基于模糊控制的水泥生產(chǎn)線配料控制系統(tǒng)

朱達(dá)榮 ，汪 萍 ，王 雅

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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(jì)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(jì)量控制系統(tǒng)具有非線性、慣性、滯后性和隨機(jī)性等缺點(diǎn)，在實(shí)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(jī)和牛頓7000系列模塊對(duì)配料系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，在此基礎(chǔ)上，引入模糊控制策略對(duì)各種配比成分進(jìn)行控制，實(shí)踐證明控制效果非常理想。對(duì)水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 物料計(jì)量和控制方法

確保水泥質(zhì)量的關(guān)鍵是物料嚴(yán)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(jì)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(jì)量方式為流量計(jì)算，即對(duì)稱重傳感器信號(hào)和皮帶運(yùn)行速度的乘積進(jìn)行積分[1]，這種方式計(jì)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(shí)物標(biāo)定，且誤差大。

圖1 皮帶秤稱重示意圖

在反復(fù)試驗(yàn)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(diǎn)為下料點(diǎn)，B點(diǎn)為出料點(diǎn)，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)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(shí)間為T，傳感器信號(hào)直接對(duì)應(yīng)每一秤物料的重量，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡單方便，而且標(biāo)定時(shí)只需掛碼靜態(tài)標(biāo)定，而非繁瑣復(fù)雜的實(shí)際大物料(幾噸至幾十噸)動(dòng)態(tài)流量標(biāo)定。

本文采用調(diào)速皮帶秤計(jì)量控制方式設(shè)定下料周期T，實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，選用了牛頓7000系列遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)模塊和工業(yè)計(jì)算機(jī)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(qiáng)抗干擾和雙看門狗設(shè)計(jì)，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(jī)使用RS232通訊口與網(wǎng)絡(luò)連接，基本上任何一臺(tái)有RS232的計(jì)算機(jī)都可使用此網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備互換性好，維護(hù)人員的工作難度和工作量也很小[2-3]。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成圖

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(bǔ)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(dòng)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△u，由給定計(jì)算出的直接控制量為u，u+△u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。

由于每種物料成分及其配比各不相同，其偏差、偏差積分量、偏差微分量的基本論域[a，b]也不相同。首先將 x∈[a，b]變換成 y∈[-Xe，Xe]的連續(xù)區(qū)間：

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?yàn)閧-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。

圖3 下料模糊控制原理圖

式中，c={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。 由于本系統(tǒng)偏差比較大，應(yīng)采用低分辨率的隸屬函數(shù)，故d=1.2～3。同理，確定輸出量的論域和模糊子集：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}、u={NB，BM，BS，ZO，PS，PM，PB}。

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(shí)和手動(dòng)操作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立模糊控制規(guī)則(如表1)存放于知識(shí)庫中，在模糊推理時(shí)為推理機(jī)提供控制規(guī)則。

表1 模糊控制控制規(guī)則表(U)

由于被控對(duì)象只能接收一個(gè)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(hào)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(duì)該配料模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號(hào)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(dòng)的誤差。

調(diào)整模糊論域中每個(gè)元素的隸屬函數(shù)(式2)的d值，考慮到下料量波動(dòng)的隨機(jī)性，為得到良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(jì)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(bǔ)償上一控制周期所產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，也驗(yàn)證系統(tǒng)超調(diào)量小、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。

圖4 配料模糊控制仿真模型

針對(duì)水泥生產(chǎn)線中配料系統(tǒng)，提出一種準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)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(dòng)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(yùn)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(shí)還減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)管理水平。系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，以及較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]岳慶寅.水泥廠計(jì)量手冊(cè)[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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(2).

[4]曹承志.微型計(jì)算機(jī)控制新技術(shù)[M].北京:機(jī)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.