基于模糊控制的自動加料裝置控制系統(tǒng)研究

曹 暉，岳 慶，陳金亮

（1.西安陜鼓動力股份有限公司，陜西西安710075；2.西安建筑科技大學工業(yè)設計系，陜西西安710055）

0 引言

加料裝置正向高精度、高性能方向發(fā)展，加料系統(tǒng)日益走向復雜化、精確化，加料生產中的過程控制、管理和決策任務越來越繁重，因此，加料裝置自動化是很多動力設備非常重要的組成部分。現(xiàn)有的加料裝置完全是按照經驗設定的曲線來進行控制，容易造成資源浪費。加料裝置的物理特征很難用絕對精確的數(shù)學模型建立，因而傳統(tǒng)閉環(huán)控制只適用于十分簡單且偏差變化慢的控制系統(tǒng)。一般控制系統(tǒng)開始的不穩(wěn)定性十分強烈，傳統(tǒng)控制穩(wěn)定性受到外界影響變化劇烈，影響加料裝置控制系統(tǒng)精度。復雜的控制系統(tǒng)不易建立，且控制參數(shù)不好選擇，跟不上時代潮流。因此，需要在加料器控制系統(tǒng)中加入新的控制算法改良控制的穩(wěn)定性和精度[1-3]。

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡稱模糊控制（Fuzzy Control），它是一門應用非確定語言來進行實際控制的學科，它應用模糊的語言變量、模糊的集合及模糊邏輯來實現(xiàn)人的模糊思考的方式，以便于對那些無法應用準確的語言變量、集合及數(shù)學模型的對象和發(fā)展過程來準確控制[4]。模糊控制具有如下特點：①使用簡單，不需要用繁雜的數(shù)學計算出程序方程式；②與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制系統(tǒng)依賴于行為語言規(guī)則，使人類更容易理解掌握；③開始是處理不確定的集合理論，結果則是明確的語言規(guī)則。

1 模糊控制基本原理

模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學、模糊語言形式以及模糊邏輯理論為基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環(huán)結構的數(shù)字控制系統(tǒng)。在控制原理上它應用模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，模擬人的模糊思維方法，對復雜過程進行控制[5]。

模糊控制器是模糊系統(tǒng)的主要研究對象，一個模糊控制系統(tǒng)的性能好壞，主要取決于模糊控制器的結構、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素。模糊邏輯控制的基本結構如圖1所示。

圖1 模糊控制器的組成示意圖

模糊控制器由以下五部分組成：

（1）模糊化。其作用就是將確定的實數(shù)輸入量轉換為模糊量，即模糊集合及其相應的隸屬度。同樣的理由，設模糊控制器的一個輸出為；

（2）數(shù)據(jù)庫。存放所有確定值的地方；

（3）規(guī)則庫。它是基于專家和工作人員的了解，按人的理解表述結果。

（4）推理機。選擇合適的規(guī)則然后推出相關信息的結果。

（5）解模糊化。通過各種解模糊的公式把開始的模糊值，即不能直接用來作為被控對象的控制量，將其轉換成一個可以被執(zhí)行機構所實現(xiàn)的精確量。

2 控制系統(tǒng)設備選型

2.1 I/O模塊的選型

根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇的I/O模塊如下：

（1）DI模塊：X20DI4371。X20數(shù)字量輸入模塊，4個輸入量，24 VDC，漏式，可配置的輸入濾波，3線連接技術。

（2）DO 模塊：X20DO6322。X20數(shù)字量輸出模塊，6個輸出，24VDC，0.5A，源式，2線連接技術。

（3）AI模塊：X20AI2622。X20模擬量輸入模塊，2 個輸入，±10V/0-20mA/4-20mA，12-bit分辨率，可配置的輸入濾波。

（4）AO 模塊：X20AO4622。X20模擬量輸出模塊，4 路輸出端，±10V/0 to 20mA，12-bit分辨率。

2.2 中央處理器（CPU）的選型

X20系統(tǒng)模塊是三位一體，即模塊分為三個部分：總線模塊、電子模塊、端子模塊，并可帶電熱插拔。每個X20最多有12個接口，具有智能控制器和I/O系統(tǒng)。模塊間的通信通過X2XLink分布式底板，其設計為用戶使用提供了極大的靈活性。本地I/O和遠程I/O無需昂貴的總線模塊，使用者可以決定其性能和拓撲結構。系統(tǒng)終端使用完全集成的和直接插入連接器系統(tǒng)，其安裝簡單，無需專用工具，可實現(xiàn)快速安裝。其模塊結構尺寸為12.5mm×99mm×75mm，可見其結構非常緊湊，為應用提供了極大方便。

選擇CPU模塊：X20CP0292。X20 CPU，緊湊型CPU μP 25，750 KByte SRAM，3.4 MB FlashPROM，緊湊型CPU底座上集成RS232/CAN接口，1個Ethernet接口（100 Base-T）。

2.3 電源模塊的選型

選擇電源模塊的大小和確定其位置可以依據(jù)以下原則：電源模塊的大小根據(jù)所有模塊的總的耗電量來確定；電源模塊可以安裝在I/O總線的任意地方。但通常I/O總線的最右端安裝一個電源模塊；電源模塊不能直接與耗電量大的模塊直接相連，這樣電源模塊會發(fā)熱。

根據(jù)上述原則，選擇的電源模塊：X20PS9500。該電源模塊為緊湊型CPU、總線型CPU、內部I/O、X2X Link供電的電源模塊。

3 控制系統(tǒng)設計方案

3.1 控制系統(tǒng)概述

加料裝置控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

（1）產量給定值：系統(tǒng)給定。

（2）反饋量：實際產量值（當前產量值），可通過對加料罐重量歷史值進行處理得到。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

（3）偏差Δ：產量給定值與當前產量值之差。

（4）控制器：可采用PID控制，也可根據(jù)系統(tǒng)偏差及偏差的變化量由模糊控制算法求得控制量，以控制直流伺服電機的轉速。

（5）控制對象：直流伺服電機用于控制加料罐給料器的轉速，轉速越大，出料越多，通過稱重裝置可測量加料罐的當前重量。

（6）稱重數(shù)據(jù)處理模塊：為軟件數(shù)據(jù)處理模塊，目的是根據(jù)加料罐歷史重量值計算出當前的產量值。

3.2 系統(tǒng)的重量檢測

系統(tǒng)的重量檢測流程如圖3所示。

（1）當前重量檢測：每100ms讀取一次重量傳感器的值并記錄，每1s記錄10個數(shù)值，按照數(shù)字濾波算法求取為當前重量值。

圖3 重量值檢測流程圖

（2）當前產量計算：按上述方法每1s可求出一個重量檢測值，記錄前30個歷史數(shù)據(jù)，用30s前的重量值減去當前重量值，再除以時間間隔（30s），即可求得當前產量值。

（3）產量值設定：由上位機組態(tài)軟件設定，范圍為6～18kg/h，程序中使用的單位為g/s，所以需作單位變換；同時設定給定縮放因子，取值范圍為0.99～1.01。最終的產量值為設定值與給定縮放因子之乘積，單位為g/s。

（4）誤差限設置：在控制算法上設置了兩個誤差限：誤差限 1（±0.01，±1%）和誤差限 2（±0.01，±1%）。對于設定產量值較大的，兩個誤差限可設定為實際值+0.1和-0.1。

（5）最大、最小重量值檢測：系統(tǒng)需要設定最大、最小重量值，即加料過程物料的上、下限。在操作界面中設有相應的指示燈，當重量值大于上限值或小于下限值時，相應指示燈亮。同時當下限指示燈亮時，系統(tǒng)進行補料控制。

（6）系統(tǒng)補料控制：如果系統(tǒng)當前重量值小于系統(tǒng)最小重量值超過一定時間（設為5s），系統(tǒng)進入補料狀態(tài)。補料狀態(tài)時，打開補料閥，電機工作于恒速下，50s后系統(tǒng)結束補料狀態(tài)，自動進入正常加料過程。

3.3 系統(tǒng)電機轉速計算

系統(tǒng)電機轉速計算流程圖如圖4所示。

（1）方法：每100ms讀取一次高速計數(shù)器的值，并記錄，每1s記錄10個數(shù)值，計算平均值作為當前電機轉速值。

（2）電機初始轉速設定：當產量為12kg/h時，電機初始速度設為7200（數(shù)字量輸出AO模塊）。設產量設定值每增加1kg時，電機初始速度增加200（數(shù)字量）；而產量設定值每減少1kg時，電機初始速度減少200（數(shù)字量）。

（3）電機速度控制量計算：由產量給定值與反饋值之差求得系統(tǒng)的偏差及偏差的變化量，根據(jù)控制算法求出電機的速度控制量。

圖4 電機轉速計算流程圖

（4）補料控制過程中電機轉速的計算：記錄系統(tǒng)自動加料過程中，滿足系統(tǒng)誤差允許的最近的10個數(shù)據(jù)，取其平均值作為補料過程中電機轉速值。

4 結束語

我國的加料裝置，經過多年的改進有了一定基礎，已經可以獨立生產多種物料的加料裝置，且有一定的精度和穩(wěn)定性。但是同種機型與國外同類機型相比穩(wěn)定性和精度仍落后，主要是由于我們國家對加料裝置還停留在傳統(tǒng)控制算法中，沒有在工程中加入先進算法等多種控制算法。傳統(tǒng)控制理論主要解決簡單且陳舊模式的加料裝置控制問題，對于比較復雜的加料裝置控制問題，精確的數(shù)學方程就很難解決。針對上述問題，本文研究了基于模糊控制的加料裝置控制系統(tǒng)。模糊控制無論在理論上和實用上都是一門很新穎的科學，正處于不斷發(fā)展和完善的進程之中，相信在不久的將來，隨著理論算法研究的進步和完善以及與實際生產的進一步結合，先進算法將在工業(yè)控制中發(fā)揮作用，展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

[1]王樹青.工業(yè)過程控制工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[2]崔彩芬，劉建民，趙晉征.液態(tài)穩(wěn)定劑的自動加料裝置[J].河北工業(yè)科技，2004，21（5）：43-44.

[3]易傳云，熊 烽，杜潤生.輕質微細物料自動加料裝置的設計[J].起重運輸機械，2002（1）.

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