基于模糊控制的粗鈦白粉粉碎系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊 樂，余楚中

(1.重慶大學(xué)，重慶400045;2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶401120)

0 前言

硫酸法生產(chǎn)銳鈦型鈦白粉，是將購進的鈦礦砂用雷蒙機或者風(fēng)掃磨等粉碎成符合工藝要求的鈦礦粉，并送到儲存和計量鈦礦粉的料倉。經(jīng)過酸解、沉降、洗渣、結(jié)晶、鈦液壓濾、濃縮、水解、水洗、漂白、鹽處理、煅燒后進入粉碎和包裝過程，此步驟是將煅燒后的有些粘結(jié)的物料進行破碎。物料在雷蒙機內(nèi)，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的磨輥和磨環(huán)的撞擊，迅速被粉碎，再經(jīng)過分級葉輪的分級，粗料返回粉碎室，細(xì)料進入袋濾器，經(jīng)星型下料器進入螺旋送料器，送至成品料倉，進行包裝后即為成品。為實現(xiàn)粉碎包裝工藝的自動化，更好的控制雷蒙磨的轉(zhuǎn)速，達到粉碎顆粒滿足成品鈦白粉顆粒大小，做到精度高，無雜質(zhì)，定時、定量加入有機物，設(shè)計了PLC加組態(tài)王上位機監(jiān)控的形式對磨粉包裝工藝進行自動化改造。即以PLC作為下位機控制變頻器驅(qū)動雷蒙磨工作，上位機以IPC配以組態(tài)王Kingview 6.52實現(xiàn)對各系統(tǒng)的監(jiān)控，通過PLC和IPC的數(shù)據(jù)交換，使系統(tǒng)達到預(yù)期的控制目的。

1 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

PLC直接對設(shè)備進行控制。IPC是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行，完成對相關(guān)模型的復(fù)雜計算，現(xiàn)場實時畫面的監(jiān)控。對于鈦白粉粉碎系統(tǒng)，采用兩級控制方式。用一臺IPC作為上位機配以組態(tài)王Kingview 6.52進行遠程監(jiān)控，根據(jù)工作狀態(tài)和鈦白粉工藝模型調(diào)整參數(shù)，將現(xiàn)場的工況以良好的畫面顯示，并且能接受管理員的控制指令。下位機選用SIEMENS S7-300用作現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和反饋，根據(jù)參數(shù)反饋對設(shè)備進行直接控制。IPC與PLC之間由各自的通訊單元進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)框圖如圖1所示。在鈦白粉生產(chǎn)過程中，在分級機達到一定轉(zhuǎn)速的情況下，開啟主風(fēng)機，將雷蒙磨碾磨之后的鈦白粉吹過分級機，由于分級機轉(zhuǎn)速已調(diào)整至鈦白粉成品顆粒精度才能通過的狀態(tài)，因此產(chǎn)量受到雷蒙磨碾磨精度的影響，如碾磨精度過高，則產(chǎn)量下降;如碾磨精度過低，粗顆粒無法經(jīng)過分級機到達濾袋器，亦會影響產(chǎn)量。因此，在本系統(tǒng)中，依靠PLC加變頻器對雷蒙磨轉(zhuǎn)速進行PID控制，從而達到在滿足加工精度的同時，使產(chǎn)量最大化。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 上位機軟件設(shè)計

用IPC作為上位機，監(jiān)控軟件使用亞控公司組態(tài)王Kingview 6.52作為開發(fā)元件，對控制電路及生產(chǎn)過程進行仿真的二次開發(fā)，建立鈦白粉粉碎系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，生成的組態(tài)畫面如圖2所示。組態(tài)王Kingview 6.52提供豐富的圖庫集圖形開發(fā)工具，用戶可根據(jù)具體的工況，運用控件在畫面上自由搭配，并為每個控件和畫面提供方便的數(shù)據(jù)連接，使界面設(shè)計變得輕松。上位機軟件主要設(shè)計了主監(jiān)控畫面、磨機參數(shù)設(shè)置畫面、堿添加設(shè)置畫面、運行技術(shù)器畫面、報警信息查詢畫面、設(shè)備狀態(tài)畫面、監(jiān)控曲線查詢畫面等。主畫面仿真了各設(shè)備運行的狀態(tài)，通過監(jiān)控溫度、流量、壓力等參數(shù)，使工作人員很容易掌握系統(tǒng)的運行情況。各分畫面主要用于參數(shù)的設(shè)置及曲線圖形顯示，幫助工作人員對系統(tǒng)進行精確控制。

圖1 鈦白粉粉碎系統(tǒng)框圖

圖2 雷蒙磨自控系統(tǒng)組態(tài)畫面

1.2.2 下位機軟件設(shè)計

下位機主要依靠PLC對主風(fēng)機和雷蒙磨進行精確控制，并輔以各狀態(tài)之間的聯(lián)鎖報警裝置實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。軟件采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、與上位機通信、A/D轉(zhuǎn)換、磨機電流控制、主風(fēng)機空氣流量控制、參數(shù)設(shè)置、內(nèi)部公式計算等控制計算功能。根據(jù)工藝流程可知，加工的精度跟產(chǎn)量，與主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和雷蒙磨的轉(zhuǎn)速有直接的關(guān)系，所以在設(shè)計下位機軟件時，主要要考慮磨機的控制。其次，為了避免磨機空轉(zhuǎn)以及有機物的適量添加，根據(jù)保護原則設(shè)計了緊急停車控制和有機物添加計算程序。

2 模糊PID控制算法的實現(xiàn)

自動控制理論中的設(shè)計方法主要是建立在被控對象的線性定常數(shù)學(xué)模型中，在實際設(shè)計過程中很難被運用。傳統(tǒng)PID控制對參數(shù)的整定過程中，整定值有一定局限性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，無法從根本上解決動態(tài)品質(zhì)及穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。模糊控制是一種適合于工業(yè)生產(chǎn)過程和大系統(tǒng)控制方法，特別是在純滯后、大慣性的非線性不確定分布參數(shù)系統(tǒng)中，模糊控制能取得令人滿意的效果。因此在磨機系統(tǒng)具有非線性、滯后性的鈦白粉粉碎系統(tǒng)中，加入了模糊PID控制算法。

2.1 模糊控制的原理

如圖3所示，yr為系統(tǒng)設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰量，和傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)大致相同，只是用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字控制器。

圖3 模糊控制系統(tǒng)框圖

2.2 模糊PID算法的實現(xiàn)

在粗鈦白粉粉碎系統(tǒng)的主風(fēng)機轉(zhuǎn)速PID控制中，由于系統(tǒng)的非線性和時變性因素，采用模糊控制時，為了獲得良好的控制效果，必須要求模糊控制器擁有較完善的控制規(guī)則和相對合適的參數(shù)。這些控制規(guī)則和參數(shù)是人們對控制過程認(rèn)識的模糊信息的歸納和經(jīng)驗的總結(jié)。然而，在通常情況下，一個模糊控制器設(shè)計完成后，其語言規(guī)則和參數(shù)是確定的。由于受控過程的高階次、時變性以及隨機干擾等因素影響，造成模糊控制規(guī)則和參數(shù)不夠完善，會不同程度地影響控制效果。為了彌補其不足，可以通過自適應(yīng)的模糊控制技術(shù)，使模糊控制規(guī)則和其參數(shù)在控制過程中自動調(diào)整和完善，進而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善。

在S7-300編程軟件STEP7中編寫用戶程序，用模糊PID控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器，采用中斷方式執(zhí)行模糊PID控制算法。用STEP7實現(xiàn)智能算法選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，通過改變PID模塊中的參數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)控制，這樣使PLC集成的PID模塊語句和智能控制結(jié)合，提高了磨機系統(tǒng)的控制精度和速度。

2.3 仿真及效果分析

利用MATLAB的模糊邏輯工具箱，按照上面介紹的模糊PID控制器的設(shè)計方法，完成基于模糊邏輯工具箱的模糊控制器的仿真設(shè)計。圖4為系統(tǒng)建立的仿真模型。

圖4 MATLAB建立的系統(tǒng)仿真模型

在忽略耦合等因素的條件下，可將模糊控制器的廣義控制對象降階，并近似用二階系統(tǒng)擬合。故以下對典型的二階系統(tǒng)進行仿真，并對比分析常規(guī)PID和模糊 PID的控制效果，仿真效果圖如圖5所示。

圖5 常規(guī)PID控制與模糊PID控制效果圖

從仿真結(jié)果可以看出，采用模糊自整定PID算法后，系統(tǒng)的超調(diào)量由原來的46%下降到15%，調(diào)節(jié)時間也比采用常規(guī)PID算法提前了1.4秒，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也基本消除了。

3 結(jié)論

IPC用組態(tài)王與PLC進行實時通訊，具有速度快、可靠性高、調(diào)節(jié)方便靈活等優(yōu)點。系統(tǒng)人機界面友好，參數(shù)易于調(diào)整，系統(tǒng)易于擴展。本文結(jié)合鈦白粉粉碎系統(tǒng)，運用了模糊PID控制算法，采用西門子S7-300編寫模糊PID程序，用其設(shè)定實時P、I、D參數(shù)，利用組態(tài)王Kingview 6.52監(jiān)控磨機系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能控制，具有控制精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，為智能控制算法的運用提供了新的思路。

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