基于模糊控制的高精度粉末給料系統研究

林春梅， 張德軍

（煙臺南山學院工學院， 山東 煙臺 265713）

引言

高精度粉末定量自動給料系統是一種應用在化工、醫藥、印染、食品加工和定量包裝等行業進行顆粒狀及粉末狀物料精確稱重配比的智能化設備，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，通過計算機設定給料數量并控制步進電機驅動螺旋輸送器，將料箱內的固體粉末物料輸出，電子天平實時監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，給料過程完成。目前大多數定量給料、配料系統的研究都是基于礦山、建材、水泥、鋼鐵等大型重工業生產配料的需要，采用傳統的PID控制算法，精度較差，難以適應高精度定量給料系統對計量精度的要求。

1 模糊控制在高精度粉末定量給料系統中的應用

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，前者電機連續轉動快速輸出物料，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系數學建模困難，傳統的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。模糊控制技術是一種基于自然語言控制規則、模糊邏輯推理的計算機控制技術，不依賴于系統的精確數學模型，而是由操作經驗、表述知識轉換成的“模糊規則”進行推理控制［2］，非常適合于在精度控制階段的控制要求。該系統模糊控制器的結構圖如圖2所示。

圖1 高精度粉末計量系統原理圖

圖2 精度控制模糊控制系統結構圖

1.2 輸入輸出量的確定及其模糊化

為保證給料精度，選取質量差值（設定質量與已給料質量的差值）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量作為系統的輸出量。設粉末物料質量差值語言變量為M，給料速度語言變量為Mc，脈沖頻率的語言變量為V，正反交替脈沖數的語言變量為P，它們的模糊子集分別為＝｛很大（VB），大（BG），中（MD），小（SM），很小（VS）｝（i＝1，2，3，4，5），論域分別為 X、Y、Z、T。根據沒有模糊控制時設備運行相對穩定的數據寫出其隸屬函數表如表1～4所示。

表1 輸入量設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 輸出量正反脈沖數隸屬度

1.3 模糊推理過程

根據專家知識和手工操作人員的經驗積累可以給出如下的模糊控制規則：

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；

根據上述模糊控制規則可以歸納為表5和表6所示。

表5 輸出脈沖頻率模糊規則表

表6 輸出量正反交替脈沖數模糊規則表

由表5根據Mamdani模糊推理方式可以得到輸出變量V的模糊關系：

由表6根據Mamdani模糊推理方式可以得到輸出變量P的模糊關系：

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。

根據模糊蘊含關系可以方便的計算出脈沖頻率和正反交替脈沖數量的模糊輸出量為：

1.4 反模糊處理

模糊量清晰化的方法有很多，由于本系統模糊區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的控制效率，根據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模糊查詢表

2 模糊控制的實現

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

圖3 精度控制過程流程圖

3 結語

將模糊控制技術應用于高精度自動給料系統，實現了根據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。實際應用表明模糊控制對給料的精度和生產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.自動配料控制系統的研制［J］.機電工程技術，2007，36（3）：71-72.

［2］ 諸靜.模糊控制理論及其應用［M］.北京：機械工業出版社，1995.

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