel.：13615105561；E-mail： jolmu_langma@xzit.edu.cn

徐亚峰(1980-)，男，江苏东台人，副教授，主要研究方向为计算机应用、网络工程。

TP 391.5

A

1006-7167(2015)11-0038-04

Tel.：0516-83105053；E-Mail：jolmu_langma@xzit.edu.cn