基于模糊控制的水泥生產(chǎn)線配料控制系統(tǒng)

在水泥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中大量采用電子皮帶秤來計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)場環(huán)境惡劣等原因，皮帶秤計量控制系統(tǒng)具有非線性、慣性、滯后性和隨機性等缺點，在實際控制應(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。采用工控機和牛頓7000系列模塊對配料系統(tǒng)進行整體控制，在此基礎(chǔ)上，引入模糊控制策略對各種配比成分進行控制，實踐證明控制效果非常理想。對水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證，具有明顯的經(jīng)濟效益。
1 物料計量和控制方法
確保水泥質(zhì)量的關(guān)鍵是物料嚴格按配比配料，而各物料的配比量來自皮帶秤的稱料量，皮帶秤的計量是否準(zhǔn)確就成了影響水泥質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
常見的計量方式為流量計算，即對稱重傳感器信號和皮帶運行速度的乘積進行積分[1]，這種方式計算工作量大、流量控制復(fù)雜、穩(wěn)定性差，并且皮帶秤的標(biāo)定很麻煩，需要大物料的實物標(biāo)定，且誤差大。
在反復(fù)試驗研究基礎(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點為下料點，B點為出料點，從A點到B點的運行時間為皮帶的周期T(一般10 s左右，為已知量并且預(yù)先設(shè)置)，物料流量的積分時間為T，傳感器信號直接對應(yīng)每一秤物料的重量，這種方法的優(yōu)點是運算簡單方便，而且標(biāo)定時只需掛碼靜態(tài)標(biāo)定，而非繁瑣復(fù)雜的實際大物料(幾噸至幾十噸)動態(tài)流量標(biāo)定。

本文采用調(diào)速皮帶秤計量控制方式設(shè)定下料周期T，實現(xiàn)了無偏差控制。
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)，為實現(xiàn)遠距離控制，選用了牛頓7000系列遠端數(shù)據(jù)模塊和工業(yè)計算機來完成。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、強抗干擾和雙看門狗設(shè)計，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]。而且主機使用RS232通訊口與網(wǎng)絡(luò)連接，基本上任何一臺有RS232的計算機都可使用此網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備互換性好，維護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)在無誤差控制過程中，如果偏差沒有糾正(補償)，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)的無誤差及良好的動態(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，模糊集的論域為{-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)的語言變量為Ei、Ed、U，在專家知識和手動操作經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立模糊控制規(guī)則(如表1)存放于知識庫中，在模糊推理時為推理機提供控制規(guī)則。

由于被控對象只能接收一個精確的數(shù)字控制量，無法接收模糊控制量，必須經(jīng)過清晰化(信號的濾波調(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工具箱對該配料模糊控制系統(tǒng)進行仿真研究，配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生下料偏差，本例中模擬產(chǎn)生正弦波動的誤差。

調(diào)整模糊論域中每個元素的隸屬函數(shù)(式2)的d值，考慮到下料量波動的隨機性，為得到良好的穩(wěn)態(tài)和動態(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)能快速補償上一控制周期所產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過實際應(yīng)用，也驗證系統(tǒng)超調(diào)量小、魯棒性強的特點[5]。

針對水泥生產(chǎn)線中配料系統(tǒng)，提出一種準(zhǔn)靜態(tài)計量方式，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)線上投運以來，大大提高了水泥生產(chǎn)質(zhì)量，增加了產(chǎn)量，降低能耗，同時還減輕了工人勞動強度，提高了水泥生產(chǎn)的自動化水平和生產(chǎn)管理水平。系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，以及較高的推廣應(yīng)用價值。
參考文獻
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