朱達榮 ，汪 萍 ，王 雅

(1.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；2.安徽建筑工業(yè)學院 機械與電氣工程學院，安徽 合肥 230022)

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，在實際控制應用中，很難建立其精確的數(shù)學模型，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確就成了影響水泥質(zhì)量的關鍵因素。

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、流量控制復雜、穩(wěn)定性差，并且皮帶秤的標定很麻煩，需要大物料的實物標定，且誤差大。

圖1 皮帶秤稱重示意圖

在反復試驗研究基礎上，采用了一種準靜態(tài)直接稱重法，工作原理如圖1所示。設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，為已知量并且預先設置)，物料流量的積分時間為T，傳感器信號直接對應每一秤物料的重量，這種方法的優(yōu)點是運算簡單方便，而且標定時只需掛碼靜態(tài)標定，而非繁瑣復雜的實際大物料(幾噸至幾十噸)動態(tài)流量標定。

本文采用調(diào)速皮帶秤計量控制方式設定下料周期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)絡連接，基本上任何一臺有RS232的計算機都可使用此網(wǎng)絡，設備互換性好，維護人員的工作難度和工作量也很小[2-3]。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成圖

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，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△u，由給定計算出的直接控制量為u，u+△u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。

由于每種物料成分及其配比各不相同，其偏差、偏差積分量、偏差微分量的基本論域[a，b]也不相同。首先將 x∈[a，b]變換成 y∈[-Xe，Xe]的連續(xù)區(qū)間：

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。

圖3 下料模糊控制原理圖

式中，c={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。 由于本系統(tǒng)偏差比較大，應采用低分辨率的隸屬函數(shù)，故d=1.2～3。同理，確定輸出量的論域和模糊子集：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}、u={NB，BM，BS，ZO，PS，PM，PB}。

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，其相應的語言變量為 Ei、Ed、U，在專家知識和手動操作經(jīng)驗基礎上建立模糊控制規(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。

表1 模糊控制控制規(guī)則表(U)

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，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)過實際應用，也驗證系統(tǒng)超調(diào)量小、魯棒性強的特點[5]。

圖4 配料模糊控制仿真模型

針對水泥生產(chǎn)線中配料系統(tǒng)，提出一種準靜態(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，以及較高的推廣應用價值。

[1]岳慶寅.水泥廠計量手冊[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，1993.

[2]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社，1999.

[3]陳佩江.串行通訊在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2002，7(2).

[4]曹承志.微型計算機控制新技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001：193-230.

[5]石辛民.模糊控制及其 MATLAB仿真[M].北京:清華大學出版社，2008.