燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)設計

李庭貴，薛邵文

（1. 瀘州職業(yè)技術學院，瀘州 646005；2. 四川省瀘州市工程機械智能優(yōu)化設計重點實驗室，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，混合料水分的準確檢測和自動控制是燒結(jié)工藝中至關重要的環(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、壓力開關、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)比較復雜，具有時變性、非線性和時滯性等特點。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)時間長、超調(diào)量大等缺點，而且參數(shù)不易在線實時調(diào)整，難以滿足系統(tǒng)實時控制的要求；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]，誤差較小時采用PID控制，誤差較大時采用模糊控制，共同應用于燒結(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

由操作工在上位計算機輸入混合料目標水分值inr，控制系統(tǒng)根據(jù)當前生產(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水分值inr核算出當前所需加水量，對混合料進行加水。同時利用紅外水分儀實時檢測加水后的混合料含水量outy ，與目標水分值值inr進行比較，根據(jù)兩者偏差e采用模糊PID算法對加水量進行修正，確?；旌狭纤址€(wěn)定在控制目標范圍內(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)構框圖如圖2所示。

1.1 目標水分值確定

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)無法獲得準確的目標水分值。因此，由廠礦實驗室對不同原料燒結(jié)過程對水分需求進行試驗后得到理論數(shù)據(jù)，再根據(jù)實際生產(chǎn)中混合料料比結(jié)構確定混合料水分目標中線，控制系統(tǒng)將輸入的燒結(jié)混合料目標水分值inr作為控制目標值，由操作工在上位計算機中設置。

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

1.2 混合料水分檢測

實現(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紅外技術公司的MM710型紅外水分儀進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，需要在線實時檢測水流量，實現(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，它是一種測量導電流體體積流量的感應式儀表，對水流量進行在線自動檢測，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，為6臺燒結(jié)機提供混合料，其獨立劃分為3個系統(tǒng)。燒結(jié)混合料加水一般采用公式（混合機加水量=（混合機干料量+物料總水量）×目標水分-配合料入料水量）進行計算，但是由于一次混合機入料是由料倉下的給料圓輥直接將物料送至混合機內(nèi)部，入料端無法安裝電子秤等物料重量檢測設備，給加水量確定和調(diào)節(jié)帶來了很大難度。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用反算法得出混合機入料量參與控制。

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)速達到調(diào)節(jié)水量的目的，實現(xiàn)加水量的實時調(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)方式對水流量進行控制。系統(tǒng)根據(jù)當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值，與電磁流量計檢測的實時流量進行對比調(diào)節(jié)，做到定量加水。

2 參數(shù)自整定模糊PID控制器設計

由于外界干擾因素的影響，或者系統(tǒng)負載的變化，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）計算。

式中： inr為混合料加水目標值； outy 為混合料出口紅外線水分儀測量的實際水分值。

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)進行修改，以滿足不同時刻的e和ec對參數(shù)自整定的要求[7,8]。

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

1）PΔK整定原則：當響應在上升過程時（e為正），pkΔ取正，即增大pk；當超調(diào)時（e為負），pkΔ取負，即降低pk；當誤差在零附近時（e為零），分三種情況：ec為負時，超調(diào)越來越大，此時pkΔ取負；ec為零時，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，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)水分設定值與實際值之間的偏差計算得到電動調(diào)節(jié)閥的控制量，從而達到對水分的控制；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)進行在線調(diào)整，以期達到最優(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，應用Mamdani模糊推理合成規(guī)則，求出相應輸出語言變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊集合，應用最大隸屬度法對此模糊集合進行模糊判決，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)實現(xiàn)最佳調(diào)整[15～17]。

2.5 實驗結(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控制具有響應速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)定時間較長、魯棒性好等優(yōu)點，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)階躍響應曲線

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及運行情況

燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)中，采用上位機和下位機方式實現(xiàn)控制。上位機采用GE公司的iFIX組態(tài)軟件，對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(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，上位機還負責報警處理、流程控制等任務，并輸出歷史曲線、實時曲線及報表。下位機采用施耐德昆騰140系列PLC，PLC采集現(xiàn)場儀表的信號，應用模糊PID控制算法進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)控制量輸出控制現(xiàn)場設備，從而實現(xiàn)燒結(jié)混合料水分的檢測與實時控制。燒結(jié)混合料加水系統(tǒng)上位機人機監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 燒結(jié)混合料加水系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面

由于PLC采用循環(huán)掃描工作方式，導致控制系統(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)對實時性的要求，在進行PLC程序設計時，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進行等級量化，得到其相應的模糊化論域元素，進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)省在線實時計算工作量，滿足系統(tǒng)對實時性的要求。

一混加水控制系統(tǒng)投入運行后，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)機熱狀態(tài)參數(shù)明顯改善：冷、熱段負壓均降低，其中熱段負壓降低0.21KP，冷段負壓降低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，促進了產(chǎn)能提升，為穩(wěn)定燒結(jié)主機生產(chǎn)效率奠定了堅實基礎。

4 結(jié)束語

燒結(jié)混合料水分模糊PID控制系統(tǒng)綜合運用了模糊控制和PID控制的優(yōu)點。實踐表明，通過在線調(diào)整PID參數(shù)，改善了系統(tǒng)的響應速度，有效地解決了系統(tǒng)運行中誤差不穩(wěn)定和動態(tài)特性不理想的問題，增強了系統(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)機的能力得到充分發(fā)揮以滿足燒結(jié)生產(chǎn)的工藝要求。

[1] 陳略峰,吳敏,曹衛(wèi)華,等.原料工況自適應的燒結(jié)混合制粒水分控制系統(tǒng)[J].計算機與應用化學:2011,(07):12-13.

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