李庭貴，薛邵文

（1. 瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，瀘州 646005；2. 四川省瀘州市工程機(jī)械智能優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，瀘州 646005）

0 引言

燒結(jié)混合料中的水分在燒結(jié)過程中起著制粒、導(dǎo)熱、潤滑、助燃等各種作用，水分過高過低都會對燒結(jié)過程產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致混合制粒效果不好，影響混合料透氣性，最終造成燒結(jié)礦燒不透或過燒，直接影響產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，燒結(jié)料水分的相對穩(wěn)定是保證燒結(jié)過程順利進(jìn)行，提高燒結(jié)礦質(zhì)量和產(chǎn)量必不可少的條件之一，混合料水分的準(zhǔn)確檢測和自動控制是燒結(jié)工藝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[1]。

1 控制策略

燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)由電動執(zhí)行器、電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)、壓力開關(guān)、水分檢測儀、稱重裝置和控制裝置等組成[2]，如圖1所示，系統(tǒng)比較復(fù)雜，具有時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性等特點(diǎn)。在此種情況下，如果單純采用常規(guī)PID控制算法，系統(tǒng)存在調(diào)節(jié)時(shí)間長、超調(diào)量大等缺點(diǎn)，而且參數(shù)不易在線實(shí)時(shí)調(diào)整，難以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的要求；此外，系統(tǒng)頻繁的調(diào)節(jié)也容易引起系統(tǒng)的振蕩，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和魯棒性差。PID控制效果的好壞完全取決于PID參數(shù)的調(diào)整。針對傳統(tǒng)PID控制的不足，將模糊控制與PID控制結(jié)合起來，本文采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法[3～6]，誤差較小時(shí)采用PID控制，誤差較大時(shí)采用模糊控制，共同應(yīng)用于燒結(jié)混合料水分的控制。

圖1 燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)示意圖

由操作工在上位計(jì)算機(jī)輸入混合料目標(biāo)水分值inr，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)核算出混合料入料量，依據(jù)混合料入料量和混合料目標(biāo)水分值inr核算出當(dāng)前所需加水量，對混合料進(jìn)行加水。同時(shí)利用紅外水分儀實(shí)時(shí)檢測加水后的混合料含水量outy ，與目標(biāo)水分值值inr進(jìn)行比較，根據(jù)兩者偏差e采用模糊PID算法對加水量進(jìn)行修正，確?；旌狭纤址€(wěn)定在控制目標(biāo)范圍內(nèi)，滿足生產(chǎn)需求。燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.1 目標(biāo)水分值確定

由于燒結(jié)原料中主要料種鐵精粉的產(chǎn)地不確定，造成燒結(jié)過程中對混合料水分需求不同，控制系統(tǒng)無法獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)水分值。因此，由廠礦實(shí)驗(yàn)室對不同原料燒結(jié)過程對水分需求進(jìn)行試驗(yàn)后得到理論數(shù)據(jù)，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中混合料料比結(jié)構(gòu)確定混合料水分目標(biāo)中線，控制系統(tǒng)將輸入的燒結(jié)混合料目標(biāo)水分值inr作為控制目標(biāo)值，由操作工在上位計(jì)算機(jī)中設(shè)置。

圖2 燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 混合料水分檢測

實(shí)現(xiàn)自動加水首先要解決的問題是混合料水分的在線檢測。本系統(tǒng)選用NDC紅外技術(shù)公司的MM710型紅外水分儀進(jìn)行混合料水分在線檢測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入PLC控制系統(tǒng)，以便控制系統(tǒng)根據(jù)水分偏差調(diào)節(jié)混合料加水量。

1.3 水流量檢測

為了穩(wěn)定混合料水分，需要在線實(shí)時(shí)檢測水流量，實(shí)現(xiàn)恒定供水。本系統(tǒng)選用上海儀華測控儀表有限公司的SDLDBE插入式電磁流量計(jì)，它是一種測量導(dǎo)電流體體積流量的感應(yīng)式儀表，對水流量進(jìn)行在線自動檢測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)送入PLC控制系統(tǒng)，作為過程參數(shù)。

1.4 加水量控制

一燒車間一次混合共有3臺混合機(jī)，為6臺燒結(jié)機(jī)提供混合料，其獨(dú)立劃分為3個系統(tǒng)。燒結(jié)混合料加水一般采用公式（混合機(jī)加水量=（混合機(jī)干料量+物料總水量）×目標(biāo)水分-配合料入料水量）進(jìn)行計(jì)算，但是由于一次混合機(jī)入料是由料倉下的給料圓輥直接將物料送至混合機(jī)內(nèi)部，入料端無法安裝電子秤等物料重量檢測設(shè)備，給加水量確定和調(diào)節(jié)帶來了很大難度。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用反算法得出混合機(jī)入料量參與控制。

因生產(chǎn)現(xiàn)場管網(wǎng)壓力不穩(wěn)，使用調(diào)節(jié)閥控制時(shí)會因管網(wǎng)壓力變化造成加水量波動，造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻繁，控制精度降低。因此本系統(tǒng)采用變頻水泵加水方式，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的，實(shí)現(xiàn)加水量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

為解決管道內(nèi)水流量波動造成加水量不穩(wěn)定，滿足恒定加水需求，控制系統(tǒng)最后一級采用PID調(diào)節(jié)方式對水流量進(jìn)行控制。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前加水量與模糊控制輸出調(diào)節(jié)量核算出新的加水控制量作為目標(biāo)值，與電磁流量計(jì)檢測的實(shí)時(shí)流量進(jìn)行對比調(diào)節(jié)，做到定量加水。

2 參數(shù)自整定模糊PID控制器設(shè)計(jì)

由于外界干擾因素的影響，或者系統(tǒng)負(fù)載的變化，燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)的特征參數(shù)或結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，采用常規(guī)PID算法難以取得理想的控制效果，下面采用參數(shù)自整定模糊PID算法對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.1 輸入變量模糊化

在燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)中，采用二維模糊控制器，根據(jù)偏差和偏差的變化來進(jìn)行控制。因此，模糊控制器的輸入變量取為系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，可按照公式（1）計(jì)算。

式中： inr為混合料加水目標(biāo)值； outy 為混合料出口紅外線水分儀測量的實(shí)際水分值。

2.2 輸出變量模糊化

PID控制器的離散化算式[7]為：

式中： kp為比例系數(shù)； ki為積分系數(shù)； kd為微分系數(shù)；k為采樣序列； e( k)和 e( k - 1 )分別為第k和第(k - 1 )時(shí)刻系統(tǒng)的偏差信號。

因此，模糊控制器輸出語言變量為比例系數(shù)ΔKP、積分系數(shù)ΔKI、微分系數(shù)ΔKD。設(shè)定ΔKP、ΔKI、 ΔKD的模糊子集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，選用正態(tài)函數(shù)們的隸屬度函數(shù)。

2.3 建立模糊控制規(guī)則

參數(shù)自整定模糊PID控制以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，根據(jù)模糊控制規(guī)則，在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同時(shí)刻的e和ec對參數(shù)自整定的要求[7,8]。

根據(jù)操作工的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)工程技術(shù)人員的專家知識，并綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度、超調(diào)量、穩(wěn)定性和魯棒性等性能指標(biāo)，構(gòu)建模糊規(guī)則表。

1）PΔK整定原則：當(dāng)響應(yīng)在上升過程時(shí)（e為正），pkΔ取正，即增大pk；當(dāng)超調(diào)時(shí)（e為負(fù)），pkΔ取負(fù)，即降低pk；當(dāng)誤差在零附近時(shí)（e為零），分三種情況：ec為負(fù)時(shí)，超調(diào)越來越大，此時(shí)pkΔ取負(fù)；ec為零時(shí)，為了降低誤差，正向誤差越來越大，pkΔ取正[7]。PΔK整定的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 PΔK的模糊規(guī)則表

2）IΔK整定原則：采用積分分離策略，即誤差在零附近時(shí)，ikΔ取正，否則ikΔ取零[7]。IΔK整定的模糊規(guī)則如表2所示。

表2 IΔK的模糊規(guī)則表

3）DΔK整定原則：DΔK整定的模糊規(guī)則如表3所示。

表3 DΔK的模糊規(guī)則表

2.4 模糊推理與輸出量解模糊

系統(tǒng)控制算法主要由兩個部分組成：一是PID算法，它可以根據(jù)水分設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差計(jì)算得到電動調(diào)節(jié)閥的控制量，從而達(dá)到對水分的控制；二是模糊控制算法，用來根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以期達(dá)到最優(yōu)控制。燒結(jié)混合料水分模糊PID控制算法流程圖如圖3所示。

圖3 燒結(jié)混合料水分模糊PID控制算法流程圖

由系統(tǒng)偏差和偏差變化率的量化論域，根據(jù)輸入語言變量偏差E和偏差變化率EC，應(yīng)用Mamdani模糊推理合成規(guī)則，求出相應(yīng)輸出語言變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊集合，應(yīng)用最大隸屬度法對此模糊集合進(jìn)行模糊判決，可得到ΔKP、ΔKI、ΔKD的精確值Δkp、Δki、Δkd，并帶入?yún)?shù)修正公式（3）即可求出 ki、 ki、 kd。將 ki、 ki、 kd帶入公式（2），可求出k時(shí)刻加入到被控系統(tǒng)的控制量u(k)，從而在線對PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整[15～17]。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過在線仿真調(diào)試，得到燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)在常規(guī)PID算法和模糊PID算法兩種不同情況下的性能曲線，如圖4所示。

根據(jù)仿真結(jié)果分析比較，可以看出模糊PID控制比常規(guī)PID控制具有響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)定時(shí)間較長、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，顯示出良好的穩(wěn)態(tài)性能，控制效果比常規(guī)PID算法有了顯著的提高。

圖4 模糊PID控制與常規(guī)PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行情況

燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)中，采用上位機(jī)和下位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)控制。上位機(jī)采用GE公司的iFIX組態(tài)軟件，對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，采集并處理PLC上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再以動畫形式顯示，上位機(jī)還負(fù)責(zé)報(bào)警處理、流程控制等任務(wù)，并輸出歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線及報(bào)表。下位機(jī)采用施耐德昆騰140系列PLC，PLC采集現(xiàn)場儀表的信號，應(yīng)用模糊PID控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)控制量輸出控制現(xiàn)場設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)混合料水分的檢測與實(shí)時(shí)控制。燒結(jié)混合料加水系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 燒結(jié)混合料加水系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面

由于PLC采用循環(huán)掃描工作方式，導(dǎo)致控制系統(tǒng)一定的滯后，影響系統(tǒng)控制精度。為了滿足燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，在進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)建立的模糊語言變量賦值表和模糊控制規(guī)則表，建立離線的模糊控制查詢表，并存放在PLC的內(nèi)部存儲區(qū)域中，PLC對采樣得到的精確量e、ec進(jìn)行等級量化，得到其相應(yīng)的模糊化論域元素，進(jìn)行模糊推理與模糊判決，再通過查表獲得輸出控制量的量化值，最后將此量化值乘以比例因子后即可得到最終的精確控制量，這樣可以節(jié)省在線實(shí)時(shí)計(jì)算工作量，滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

一混加水控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，使一混系統(tǒng)混合料水分穩(wěn)定率由77.62%提高到93.15%，穩(wěn)定率提高15.53%。一混加水的穩(wěn)定，二混混合制粒效果明顯，混合料透氣性變好，燒結(jié)機(jī)熱狀態(tài)參數(shù)明顯改善：冷、熱段負(fù)壓均降低，其中熱段負(fù)壓降低0.21KP，冷段負(fù)壓降低0.36KP，垂直燒結(jié)速度提高0.92mm/min。從整體上看系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果，改善了燒結(jié)生產(chǎn)狀況，促進(jìn)了產(chǎn)能提升，為穩(wěn)定燒結(jié)主機(jī)生產(chǎn)效率奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明，通過在線調(diào)整PID參數(shù)，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效地解決了系統(tǒng)運(yùn)行中誤差不穩(wěn)定和動態(tài)特性不理想的問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，保證了燒結(jié)混合料濕度精度的控制要求。燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)提高了設(shè)備作業(yè)率和燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量，降低了能耗物耗，使燒結(jié)機(jī)的能力得到充分發(fā)揮以滿足燒結(jié)生產(chǎn)的工藝要求。

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