摘 要: 在水泥生產(chǎn)線配料自動控制系統(tǒng)中,引入模糊控制策略,構(gòu)建二維模糊控制器,以下料量偏差e的積分和偏差變化率作為輸入量,以給定值作為輸出量,對下料量進行無偏差控制。經(jīng)過MATLAB仿真并應(yīng)用于實際工程項目中,表明模糊配料控制系統(tǒng)優(yōu)于PID控制系統(tǒng),對水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證,具有明顯的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞: 水泥生產(chǎn)線;模糊控制;配料系統(tǒng);仿真
在水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中大量采用電子皮帶秤來計量和控制物料下料量。由于物料成分及形狀多種多樣、水泥生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣等原因,皮帶秤計量控制系統(tǒng)具有非線性、慣性、滯后性和隨機性等缺點,在實際控制應(yīng)用中,很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型,用傳統(tǒng)的PID控制方法不能很好地解決這些問題。而以語言規(guī)則模型為基礎(chǔ)的模糊控制理論卻是解決上述問題的有效途徑和方法。采用工控機和牛頓7000系列模塊對配料系統(tǒng)進行整體控制,在此基礎(chǔ)上,引入模糊控制策略對各種配比成分進行控制,實踐證明控制效果非常理想。對水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證,具有明顯的經(jīng)濟效益。
1 物料計量和控制方法
確保水泥質(zhì)量的關(guān)鍵是物料嚴格按配比配料,而各物料的配比量來自皮帶秤的稱料量,皮帶秤的計量是否準(zhǔn)確就成了影響水泥質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
常見的計量方式為流量計算,即對稱重傳感器信號和皮帶運行速度的乘積進行積分[1],這種方式計算工作量大、流量控制復(fù)雜、穩(wěn)定性差,并且皮帶秤的標(biāo)定很麻煩,需要大物料的實物標(biāo)定,且誤差大。
在反復(fù)試驗研究基礎(chǔ)上,采用了一種準(zhǔn)靜態(tài)直接稱重法,工作原理如圖1所示。設(shè)A點為下料點,B點為出料點,從A點到B點的運行時間為皮帶的周期T(一般10 s左右,為已知量并且預(yù)先設(shè)置),物料流量的積分時間為T,傳感器信號直接對應(yīng)每一秤物料的重量,這種方法的優(yōu)點是運算簡單方便,而且標(biāo)定時只需掛碼靜態(tài)標(biāo)定,而非繁瑣復(fù)雜的實際大物料(幾噸至幾十噸)動態(tài)流量標(biāo)定。
本文采用調(diào)速皮帶秤計量控制方式設(shè)定下料周期T,實現(xiàn)了無偏差控制。
2 配料控制系統(tǒng)構(gòu)成
水泥廠環(huán)境惡劣(高粉塵、噪音、高溫、高電磁干擾等),為實現(xiàn)遠距離控制,選用了牛頓7000系列遠端數(shù)據(jù)模塊和工業(yè)計算機來完成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。牛頓7000系列模塊采用RS485方式通訊,系統(tǒng)只需用一條雙絞線即可聯(lián)結(jié),其具有的高通信速率、高采樣分辨率、智能化、光電隔離、強抗干擾和雙看門狗設(shè)計,使系統(tǒng)可靠性高,數(shù)據(jù)高速I/O成為可能,軟件開發(fā)也比較容易[2]。而且主機使用RS232通訊口與網(wǎng)絡(luò)連接,基本上任何一臺有RS232的計算機都可使用此網(wǎng)絡(luò),設(shè)備互換性好,維護人員的工作難度和工作量也很小[2-3]。
3 配料模糊控制系統(tǒng)
配料系統(tǒng)在無誤差控制過程中,如果偏差沒有糾正(補償),將導(dǎo)致配比失衡,出現(xiàn)大量的廢料,造成損失。為保證配料系統(tǒng)的無誤差及良好的動態(tài)指標(biāo),系統(tǒng)中將誤差的積分量和微分量作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的輸出為控制值的修正量Δu,由給定計算出的直接控制量為u,u+Δu經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出控制下料器。配料模糊控制器原理圖如圖3所示。
選取不同的量化因子將偏差積分量、偏差微分量離散化,模糊集的論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。其模糊子集e={NB,BM,BS,ZO,PS,PM,PB}。采用式(2)來分別擬合模糊集合的隸屬度。
配料模糊控制器的輸入變量為偏差積分ei和偏差微分ed,輸出變量為u,其相應(yīng)的語言變量為Ei、Ed、U,在專家知識和手動操作經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立模糊控制規(guī)則(如表1)存放于知識庫中,在模糊推理時為推理機提供控制規(guī)則。
由于被控對象只能接收一個精確的數(shù)字控制量,無法接收模糊控制量,必須經(jīng)過清晰化(信號的濾波調(diào)理)接口,將模糊量u轉(zhuǎn)換成精確量u*,精確量u*乘以比例因子ku,再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出下料控制器。本系統(tǒng)中模糊判決方式采用加權(quán)平均法[4]:
4 配料模糊控制系統(tǒng)仿真
利用Matlab中的fuzzy工具箱和Simulink工具箱對該配料模糊控制系統(tǒng)進行仿真研究,配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生下料偏差,本例中模擬產(chǎn)生正弦波動的誤差。
調(diào)整模糊論域中每個元素的隸屬函數(shù)(式2)的d值,考慮到下料量波動的隨機性,為得到良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo),元素0處的分辨率取低,元素6處分辨率取高。按照表1所列控制規(guī)則,利用Matlab/Toolboxs/Fuzzylogic/FIS計算出控制量查詢表,控制量查詢?nèi)S圖如圖5所示,系統(tǒng)模糊集變量圖如圖6所示。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整量化因子和比例因子,可以得到下料模糊控制仿真曲線,如圖7。從仿真結(jié)果可以看出:采用模糊控制方式,系統(tǒng)能快速補償上一控制周期所產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過實際應(yīng)用,也驗證系統(tǒng)超調(diào)量小、魯棒性強的特點[5]。
針對水泥生產(chǎn)線中配料系統(tǒng),提出一種準(zhǔn)靜態(tài)計量方式,采用模糊控制策略,取得良好的控制效果。本文研究的水泥生產(chǎn)線自動配料控制系統(tǒng)在數(shù)家中、小水泥廠生料、熟料生產(chǎn)線上投運以來,大大提高了水泥生產(chǎn)質(zhì)量,增加了產(chǎn)量,降低能耗,同時還減輕了工人勞動強度,提高了水泥生產(chǎn)的自動化水平和生產(chǎn)管理水平。系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益,以及較高的推廣應(yīng)用價值。
參考文獻
[1] 岳慶寅.水泥廠計量手冊[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1993.
[2] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.
[3] 陳佩江.串行通訊在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2002,7(2).
[4] 曹承志.微型計算機控制新技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001:193-230.
[5] 石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.