《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于模糊控制的水泥生產(chǎn)線配料控制系統(tǒng)
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2010年第17期
朱達(dá)榮1,,2,汪 萍2,,王 雅2
1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,,安徽 合肥 230009;2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)
摘要: 在水泥生產(chǎn)線配料自動(dòng)控制系統(tǒng)中,,引入模糊控制策略,,構(gòu)建二維模糊控制器,以下料量偏差e的積分和偏差變化率作為輸入量,,以給定值作為輸出量,,對(duì)下料量進(jìn)行無(wú)偏差控制。經(jīng)過MATLAB仿真并應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中,,表明模糊配料控制系統(tǒng)優(yōu)于PID控制系統(tǒng),,對(duì)水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,。
Abstract:
Key words :

摘  要:水泥生產(chǎn)線配料自動(dòng)控制系統(tǒng)中,,引入模糊控制策略,構(gòu)建二維模糊控制器,,以下料量偏差e的積分和偏差變化率作為輸入量,,以給定值作為輸出量,對(duì)下料量進(jìn)行無(wú)偏差控制,。經(jīng)過MATLAB仿真并應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中,,表明模糊配料控制系統(tǒng)優(yōu)于PID控制系統(tǒng),對(duì)水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證,,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,。
關(guān)鍵詞: 水泥生產(chǎn)線;模糊控制;配料系統(tǒng),;仿真

    在水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中大量采用電子皮帶秤來(lái)計(jì)量和控制物料下料量,。由于物料成分及形狀多種多樣、水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣等原因,,皮帶秤計(jì)量控制系統(tǒng)具有非線性,、慣性、滯后性和隨機(jī)性等缺點(diǎn),,在實(shí)際控制應(yīng)用中,,很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型,用傳統(tǒng)的PID控制方法不能很好地解決這些問題,。而以語(yǔ)言規(guī)則模型為基礎(chǔ)的模糊控制理論卻是解決上述問題的有效途徑和方法,。采用工控機(jī)和牛頓7000系列模塊對(duì)配料系統(tǒng)進(jìn)行整體控制,在此基礎(chǔ)上,,引入模糊控制策略對(duì)各種配比成分進(jìn)行控制,,實(shí)踐證明控制效果非常理想。對(duì)水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證,,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,。
1 物料計(jì)量和控制方法
    確保水泥質(zhì)量的關(guān)鍵是物料嚴(yán)格按配比配料,而各物料的配比量來(lái)自皮帶秤的稱料量,,皮帶秤的計(jì)量是否準(zhǔn)確就成了影響水泥質(zhì)量的關(guān)鍵因素,。
    常見的計(jì)量方式為流量計(jì)算,即對(duì)稱重傳感器信號(hào)和皮帶運(yùn)行速度的乘積進(jìn)行積分[1],,這種方式計(jì)算工作量大,、流量控制復(fù)雜、穩(wěn)定性差,,并且皮帶秤的標(biāo)定很麻煩,,需要大物料的實(shí)物標(biāo)定,且誤差大,。
    在反復(fù)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,,采用了一種準(zhǔn)靜態(tài)直接稱重法,工作原理如圖1所示,。設(shè)A點(diǎn)為下料點(diǎn),,B點(diǎn)為出料點(diǎn),,從A點(diǎn)到B點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間為皮帶的周期T(一般10 s左右,,為已知量并且預(yù)先設(shè)置),物料流量的積分時(shí)間為T,,傳感器信號(hào)直接對(duì)應(yīng)每一秤物料的重量,,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單方便,而且標(biāo)定時(shí)只需掛碼靜態(tài)標(biāo)定,而非繁瑣復(fù)雜的實(shí)際大物料(幾噸至幾十噸)動(dòng)態(tài)流量標(biāo)定,。

    本文采用調(diào)速皮帶秤計(jì)量控制方式設(shè)定下料周期T,,實(shí)現(xiàn)了無(wú)偏差控制。
2 配料控制系統(tǒng)構(gòu)成
    水泥廠環(huán)境惡劣(高粉塵,、噪音,、高溫、高電磁干擾等),,為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制,,選用了牛頓7000系列遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)模塊和工業(yè)計(jì)算機(jī)來(lái)完成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2,。牛頓7000系列模塊采用RS485方式通訊,,系統(tǒng)只需用一條雙絞線即可聯(lián)結(jié),其具有的高通信速率,、高采樣分辨率,、智能化、光電隔離,、強(qiáng)抗干擾和雙看門狗設(shè)計(jì),,使系統(tǒng)可靠性高,數(shù)據(jù)高速I/O成為可能,,軟件開發(fā)也比較容易[2],。而且主機(jī)使用RS232通訊口與網(wǎng)絡(luò)連接,基本上任何一臺(tái)有RS232的計(jì)算機(jī)都可使用此網(wǎng)絡(luò),,設(shè)備互換性好,,維護(hù)人員的工作難度和工作量也很小[2-3]。

3 配料模糊控制系統(tǒng)
    配料系統(tǒng)在無(wú)誤差控制過程中,,如果偏差沒有糾正(補(bǔ)償),,將導(dǎo)致配比失衡,出現(xiàn)大量的廢料,,造成損失,。為保證配料系統(tǒng)的無(wú)誤差及良好的動(dòng)態(tài)指標(biāo),系統(tǒng)中將誤差的積分量和微分量作為模糊控制器的輸入,。模糊控制器的輸出為控制值的修正量Δu,,由給定計(jì)算出的直接控制量為u,u+Δu經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出控制下料器,。配料模糊控制器原理圖如圖3所示,。

   
    選取不同的量化因子將偏差積分量、偏差微分量離散化,,模糊集的論域?yàn)閧-6,,-5,,-4,-3,,-2,,-1,0,,1,,2,3,,4,,5,6},。其模糊子集e={NB,,BM,BS,,ZO,,PS,PM,,PB},。采用式(2)來(lái)分別擬合模糊集合的隸屬度。

    配料模糊控制器的輸入變量為偏差積分ei和偏差微分ed,,輸出變量為u,,其相應(yīng)的語(yǔ)言變量為Ei、Ed,、U,,在專家知識(shí)和手動(dòng)操作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立模糊控制規(guī)則(如表1)存放于知識(shí)庫(kù)中,在模糊推理時(shí)為推理機(jī)提供控制規(guī)則,。


    由于被控對(duì)象只能接收一個(gè)精確的數(shù)字控制量,,無(wú)法接收模糊控制量,必須經(jīng)過清晰化(信號(hào)的濾波調(diào)理)接口,,將模糊量u轉(zhuǎn)換成精確量u*,,精確量u*乘以比例因子ku,再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出下料控制器,。本系統(tǒng)中模糊判決方式采用加權(quán)平均法[4]:
 
4 配料模糊控制系統(tǒng)仿真
    利用Matlab中的fuzzy工具箱和Simulink工具箱對(duì)該配料模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,,配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生下料偏差,,本例中模擬產(chǎn)生正弦波動(dòng)的誤差,。

    調(diào)整模糊論域中每個(gè)元素的隸屬函數(shù)(式2)的d值,考慮到下料量波動(dòng)的隨機(jī)性,,為得到良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo),,元素0處的分辨率取低,,元素6處分辨率取高,。按照表1所列控制規(guī)則,,利用Matlab/Toolboxs/Fuzzylogic/FIS計(jì)算出控制量查詢表,控制量查詢?nèi)S圖如圖5所示,,系統(tǒng)模糊集變量圖如圖6所示,。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整量化因子和比例因子,可以得到下料模糊控制仿真曲線,,如圖7,。從仿真結(jié)果可以看出:采用模糊控制方式,系統(tǒng)能快速補(bǔ)償上一控制周期所產(chǎn)生的偏差,。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用,,也驗(yàn)證系統(tǒng)超調(diào)量小、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)[5],。

    針對(duì)水泥生產(chǎn)線中配料系統(tǒng),,提出一種準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)量方式,采用模糊控制策略,,取得良好的控制效果,。本文研究的水泥生產(chǎn)線自動(dòng)配料控制系統(tǒng)在數(shù)家中、小水泥廠生料,、熟料生產(chǎn)線上投運(yùn)以來(lái),,大大提高了水泥生產(chǎn)質(zhì)量,增加了產(chǎn)量,,降低能耗,,同時(shí)還減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)管理水平,。系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,,以及較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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