氣墊式流漿箱控制系統的設計與實現

張柄　馬文明　趙金國

摘要：氣墊式流漿箱控制系統主要的控制對象是壓力和液位，其數學模型難以建立，在工作過程中可能會隨時發生變化，并且存在輸入量和輸出量之間的耦合關系，即系統中每一個控制回路的輸入信號對所有回路的輸出都有影響，而每一個回路的輸出又影響所有的輸入；本課題通過設計模糊解耦控制器提高控制系統性能，經現場調試運行，取得良好控制效果。

關鍵詞：流漿箱；解耦；模糊控制

中圖分類號：TS736

文獻標識碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802008

氣墊式流漿箱控制系統主要控制流漿箱內部的壓力和液位[1]。通過調節沖漿泵和羅茨風機的轉速，就會改變沖漿泵的上漿量和羅茨風機鼓入的空氣量。這兩個量主要影響流漿箱的壓力和液位。箱體內的壓力一部分由紙漿產生，一部分由空氣產生，壓力決定了流漿箱噴布到成形網的紙漿速度。在流漿箱控制系統中，被控對象壓力和液位的數學模型難以建立，并且控制結構隨時可能會發生變化。模糊控制是將操作者的長期操作經驗寫成模糊語言，一旦現場信號輸入控制系統，模糊控制器就會結合控制經驗，得到輸出值。因被控對象壓力和液位內部存在著輸入量和輸出量之間的耦合關系，所以本課題結合模糊控制本身所具有的解耦控制功能設計了模糊解耦控制器[2]，通過現場調節控制系統的 PID 參數，以取得良好的控制效果。

1控制系統分析及控制器的設計

11控制系統分析

氣墊式流漿箱控制系統的壓力和液位具有嚴重的耦合和非線性。在車速較低的情況下（低于300 m/min），不需要采取解耦控制也可以基本滿足控制要求，然而在車速較高時，系統微小的波動都會對系統造成較大的影響，因而解耦控制在這種場合下是必不可少的。應用一般的解耦控制器時，需要知道被控對象精確的數學模型。隨著控制技術的不斷發展，被控對象也變得越來越復雜，同時控制精度要求很高，所以，解耦控制器的設計就變得非常的繁瑣和復雜。由于難以得到被控對象的精確數學模型，設計解耦控制器也存在難度。同時，解耦控制器的適應性差，魯棒性不好。因此，需要一種設計簡單、不依賴被控對象數學模型、適應性強、魯棒性好的解耦控制器。結合這些特點，模糊控制器是

非常合適的選擇。模糊控制器本身就具有解耦的功能，它不但克服了傳統解耦控制器的不足而且具有模糊控制的許多優點[3]。

12控制器的設計

解耦控制方法一般有對角矩陣法、單位矩陣法和前饋補法，在此采用對角矩陣法設計模糊解耦控制器，通過得到解耦控制器的數學模型，在控制系統中增加解耦控制器，使控制系統內部控制量和輸出量之間的耦合關系發生改變，得到解耦的效果[4]，使原來的控制系統和解耦后的控制系統等效。在兩個變量的控制系統中，解耦控制系統如圖1所示。

當輸入不變時，靜態解耦控制可以取得較好的控制效果，當輸入發生變化時，解耦效果就顯得沒那么好了，這是因為解耦矩陣D是固定的，所以本設計采用模糊控制實現多變量之間的靜態解耦控制，控制系統如圖2所示。

13模糊控制規則的設計

（1）模糊控制器的輸入和輸出

結合流漿箱控制的工藝要求，在這里選擇總壓的誤差、總壓誤差變化率、液位誤差、液位誤差的變化率為模糊控制器的輸入；選擇沖漿泵變頻器的電流和羅茨風機變頻器的電流為模糊控制器的輸出。

（2）模糊論域及其量化因子的確定

根據模糊控制器的設計經驗，輸出變量的量化因子對于控制系統有主要的影響作用。若選擇的太大，就會引起系統的震蕩；若選擇的太小，系統的調節時間就會變長。因此，根據長期的調試經驗得到控制系統輸出回路的基本論域為：

3控制系統的軟件設計

在流漿箱的控制程序中，主要包括主程序、電動機控制程序、采樣程序、模擬量輸入濾波及 PID模塊程序，主程序只要是對各個子程序的調用。

在電動機控制程序中，通過使用狀態變量控制著勻漿輥電動機、羅茨風機電動機以及沖漿泵電動機的啟停。同時當每個電動機開始工作之后會有狀態返回信號，實現在上位機界面上的顯示。采樣程序采樣的是流漿箱的壓力、液位及網速信號。濾波程序主要是完成對壓力信號、液位信號以及網速信號的濾波。在 STEP 7Micro/WIN 軟件中，帶有 PID 模塊。在使用時只需設定PID 的給定值、過程值以及手自動切換位的狀態，PID模塊就可以工作。

氣墊式流漿箱控制系統的兩個控制回路——漿位回路與總壓回路，在數據處理和控制運算方面等的邏輯思想類似，這意味著在編程時可以采用工程中常用的模塊化編程思想：將常用功能模塊化，在需要時可直接調用。氣墊式流漿箱控制系統程序流程圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，程序開始后先調用初始化、啟動/停止控制、手/自動標志等常規模塊，然后進入漿位與總壓的控制階段。在編程設計中，采用手動與自動控制兩種方案，這就需要通過模式判斷來確定漿位與總壓各采用了哪種控制方案，同時為了防止手/自動切換擾動，還引入了無擾動切換思想。最終根據當前狀態，進行控制輸出。

4調試及結果分析

按圖7施工完畢之后，系統進入總調階段，總調的主要順序是按先強后弱、先手動后自動、先近后遠的原則，調試流程如圖8所示。

在以上檢查的步驟完成之后，進入上位機參數設置界面對相應的參數進行設置，參數設定界面如圖9所示。

從現場運行情況來看，氣墊式流漿箱控制系統的控制算法與硬軟件設計均完全滿足設計要求，得到了良好的預期控制效果。

5結論

本設計結合工業現場的項目經驗，對流漿箱現有的控制算法進行了優化，設計了模糊解耦控制器，經現場調試運行，取得了良好的預期控制效果。

參考文獻

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（責任編輯：常青）