攪拌站控制系統(tǒng)的迭代自學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)

楊聚慶，劉嬌月，王光民

YANG Ju-qing1,LIU Jiao-yue1,WANG Guang-min2

（1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽 473009；2. 河南紅宇企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，鄭州 451450）

0 引言

攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到瀝青混凝土拌和料的生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及攪拌站自動(dòng)化控制和管理水平。在攪拌站配料控制過程中，由于落差及物料流不穩(wěn)定給實(shí)際控制配料精度帶來了較大的困難，動(dòng)態(tài)稱量過程中“飛料”、落料對(duì)秤的沖擊等因素的影響明顯。本文基于迭代自學(xué)習(xí)控制方法設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的補(bǔ)償量學(xué)習(xí)算法，根據(jù)算法程序?qū)崿F(xiàn)過程控制，提高了生產(chǎn)配料精度，降低了廢料率。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

攪拌站控制系統(tǒng)采用“計(jì)算機(jī)組態(tài)控制技術(shù)+PLC控制技術(shù)+優(yōu)化控制算法＋現(xiàn)場總線技術(shù)”的控制方案，通過PROFIBUSDP總線及以太網(wǎng)通信組成分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由上位機(jī)、PLC、分布式I/O單元、觸摸屏、變頻器、智能儀表等組成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 配料控制程序

配料控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，包括配方輸入、稱量、拌合、放料等過程控制。配料的準(zhǔn)確性直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量。配料控制通過PLC主站控制稱量裝置的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)配有石粉稱量裝置、熱骨料稱量裝置和瀝青稱量裝置，各種粒徑的石料按照一定的順序稱量而合用一臺(tái)稱量裝置，粉料用一臺(tái)稱量裝置，瀝青用一臺(tái)稱量裝置。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

配料過程分為四個(gè)子模塊區(qū)域：骨料稱量子模塊、料稱量子模塊、瀝青稱量子模塊、配料補(bǔ)償子模塊。通過程序塊將用戶程序分布到不同的塊中并建立塊調(diào)用的分層結(jié)構(gòu)來組織程序。

3 配料控制補(bǔ)償量分析

在配料控制過程中，物料從貯料倉下落到計(jì)量斗，到達(dá)計(jì)量斗后才能通過傳感器得到實(shí)際重量信號(hào)。由于空中尚有余料，因此傳感器得到的重量信號(hào)并不能及時(shí)反映從料斗下落的實(shí)際物料重量。而且，當(dāng)料門關(guān)閉后，最后計(jì)量斗內(nèi)的物料實(shí)際重量應(yīng)包括這部分落差量（也稱“飛料”）。落差及物料流不穩(wěn)定所引起的落差隨機(jī)變化，都給配料精度的提高帶來了較大的困難。

克服因落差引起的稱量誤差唯一的辦法就是在配料過程中，提前關(guān)閉給料門，即在到達(dá)配方設(shè)定值之前就關(guān)閉給料門，切斷料流。等待落差量全部落入計(jì)量斗，最后實(shí)際配料重量為關(guān)門時(shí)的重量值和落差值之和。只要使最后實(shí)際配料重量在設(shè)定值的允許偏差范圍之內(nèi)，就完成了配料的精度控制。配料控制的補(bǔ)償原理如圖2所示。由于受各種因素的影響，落差值是一個(gè)隨機(jī)的變量，究竟如何確定提前量（補(bǔ)償量），使得恰好等于落差值，便是需要解決的問題。

圖2 配料控制的補(bǔ)償原理

4 自學(xué)習(xí)迭代算法設(shè)計(jì)

圖3 迭代自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的控制過程圖

由于各物料是由高處落入秤中，粒徑大小、物料位置的高度、需要量的多少，甚至稱量的順序都直接影響配料的精度。一般采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與自學(xué)習(xí)調(diào)整相結(jié)合的方法解決落差量對(duì)配料精度的影響。以純滯后數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用經(jīng)驗(yàn)公式，采用迭代自學(xué)習(xí)控制方法對(duì)落差進(jìn)行預(yù)估及計(jì)算，實(shí)現(xiàn)落差自動(dòng)修正，提高計(jì)量的準(zhǔn)確度。

在迭代自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)中，控制作用的學(xué)習(xí)是通過對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)（控制作用與誤差的加權(quán)和）的記憶實(shí)現(xiàn)的，算法的收斂性依賴于加權(quán)因子的確定。這種學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)不變性的假設(shè)，以及基于記憶單元的間斷的重復(fù)訓(xùn)練過程。學(xué)習(xí)規(guī)律簡單可循，還可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練間隙的離線計(jì)算，因而不但有較好的實(shí)時(shí)性，而且對(duì)于干擾和系統(tǒng)模型的變化具有一定的魯棒性。迭代自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的控制過程如圖3所示。

首先在第一次稱量前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為設(shè)定一個(gè)補(bǔ)償量的初始值Wf1，

u值一般取配方值Wt的5%，第一次稱量就以配方值與它的差值作為控制值，達(dá)到WtWf1時(shí)發(fā)出關(guān)門信號(hào)提前結(jié)束稱量。此時(shí)實(shí)際稱量值W1與配方值Wt存在誤差△W1，

可以產(chǎn)生新的切換系數(shù)：

q為加權(quán)學(xué)習(xí)因子。

計(jì)算出第一次稱量的誤差，接著以初始值和實(shí)際誤差的加權(quán)值之和作為下一次的補(bǔ)償量，從而決定一個(gè)新的落差值，作為控制下一次稱量的依據(jù)，第二次稱量結(jié)束后，又計(jì)算出一個(gè)新的補(bǔ)償量，該補(bǔ)償量實(shí)際上是考慮了上二次的誤差后計(jì)算出來的。以此類推，以后每次都進(jìn)行這樣的修正，稱量次數(shù)越多，稱量的誤差就越小。

根據(jù)補(bǔ)償量的學(xué)習(xí)算法，編制了配料補(bǔ)償子模塊，每次稱量時(shí)調(diào)用。

在編制補(bǔ)償量控制算法程序時(shí)，采用表1中的算法公式。

表1 配料控制的補(bǔ)償量修正程序表

由表1可得出：

式中：n—設(shè)定的配料次數(shù)

Wt—物料計(jì)量配方值，直接取自輸入配比

Wci—提前關(guān)門量，各次實(shí)際控制的物料計(jì)量值

W fi —各次補(bǔ)償量

Wi—各次實(shí)際測量值

5 結(jié)論

基于迭代自學(xué)習(xí)控制方法的補(bǔ)償量學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)，對(duì)配料控制過程進(jìn)行了補(bǔ)償程序控制，提高了配料和控制精度，動(dòng)態(tài)稱量過程中“飛料”、落料對(duì)秤的沖擊等因素的影響明顯減小。實(shí)際使用測試，配料控制經(jīng)過4-5批次參數(shù)自動(dòng)修正后計(jì)量精度能夠達(dá)到骨料≤0.5%、粉料≤0.35%、瀝青≤0.3%，混合料的油石混合比≤0.3%，達(dá)到優(yōu)等品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，取得了滿意的使用效果。目前改設(shè)計(jì)已推廣應(yīng)用到國內(nèi)大中型瀝青混凝土攪拌設(shè)備，對(duì)筑路機(jī)械的國產(chǎn)化智能控制系統(tǒng)開發(fā)具有重要意義。

[1] 馮忠緒,趙利軍. 智能化攪拌設(shè)備[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版,2004,2(46)： 77-79.

[2] 楊聚慶,劉嬌月. 攪拌站電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電氣技術(shù),2009,4： 66-68.

[3] 林濤,王志文,王江波. LB2000型瀝青混凝土攪拌設(shè)備計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2006,2(32)：15-17.

[4] 田奇. 瀝青及混凝土攪拌站應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京： 中國建材工業(yè)出版社,2005.

[5] 陳拴發(fā),陳華鑫,鄭木蓮. 瀝青混合料設(shè)計(jì)與施工[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版,2006.