模型參考自適應控制在失重計量技術上的應用研究

北京工商大學材料與機械工程學院 蘇 登 湯曉華

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模型參考自適應控制在失重計量技術上的應用研究

北京工商大學材料與機械工程學院 蘇 登 湯曉華

【摘要】失重計量技術是通過檢測稱重倉內物料重量在單位時間內的減少量控制螺旋送料器轉速，以實現精確給料的目的。這種計量方法理論上可以達到較高精度，但是當物料參數發生變化或者失重秤運行過程中受到外界環境的干擾時不能進行實時自適應控制，會造成配料組分精度下降，最終影響產品的性能指標和產品質量。本文研究將模型參考自適應控制理論應用到失重計量技術上，開發失重稱重機電系統，實現失重稱重計量。

【關鍵詞】失重計量；模型參考自適應控制；應用研究

前言

自適應控制是在人們要求越來越高的控制性能和針對被控系統的高度復雜化、高度不確定性的情況下產生的，是人工智能滲入到應用科技領域的必然結果，自適應控制理論的產生為解決復雜系統控制問題開辟了新途徑，成為當下控制領域的研究和發展熱點[1]。自適應控制中的模型參考自適應控制本質上是按照反饋控制原理設計的，在參考模型始終具有期望的閉環性能的前提下，使系統在運行過程中，力求保持被控過程的響應特性與參考模型的動態性能一致。當廣義誤差向量e不為0時，自適應機構按照一定規律改變可調機構的結構或參數或直接改變被控對象的輸入信號，以使得系統的性能指標達到或接近希望的性能指標。

本文主要研究的是將自適應控制中的模型參考自適應控制方法應用到失重計量技術上，實時在線控制失重稱重精度，可以有效地減少現有失重計量技術由于對物料參數變化及外界干擾的自適應能力不強而造成的誤差，能夠很好地消除結構擾動引起的系統誤差且保證系統具有全局漸進穩定性。

1 模型參考自適應控制

模型參考自適應控制是應用最廣泛的一種自適應控制技術，它的顯著特點是原理簡單，而且設計方法非常豐富，模型參考自適應控制本質上是按照反饋控制原理設計的，它的基本結構如圖1所示。

模型參考自適應系統主路由控制器和被控對象組成，盡管圖中的控制器和被控對象看上去只是串聯關系，但是事實上可以有各種連接和補償。與主路并聯的是參考模型，參考模型是根據控制目的設計的理想系統，通常假定參考模型的輸出完全達到設計目標。在控制器和被控對象都處于正常狀態的時候，主路上控制器和被控對象的組合其輸出也應該是理想的，這時偏差e=0。然而當各種各樣的原因使得控制器與被控對象產生了變化，偏離了原先的設計，造成e≠0，偏差信號輸入自適應結構，自適應結構按照預先制定的→規則產生調節方案，改變控制器的參數或者結構，使得被控對象的輸出yp逼近參考模型的輸出ym，也即e→0[2]。

圖1 模型參考自適應系統框圖Fig1. MRAC system diagram

2 失重計量技術簡介

2.1 失重計量原理

失重計量系統是將給料螺旋、攪拌器和稱重倉安裝在一起，該總體放置在稱重傳感器上，組成一個單獨的秤，通過柔性連接，該稱與其他設備分離，通過稱重傳感器檢測稱重倉內物料重量在單位時間內的減少量控制螺旋送料器轉速，以實現精確給料的目的。

圖2 失重計量系統圖Fig2. weightlessness measurement system diagram

失重計量給料系統，是根據稱重傳感器檢測單位時間內稱重倉內重量的減少量，連續計算出投料量的多少，并根據投料量大小與投料量的設定值的比較結果，控制器通過模擬電壓輸出給變頻器來控制三相交流電機調整給料螺旋的轉速，從而使投料量與其設定值相符，隨著給料的連續進行，稱重倉物料重量不斷減少，直到稱重倉內物料重量達到給定下限值時，稱重倉進料閥門打開，開始向計量倉內進料，直到計量倉內物料重量達到給定上限值后，進料閥門關閉，重新開始測量和控制[3]。

稱重倉在進料期間無法進行投料量大小的測量，這時只能鎖定給料螺旋的轉速（即進料圓頂閥打開前最后的轉速）保持投料量不變，因此進料時間不能夠太長，否則將導致投料量偏差大而影響失重稱重精度，故一般要求補料過程與失重計量過程時間之比不大于1：10。

2.2 失重計量技術的應用

在塑料行業多組分配料過程中，原料配料比決定產品成分，因此該環節是生產的關鍵工序之一，其配料精度直接影響到產品的質量、能耗、成本等各項技術經濟指標[4]，而失重計量系統可以精確快速的進行多組分配料，大大提高了原有人工操作的生產效率，經濟效益明顯提升。

3 研究方案

3.1 被控對象特性分析

在設計一個控制系統之前，首先要對被控對象的特性加以分析，如圖3所示為失重秤傳動系統圖，根據此傳動鏈結構建立相應的數學模型，即建立以伺服電動機的轉角為輸入量、螺旋送料器的轉角為輸出量時該失重秤傳動鏈的傳遞函數，初步推算傳遞函數為包括的二階系統（分別為螺旋送料器及各軸折算到電機軸上的等效總轉動慣量、等效總粘性阻尼系數和等效總剛度系數）[5]。

圖3 失重秤傳動系統圖Fig3. Loss-in-weight driving system diagram

3.2 確定控制器初始參數

根據上述計算出的二階系統的傳遞函數，初步確定前饋調節器和反饋調節器的初始參數。

3.3 建立參考模型

參考模型代表系統希望的輸出響應，是根據控制目的設計的理想系統，通常假定參考模型的輸出完全達到設計目標。在設計中，參考模型必須是穩定的，并且是完全可控和完全可觀測的。本文中按照失重計量的數學模型建立理想的參考模型，參考模型的輸出應該是失重秤在當前設定流量下的理想輸出，如圖3所示。

圖4 模型參考自適應控制系統Fig4.MRAC system

3.4 設計自適應算法

模型參考自適應控制的關鍵問題是如何選擇自適應機構的自適應算法，以確保系統有足夠的穩定性，且可調系統與參考模型的特性相一致，即使得廣義誤差趨于最小。自適應機構比較參考模型輸出和實際輸出兩者之差，確定自適應規律，然后改變調節器參數，使實際輸出盡量逼近理想輸出。當前設計自適應機構、確定自適應律的方法主要采用局部參數最優化方法（MIT方法），MIT方法理論簡單、實施方便、可用模擬元件實現，實質是一個可調增益的系統，可以很好的滿足課題要求[6]。

4 結論

綜上所述，將自適應控制中的模型參考自適應控制方法應用到失重稱重技術上，實時在線控制失重稱重精度，可以有效地降低現有失重稱重技術由于對物料參數變化及外界干擾的自適應能力不強而造成的誤差，能夠很好地消除結構擾動引起的系統誤差且保證系統具有全局漸進穩定性。

參考文獻

[1]韓正之,陳彭年,等.自適應控制[M].清華大學出版社, 2011,04.

[2]吳忠強,樸春俊.模型參考自適應控制理論發展綜述[J].信息技術,2007,07.

[3]梁海軍.失重秤在工業生產中的應用[J].科技傳播,2011,07.

[4]王金林.失重秤應用實例分析[J].科技應用,2010,03.

[5]王福忠,高彩霞,等.基于模糊控制的失重秤配料過程控制策略[J].河南理工大學學報(自然科學版),2008,06.

[6]梁春燕,鐘慶昌,等.基于模型參考的自適應PID控制器[J].上海交通大學學報,2000,05.

蘇登（1991-），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要從事機電一體化方面的研究。

作者簡介：

課題來源：北京工商大學2015年研究生科研能力提升計劃項目資助。