模糊控制在軋花機(jī)控制中的應(yīng)用探討

■ 李夢(mèng)輝 鐘 珂 胡新路

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南 鄭州450004〕

模糊控制在軋花機(jī)控制中的應(yīng)用探討

■ 李夢(mèng)輝 鐘 珂 胡新路

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南 鄭州450004〕

1 軋花機(jī)控制的現(xiàn)狀

在棉花加工過程中，軋花機(jī)工作性能的優(yōu)劣直接影響著棉花加工能否正常進(jìn)行，為此，軋花機(jī)的控制在整個(gè)棉花加工過程中就顯得尤為重要。

在軋花過程中，影響軋花質(zhì)量的因素很多，比如籽棉的含雜等級(jí)、回潮率、加工機(jī)械的工況等等。軋花企業(yè)一般采用加快軋花機(jī)鋸軸轉(zhuǎn)速，增加單位時(shí)間內(nèi)鋸齒鉤拉纖維的次數(shù)來提高產(chǎn)量。但是，鋸軸轉(zhuǎn)速過快，會(huì)因鋸齒對(duì)籽棉的沖擊力過大而產(chǎn)生大量的破籽、帶纖維籽屑及籽皮，影響皮棉的質(zhì)量。通過鋸齒軋花的原理可以知道，軋花機(jī)鋸軸轉(zhuǎn)速的快慢對(duì)軋花產(chǎn)質(zhì)量影響很大，應(yīng)根據(jù)籽棉含雜等級(jí)、回潮率等因素確定鋸軸的轉(zhuǎn)速，以盡可能地取得較高的產(chǎn)量和較低的皮棉含雜率。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于軋花機(jī)的控制，軋花機(jī)鋸軸電機(jī)基本上仍采用△-Y啟動(dòng)控制，鋸軸電機(jī)在工頻下工作，電機(jī)的轉(zhuǎn)速都大于軋花機(jī)良好工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，影響了軋花的產(chǎn)量和質(zhì)量。雖然軋花機(jī)喂花電機(jī)的控制采用變頻器控制的方式，但是變頻器工作頻率輸入方式上又有所不同。大多數(shù)軋花機(jī)喂花電機(jī)的工作頻率輸入都是軋花工人通過觀察籽棉含雜等級(jí)、回潮率、加工機(jī)械的工況等因素，選擇合適的工作頻率手動(dòng)輸入。這種輸入方式能夠取得較理想的軋花效果，但卻嚴(yán)重依賴于軋花工人的工作經(jīng)驗(yàn)，如果有經(jīng)驗(yàn)的軋花工人流失，就會(huì)嚴(yán)重影響棉花加工的正常進(jìn)行。另外，也有部分廠家喂花電機(jī)的工作頻率輸入是根據(jù)軋花機(jī)鋸軸電機(jī)工作電流大小進(jìn)行調(diào)整，這種控制方式雖然降低了對(duì)加工人員的依賴程度，但是因影響棉花加工的因素比較多，單一考慮軋花機(jī)鋸軸電機(jī)的電流大小而確定工作頻率的方式也是不合適的。

針對(duì)目前軋花機(jī)控制的現(xiàn)狀，需要選擇一種理想的控制方式，以解決軋花機(jī)工作過程中存在的問題。在眾多的先進(jìn)控制方式中，模糊控制是一種比較適合軋花機(jī)控制的智能控制方式。

2 模糊控制的分析

模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，在控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。模糊控制的核心是模糊控制器的設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵是模糊控制規(guī)則的確定，即模糊控制規(guī)則表的確定。模糊控制表一般由兩種方法獲得，一種是采用離線算法，以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行合成推理，根據(jù)采樣得到的誤差e、誤差的變化率c，計(jì)算出相應(yīng)的控制量變化U。另一種是以操作人員的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，由人工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到模糊控制表。

由于軋花生產(chǎn)的過程具有多參數(shù)、時(shí)變性、參數(shù)非線性等特點(diǎn)，因此，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難，很難通過建立數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)其進(jìn)行精確控制。但在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過程中，軋花生產(chǎn)又具有一定的規(guī)律性，有經(jīng)驗(yàn)的車間主任、軋花工人或者相關(guān)專家通過長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐能夠總結(jié)出一定的控制規(guī)律。采用模糊控制方式，通過軋花工人或者相關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)制定一定的控制規(guī)則，對(duì)軋花機(jī)的主軸電機(jī)及喂花電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻控制，能夠取得理想的控制效果。

3 模糊控制在軋花過程中的應(yīng)用探討

對(duì)于軋花過程中的模糊控制，可以采用對(duì)軋花機(jī)鋸軸電機(jī)的模糊控制和對(duì)軋花機(jī)喂花電機(jī)的模糊控制。

3.1 軋花機(jī)鋸軸電機(jī)模糊控制

在軋花過程中，影響軋花機(jī)鋸軸電機(jī)工作頻率的因素有很多，主要的是籽棉含雜等級(jí)和回潮率。根據(jù)棉花加工廠工作人員對(duì)于這兩個(gè)因素的經(jīng)驗(yàn)判斷，制定模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 主軸電機(jī)工作頻率的模糊控制表（單位：H z）

其中，籽棉含雜等級(jí)需要棉花加工廠工作人員根據(jù)加工籽棉的含雜情況進(jìn)行判斷，含雜等級(jí)手動(dòng)輸入。籽棉回潮率采用籽棉在線回潮檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)加工籽棉的回潮率，自動(dòng)輸入模糊控制器。軋花機(jī)鋸軸電機(jī)模糊控制器根據(jù)所制定的模糊控制規(guī)則表，給軋花機(jī)鋸軸電機(jī)實(shí)時(shí)地輸入工作頻率。

例如，當(dāng)籽棉含雜等級(jí)為三級(jí)、回潮率為中時(shí)，模糊控制器通過查表確定軋花機(jī)主軸電機(jī)理想的工作頻率是40 Hz，也就是說控制器要在40 Hz的工作頻率下通過變頻器控制鋸軸電機(jī)工作。

這種模糊控制規(guī)則是基于加工質(zhì)量?jī)?yōu)先的要求，而如果是產(chǎn)量?jī)?yōu)先的要求，那么在不同條件下的工作頻率可根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.2 軋花機(jī)喂花電機(jī)模糊控制

軋花機(jī)喂花電機(jī)工作頻率的高低決定著喂花量的大小，當(dāng)喂花電機(jī)工作頻率升高時(shí)，喂花量就隨之增大；工作頻率降低時(shí)，喂花量也隨之減小。喂花量的大小還直接影響軋花機(jī)籽棉卷的密度。在只增加喂花量而不改變其他工作條件時(shí)，籽棉卷的密度增加。在一定范圍內(nèi)，籽棉卷的密度增加，籽棉卷對(duì)鋸片輥筒的壓力增加，鋸齒對(duì)籽棉卷的勾拉牽引作用也得以加強(qiáng)，籽棉卷速度增加。但若籽棉卷密度過于大，則籽棉箱壁對(duì)籽棉卷運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻力矩迅速增加，會(huì)造成籽棉卷速度降低甚至停轉(zhuǎn)，影響棉花加工效率。

為了確保軋花機(jī)處于良好的工作狀態(tài)，應(yīng)該根據(jù)籽棉卷的密度實(shí)時(shí)調(diào)整喂花電機(jī)的工作頻率。由于在加工過程中籽棉卷的密度很難實(shí)時(shí)地檢測(cè)，因此，軋花機(jī)籽棉卷的密度大小一般通過軋花機(jī)鋸軸電機(jī)的工作電流大小來間接反映。籽棉卷密度增大時(shí)，負(fù)載增大，鋸軸電機(jī)工作電流也隨之增大；而籽棉卷密度減小時(shí)，負(fù)載減小，鋸軸電機(jī)工作電流也隨之減小。確定了鋸軸電機(jī)的工作頻率后，可以根據(jù)軋花機(jī)鋸軸電機(jī)電流的大小實(shí)時(shí)地調(diào)整喂花電機(jī)的工作頻率。

由于鋸軸電機(jī)受干擾、電源質(zhì)量等其他因素的影響，電流大小具有一定的波動(dòng)性，因此，精確地依靠電流大小實(shí)時(shí)調(diào)整喂花電機(jī)工作頻率未必能夠取得良好的控制效果。喂花電機(jī)的控制采用模糊PID控制的方法較好。

喂花電機(jī)模糊PID控制方法，即根據(jù)軋花機(jī)鋸軸電機(jī)工作電流的大小與設(shè)定值之間的偏差大小進(jìn)行控制。當(dāng)電流偏差e在e1范圍內(nèi)時(shí)，喂花電機(jī)恒定頻率工作；當(dāng)電流偏差在e2范圍內(nèi)時(shí)，喂花電機(jī)工作頻率采用PID控制方式進(jìn)行調(diào)整，控制喂花量的大小，使得鋸軸電機(jī)的工作電流處于設(shè)定范圍之內(nèi)。該模糊PID控制的方框圖如圖1所示。

4 軋花機(jī)采用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)

通過對(duì)軋花機(jī)鋸軸電機(jī)和喂花電機(jī)進(jìn)行變頻控制，采用模糊控制的方法可以提高軋花產(chǎn)質(zhì)量和節(jié)能效率。

4.1 軋花產(chǎn)質(zhì)量的提高

隨著模糊控制在軋花機(jī)控制中的應(yīng)用，軋花機(jī)鋸軸電機(jī)的工作頻率可以根據(jù)籽棉的含雜等級(jí)和回潮率進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者有經(jīng)驗(yàn)的軋花工人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所建立的，在此規(guī)則控制下，可以使軋花機(jī)鋸軸電機(jī)始終在最優(yōu)的頻率下工作，以此來平衡軋花產(chǎn)質(zhì)量之間的矛盾。

另外，隨著軋花機(jī)鋸軸電機(jī)工作頻率的實(shí)時(shí)變化，通過對(duì)軋花機(jī)喂花電機(jī)工作頻率的模糊控制，可以使軋花機(jī)喂花電機(jī)根據(jù)鋸軸電機(jī)在不同工作頻率下的電流變化進(jìn)行工作頻率的調(diào)整，確保軋花機(jī)籽棉卷的密度處于最優(yōu)的加工范圍之內(nèi)。

由以上分析可知，軋花機(jī)鋸軸電機(jī)的模糊控制可使軋花機(jī)根據(jù)籽棉的質(zhì)量情況進(jìn)行工作頻率的調(diào)整；軋花機(jī)喂花電機(jī)的模糊控制確保了軋花機(jī)的籽棉卷密度。通過對(duì)軋花機(jī)兩方面的模糊控制，能夠綜合影響軋花產(chǎn)質(zhì)量的因素，達(dá)到最優(yōu)的加工效果。

4.2 軋花節(jié)能效率的提高

軋花機(jī)的鋸軸電機(jī)功率一般都比較大，例如168型軋花機(jī)和171型軋花機(jī)的主軸電機(jī)功率均為75 kW，而喂花電機(jī)一般在0.75 kW~1.5 kW之間。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，一般軋花機(jī)鋸軸電機(jī)工作頻率在40 Hz左右，喂花電機(jī)的工作頻率在25 Hz左右，另外，在軋花生產(chǎn)過程中會(huì)因?yàn)楦鞣N原因軋花機(jī)時(shí)常處于開箱狀態(tài)，而此時(shí)軋花機(jī)的鋸軸電機(jī)為空轉(zhuǎn)運(yùn)行，浪費(fèi)了大量的電能。使用該模糊控制器后，控制器能實(shí)時(shí)檢測(cè)軋花機(jī)開合箱電機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)軋花機(jī)處于開箱工作狀態(tài)時(shí)，控制器控制軋花機(jī)鋸軸電機(jī)進(jìn)行低頻工作，可以節(jié)省不少的電能?？傮w而言，通過使用模糊控制方法設(shè)計(jì)的控制器，可使軋花機(jī)的節(jié)能效率達(dá)到20%~40%，節(jié)能效果十分明顯。

5 結(jié)束語

本文分析了軋花機(jī)在棉花加工過程中存在的影響軋花產(chǎn)質(zhì)量的問題，針對(duì)軋花過程中存在的多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)具有時(shí)變性、非線性的特點(diǎn)，探討了一種針對(duì)軋花機(jī)工作特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的模糊控制方法，通過對(duì)軋花機(jī)鋸軸電機(jī)和喂花電機(jī)進(jìn)行模糊控制，能夠很好地提高軋花機(jī)的產(chǎn)量和質(zhì)量。