基于現(xiàn)場總路線的模糊控制系統(tǒng)

　　Profibus-PA現(xiàn)場總線專為過程自動化而設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IECl158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求較高的場合即總線供電的站點。應(yīng)用模糊控制技術(shù)與ProfHbus-PA現(xiàn)場總線，過程測控控制系統(tǒng)的實現(xiàn)大為簡化，并具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點，本文將模糊控制技術(shù)與現(xiàn)場總線相結(jié)合設(shè)計了水泥回轉(zhuǎn)窯溫度智能測控系統(tǒng)。

　　一、干法回轉(zhuǎn)窯智能模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1 干法回轉(zhuǎn)窯工況分析

　　新型干法水泥生產(chǎn)過程中，預(yù)分解回轉(zhuǎn)窯具有大慣性、純滯后、非線性等特點。根據(jù)生產(chǎn)工況分析，回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度是影響水泥熟料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因而這兩個溫度的穩(wěn)定，能保持回轉(zhuǎn)窯具有好的燒成質(zhì)量和節(jié)能效果，同時對回轉(zhuǎn)窯熱工穩(wěn)定和穩(wěn)定運行都很重要，因此將燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度作為受控變量，而將影響燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度的回轉(zhuǎn)窯速度、喂煤量作為控制變量。通過調(diào)整回轉(zhuǎn)窯的拖動電機轉(zhuǎn)速、給煤電機轉(zhuǎn)速和喂料電機轉(zhuǎn)速來調(diào)整給煤量和喂料量。由于回轉(zhuǎn)窯難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的PID控制策略凹難以獲得滿意的控制品質(zhì)。本文采用模糊控制器實現(xiàn)對燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度的控制。

　　1.2 回轉(zhuǎn)窯模糊控制器設(shè)計

　　設(shè)燒成帶溫度和尾氣溫度分別用BT與GT表示，并把BT和GT作為被控制量，用ks、CS和MS分別表示窯主電機轉(zhuǎn)速、喂料電機轉(zhuǎn)速和喂煤電機轉(zhuǎn)速并作為控制量。其中生料下料量與窯速、排風(fēng)量與喂煤量在鍛燒過程中均保持一定比例關(guān)系，圖1為回轉(zhuǎn)窯溫度控制框圖?！　?/p>

　　1.2.1 被控制量與控制量模糊化

　　被控制量BT對應(yīng)的語言值模糊子集選取為{VL，LL，L，N，H，LH，VH}其中VL=太低;LL=較低;L=低;N=正常設(shè)定;H=高;LH=較高;VH=太高，并確定BT整數(shù)論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。被控制量GT對應(yīng)的語言值模糊子集選取為{VL，L，N，H，VH}，其中VL=太低;L=低;N=正常設(shè)定;H=高;VH=太高，并確定GT整數(shù)論域為{-2，-1，0，1，2}。

　　控制量KS對應(yīng)的語言值模糊子集選取為{NM，NS，M，PS，PM}，其中NM=較低速;NS=低速(稍慢);M=中速;PS=高速(稍快);PM=較高速;并確定KS的整數(shù)論域為{-2,-1，0，1，2}。控制量CS對應(yīng)的語言值模糊子集選取為{NM,NS,MK,PS,PM}，其中NM=較低速;NS=低速(稍慢);MK=中速保持;PS=高速(稍快);PM=較高速，確定CS的整數(shù)論域為{-2,-1，0，1，2}?？刂屏縈S對應(yīng)的語言值模糊子集選取為{NS,MK,pS}，其中NS=低速(稍慢);MK=保持;

　　PS=高速(稍快);確定MS的整數(shù)論域為{-1，O，1}。

　　1.2.2 模糊規(guī)則庫建立

　　對被控量BT、GT的變化量eBT和eGT進行采樣(通過A/D轉(zhuǎn)換)，同時對窯轉(zhuǎn)速KS、喂料電機轉(zhuǎn)速CS和喂煤電機轉(zhuǎn)速MS進行采樣，得到系統(tǒng)的幾組輸入輸出數(shù)據(jù)對，采用三角形模糊器和直接合成推理法建立模糊規(guī)則庫。

　　根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的工況要求和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，建立被控制量燒成帶溫度BT、窯尾溫度GT與控制量回轉(zhuǎn)窯主電機轉(zhuǎn)速朋的模糊控制規(guī)則如表1所示。　　

　　燒成帶溫度BT、窯尾溫度GT與控制量喂料電機轉(zhuǎn)速CS、喂煤電機轉(zhuǎn)速MS的模糊控制規(guī)則表可用同樣方法建立。

　　由表1可得IF BT是VL，且GT是VL，則KS為NM等模糊控制規(guī)則，結(jié)合模糊規(guī)則表可得模糊控制矩陣{Cij}。

　　采用組合推理，先求得模糊關(guān)系矩陣:　　

　　式中：Rij=Ai×Bj。

　　通過模糊關(guān)系矩陣計算輸出模糊控制量矩陣

　　C*=(A*×B*)ToR (2)

　　式中:"o"表示模糊矩陣的最大，即代數(shù)積合成運算。將上述過程編成程序，通過計算機求解控制器輸出C*的隸屬度;同樣可求得D*和E*的隸屬度。

　　1.2.3 解模糊

　　解模糊就是求出每一個模糊量輸出的精確值，即對模糊控制信號的隸屬函數(shù)圖形進行解模糊處理。在此采用質(zhì)量中心法COG(center of gravity)，結(jié)合加權(quán)平均，計算模糊輸出量C*的精確值，其求解方法為:　　

　　由上式可分別計算得到對輸入論域中不同離散值的精確輸出控制量。

　　二、基于ProHbus-PA回轉(zhuǎn)窯溫度控制實現(xiàn)

　　2.l Profibus-PA總線硬件設(shè)計

　　2.1.1 總線通信接口電路

　　通信接口電路采用SIEMENS專用芯片SPC4和SIMl芯片實現(xiàn)，SPC4集成了ProfibuS-DP和PA的全部協(xié)議，SPC4可處理報文、地址碼及備份數(shù)據(jù)序列，可完全按照協(xié)議，完成Profibus-PA網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信。SIMl(SIEMENS IEC Hl介質(zhì)連接單元)芯片與IEC Hl即Proflbus-PA信號兼容，作為SPC4的擴展芯片使用。Profibus-PA總線接口電路如圖2所示?！　?/p>

　　2.1.2 溫度控制與Profibus-PA總線通信接口電路

　　溫度檢測電路由紅外光電傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)、AT90S8515微處理器、LCD顯示器、報警電路等組成。紅外光電傳感器把水泥窯胴體表面溫度轉(zhuǎn)換為mV電壓信號，通過放大電路放大后輸出。紅外光電傳感器檢測窯胴體溫度，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過OP07進行放大，送ADCO809由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，ADCO809的時鐘由AT90S8515的ALE信號經(jīng)D觸發(fā)器4013二分頻后提供，AT90S8515的PA口決定了訪問ADCO809的地址，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后ADCO809的EOC送往AT90S8515產(chǎn)生中斷請求。

　　采用雙單片機完成回轉(zhuǎn)窯溫度測控與Profibus-PA總線信息交換，Profibus-PA總線接口電路單片機AT89S52和回轉(zhuǎn)窯溫度檢測導(dǎo)控制電路單片機AT90S8515通過讀取雙口RAMIDT7132完成數(shù)據(jù)交換，如圖3所示?！　?/p>

　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　由于ASIC芯片SPC4內(nèi)部集成了完整的Profibus-PA協(xié)議，因此AT89S52的主要任務(wù)是根據(jù)SPC4的產(chǎn)生的中斷對SPC4接收到的主站發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，組織要通過SPC4發(fā)給主站的數(shù)據(jù)，經(jīng)過SIM1市制后，由耦合器發(fā)送給主站，并根據(jù)要求組織外部診斷。Profibus-PA接口程序包括SPC4初始化程序和具體的I/O應(yīng)用程序，圖4為Profibus-PA總線與回轉(zhuǎn)窯溫度測控系統(tǒng)通信程序流程圖?！　?/p>

　　三、結(jié)束語

　　隨著生產(chǎn)過程自動化水平的不斷提高，自行開發(fā)基于總線的接口設(shè)備和各種智能設(shè)備將不斷出現(xiàn)，本文采用模糊控制技術(shù)，基于Profibus-PA現(xiàn)場總線、AT89S52和AT90S8515雙單片機設(shè)計了PA總線通信接口電路與回轉(zhuǎn)窯溫度測控系統(tǒng)，實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)通信可靠、便捷，具有廣泛的應(yīng)用價值。