基于模糊控制的高精度粉末給料系統(tǒng)研究

林春梅， 張德軍

（煙臺南山學(xué)院工學(xué)院， 山東 煙臺 265713）

引言

高精度粉末定量自動給料系統(tǒng)是一種應(yīng)用在化工、醫(yī)藥、印染、食品加工和定量包裝等行業(yè)進行顆粒狀及粉末狀物料精確稱重配比的智能化設(shè)備，它具有稱重精度高、稱重范圍廣、自動化程度高等特點［1］。其工作原理如圖1所示，通過計算機設(shè)定給料數(shù)量并控制步進電機驅(qū)動螺旋輸送器，將料箱內(nèi)的固體粉末物料輸出，電子天平實時監(jiān)測輸出粉末物料的多少并反饋給計算機，直到輸出物料的重量達到誤差允許的范圍以內(nèi)，給料過程完成。目前大多數(shù)定量給料、配料系統(tǒng)的研究都是基于礦山、建材、水泥、鋼鐵等大型重工業(yè)生產(chǎn)配料的需要，采用傳統(tǒng)的PID控制算法，精度較差，難以適應(yīng)高精度定量給料系統(tǒng)對計量精度的要求。

1 模糊控制在高精度粉末定量給料系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 引入模糊控制

整個給料過程可以分為粗放下料階段和精度控制階段兩部分，前者電機連續(xù)轉(zhuǎn)動快速輸出物料，而后者電機以正反交替的抖動形式給料，用來保證給料精度。對于抖動的幅度和頻率與給料速度的關(guān)系數(shù)學(xué)建模困難，傳統(tǒng)的PID控制方法適用于粗放下料階段，無法滿足精度控制階段的需求。模糊控制技術(shù)是一種基于自然語言控制規(guī)則、模糊邏輯推理的計算機控制技術(shù)，不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而是由操作經(jīng)驗、表述知識轉(zhuǎn)換成的“模糊規(guī)則”進行推理控制［2］，非常適合于在精度控制階段的控制要求。該系統(tǒng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 高精度粉末計量系統(tǒng)原理圖

圖2 精度控制模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 輸入輸出量的確定及其模糊化

為保證給料精度，選取質(zhì)量差值（設(shè)定質(zhì)量與已給料質(zhì)量的差值）及其變化率作為輸入量，步進電機的脈沖頻率和抖動時正反交替脈沖數(shù)量作為系統(tǒng)的輸出量。設(shè)粉末物料質(zhì)量差值語言變量為M，給料速度語言變量為Mc，脈沖頻率的語言變量為V，正反交替脈沖數(shù)的語言變量為P，它們的模糊子集分別為＝｛很大（VB），大（BG），中（MD），?。⊿M），很小（VS）｝（i＝1，2，3，4，5），論域分別為 X、Y、Z、T。根據(jù)沒有模糊控制時設(shè)備運行相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)寫出其隸屬函數(shù)表如表1～4所示。

表1 輸入量設(shè)定重量與給料重量的差值隸屬度表

表2 輸入量給料速度隸屬度

表3 輸出量脈沖頻率隸屬度

表4 輸出量正反脈沖數(shù)隸屬度

1.3 模糊推理過程

根據(jù)專家知識和手工操作人員的經(jīng)驗積累可以給出如下的模糊控制規(guī)則：

if M＝VBand MC＝VBthen V＝MDand P＝MD；

if M＝VBand MC＝VSthen V＝VBand P＝VB；

……

if M＝VSand MC＝MDthen V＝SMand P＝VS；

if M＝VSand MC＝VSthen V＝MDand P＝VS；

根據(jù)上述模糊控制規(guī)則可以歸納為表5和表6所示。

表5 輸出脈沖頻率模糊規(guī)則表

表6 輸出量正反交替脈沖數(shù)模糊規(guī)則表

由表5根據(jù)Mamdani模糊推理方式可以得到輸出變量V的模糊關(guān)系：

由表6根據(jù)Mamdani模糊推理方式可以得到輸出變量P的模糊關(guān)系：

式中：×、∩均為min算子，取隸屬度的最小值。

式中：∪為max算子，取隸屬度的最大值。

根據(jù)模糊蘊含關(guān)系可以方便的計算出脈沖頻率和正反交替脈沖數(shù)量的模糊輸出量為：

1.4 反模糊處理

模糊量清晰化的方法有很多，由于本系統(tǒng)模糊區(qū)間劃分的嚴重不均勻性，為保證給料的精度，反模糊處理采用最大隸屬度最小值法（som）。即在模糊計算后的模糊集合上有n個點的隸屬度都取最大值，則取絕對值最小的點作為模糊集合的代表點［3］。為減少計算機模糊計算時間提高系統(tǒng)的控制效率，根據(jù)最大隸屬度最小值法（som）求出P和V的最大隸屬度的離散點并取整，制成模糊規(guī)則離線查詢表如表7和表8所示。

表7 輸出量脈沖頻率模糊查詢表

表8 輸出量正反交替脈沖數(shù)模糊查詢表

2 模糊控制的實現(xiàn)

自動給料系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機控制，控制程序由Visal c＋＋編程實現(xiàn)，控制流程圖如圖3所示。

圖3 精度控制過程流程圖

3 結(jié)語

將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于高精度自動給料系統(tǒng)，實現(xiàn)了根據(jù)出料量和出料速度的變化對抖動頻率和幅度的智能化控制。實際應(yīng)用表明模糊控制對給料的精度和生產(chǎn)效率有了很大的提高，具有良好的社會推廣前景。

［1］ 鐘輝，葉忠文.自動配料控制系統(tǒng)的研制［J］.機電工程技術(shù)，2007，36（3）：71-72.

［2］ 諸靜.模糊控制理論及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［3］ 何勝方.定量排料控制系統(tǒng)模糊控制 MATLAB仿真研究與實現(xiàn)［J］.安徽冶金，2008，1：17-22.