基于模糊控制的自動(dòng)加料裝置控制系統(tǒng)研究

曹 暉，岳 慶，陳金亮

（1.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司，陜西西安710075；2.西安建筑科技大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系，陜西西安710055）

0 引言

加料裝置正向高精度、高性能方向發(fā)展，加料系統(tǒng)日益走向復(fù)雜化、精確化，加料生產(chǎn)中的過(guò)程控制、管理和決策任務(wù)越來(lái)越繁重，因此，加料裝置自動(dòng)化是很多動(dòng)力設(shè)備非常重要的組成部分?，F(xiàn)有的加料裝置完全是按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的曲線來(lái)進(jìn)行控制，容易造成資源浪費(fèi)。加料裝置的物理特征很難用絕對(duì)精確的數(shù)學(xué)模型建立，因而傳統(tǒng)閉環(huán)控制只適用于十分簡(jiǎn)單且偏差變化慢的控制系統(tǒng)。一般控制系統(tǒng)開(kāi)始的不穩(wěn)定性十分強(qiáng)烈，傳統(tǒng)控制穩(wěn)定性受到外界影響變化劇烈，影響加料裝置控制系統(tǒng)精度。復(fù)雜的控制系統(tǒng)不易建立，且控制參數(shù)不好選擇，跟不上時(shí)代潮流。因此，需要在加料器控制系統(tǒng)中加入新的控制算法改良控制的穩(wěn)定性和精度[1-3]。

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡(jiǎn)稱模糊控制（Fuzzy Control），它是一門(mén)應(yīng)用非確定語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行實(shí)際控制的學(xué)科，它應(yīng)用模糊的語(yǔ)言變量、模糊的集合及模糊邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)人的模糊思考的方式，以便于對(duì)那些無(wú)法應(yīng)用準(zhǔn)確的語(yǔ)言變量、集合及數(shù)學(xué)模型的對(duì)象和發(fā)展過(guò)程來(lái)準(zhǔn)確控制[4]。模糊控制具有如下特點(diǎn)：①使用簡(jiǎn)單，不需要用繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算出程序方程式；②與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制系統(tǒng)依賴于行為語(yǔ)言規(guī)則，使人類(lèi)更容易理解掌握；③開(kāi)始是處理不確定的集合理論，結(jié)果則是明確的語(yǔ)言規(guī)則。

1 模糊控制基本原理

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式以及模糊邏輯理論為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。在控制原理上它應(yīng)用模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理的知識(shí)，模擬人的模糊思維方法，對(duì)復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行控制[5]。

模糊控制器是模糊系統(tǒng)的主要研究對(duì)象，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能好壞，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素。模糊邏輯控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊控制器的組成示意圖

模糊控制器由以下五部分組成：

（1）模糊化。其作用就是將確定的實(shí)數(shù)輸入量轉(zhuǎn)換為模糊量，即模糊集合及其相應(yīng)的隸屬度。同樣的理由，設(shè)模糊控制器的一個(gè)輸出為；

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)。存放所有確定值的地方；

（3）規(guī)則庫(kù)。它是基于專(zhuān)家和工作人員的了解，按人的理解表述結(jié)果。

（4）推理機(jī)。選擇合適的規(guī)則然后推出相關(guān)信息的結(jié)果。

（5）解模糊化。通過(guò)各種解模糊的公式把開(kāi)始的模糊值，即不能直接用來(lái)作為被控對(duì)象的控制量，將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以被執(zhí)行機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的精確量。

2 控制系統(tǒng)設(shè)備選型

2.1 I/O模塊的選型

根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇的I/O模塊如下：

（1）DI模塊：X20DI4371。X20數(shù)字量輸入模塊，4個(gè)輸入量，24 VDC，漏式，可配置的輸入濾波，3線連接技術(shù)。

（2）DO 模塊：X20DO6322。X20數(shù)字量輸出模塊，6個(gè)輸出，24VDC，0.5A，源式，2線連接技術(shù)。

（3）AI模塊：X20AI2622。X20模擬量輸入模塊，2 個(gè)輸入，±10V/0-20mA/4-20mA，12-bit分辨率，可配置的輸入濾波。

（4）AO 模塊：X20AO4622。X20模擬量輸出模塊，4 路輸出端，±10V/0 to 20mA，12-bit分辨率。

2.2 中央處理器（CPU）的選型

X20系統(tǒng)模塊是三位一體，即模塊分為三個(gè)部分：總線模塊、電子模塊、端子模塊，并可帶電熱插拔。每個(gè)X20最多有12個(gè)接口，具有智能控制器和I/O系統(tǒng)。模塊間的通信通過(guò)X2XLink分布式底板，其設(shè)計(jì)為用戶使用提供了極大的靈活性。本地I/O和遠(yuǎn)程I/O無(wú)需昂貴的總線模塊，使用者可以決定其性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)終端使用完全集成的和直接插入連接器系統(tǒng)，其安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需專(zhuān)用工具，可實(shí)現(xiàn)快速安裝。其模塊結(jié)構(gòu)尺寸為12.5mm×99mm×75mm，可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)非常緊湊，為應(yīng)用提供了極大方便。

選擇CPU模塊：X20CP0292。X20 CPU，緊湊型CPU μP 25，750 KByte SRAM，3.4 MB FlashPROM，緊湊型CPU底座上集成RS232/CAN接口，1個(gè)Ethernet接口（100 Base-T）。

2.3 電源模塊的選型

選擇電源模塊的大小和確定其位置可以依據(jù)以下原則：電源模塊的大小根據(jù)所有模塊的總的耗電量來(lái)確定；電源模塊可以安裝在I/O總線的任意地方。但通常I/O總線的最右端安裝一個(gè)電源模塊；電源模塊不能直接與耗電量大的模塊直接相連，這樣電源模塊會(huì)發(fā)熱。

根據(jù)上述原則，選擇的電源模塊：X20PS9500。該電源模塊為緊湊型CPU、總線型CPU、內(nèi)部I/O、X2X Link供電的電源模塊。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 控制系統(tǒng)概述

加料裝置控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

（1）產(chǎn)量給定值：系統(tǒng)給定。

（2）反饋量：實(shí)際產(chǎn)量值（當(dāng)前產(chǎn)量值），可通過(guò)對(duì)加料罐重量歷史值進(jìn)行處理得到。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

（3）偏差Δ：產(chǎn)量給定值與當(dāng)前產(chǎn)量值之差。

（4）控制器：可采用PID控制，也可根據(jù)系統(tǒng)偏差及偏差的變化量由模糊控制算法求得控制量，以控制直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（5）控制對(duì)象：直流伺服電機(jī)用于控制加料罐給料器的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越大，出料越多，通過(guò)稱重裝置可測(cè)量加料罐的當(dāng)前重量。

（6）稱重?cái)?shù)據(jù)處理模塊：為軟件數(shù)據(jù)處理模塊，目的是根據(jù)加料罐歷史重量值計(jì)算出當(dāng)前的產(chǎn)量值。

3.2 系統(tǒng)的重量檢測(cè)

系統(tǒng)的重量檢測(cè)流程如圖3所示。

（1）當(dāng)前重量檢測(cè)：每100ms讀取一次重量傳感器的值并記錄，每1s記錄10個(gè)數(shù)值，按照數(shù)字濾波算法求取為當(dāng)前重量值。

圖3 重量值檢測(cè)流程圖

（2）當(dāng)前產(chǎn)量計(jì)算：按上述方法每1s可求出一個(gè)重量檢測(cè)值，記錄前30個(gè)歷史數(shù)據(jù)，用30s前的重量值減去當(dāng)前重量值，再除以時(shí)間間隔（30s），即可求得當(dāng)前產(chǎn)量值。

（3）產(chǎn)量值設(shè)定：由上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)定，范圍為6～18kg/h，程序中使用的單位為g/s，所以需作單位變換；同時(shí)設(shè)定給定縮放因子，取值范圍為0.99～1.01。最終的產(chǎn)量值為設(shè)定值與給定縮放因子之乘積，單位為g/s。

（4）誤差限設(shè)置：在控制算法上設(shè)置了兩個(gè)誤差限：誤差限 1（±0.01，±1%）和誤差限 2（±0.01，±1%）。對(duì)于設(shè)定產(chǎn)量值較大的，兩個(gè)誤差限可設(shè)定為實(shí)際值+0.1和-0.1。

（5）最大、最小重量值檢測(cè)：系統(tǒng)需要設(shè)定最大、最小重量值，即加料過(guò)程物料的上、下限。在操作界面中設(shè)有相應(yīng)的指示燈，當(dāng)重量值大于上限值或小于下限值時(shí)，相應(yīng)指示燈亮。同時(shí)當(dāng)下限指示燈亮?xí)r，系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)料控制。

（6）系統(tǒng)補(bǔ)料控制：如果系統(tǒng)當(dāng)前重量值小于系統(tǒng)最小重量值超過(guò)一定時(shí)間（設(shè)為5s），系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)料狀態(tài)。補(bǔ)料狀態(tài)時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)料閥，電機(jī)工作于恒速下，50s后系統(tǒng)結(jié)束補(bǔ)料狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)入正常加料過(guò)程。

3.3 系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算流程圖如圖4所示。

（1）方法：每100ms讀取一次高速計(jì)數(shù)器的值，并記錄，每1s記錄10個(gè)數(shù)值，計(jì)算平均值作為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值。

（2）電機(jī)初始轉(zhuǎn)速設(shè)定：當(dāng)產(chǎn)量為12kg/h時(shí)，電機(jī)初始速度設(shè)為7200（數(shù)字量輸出AO模塊）。設(shè)產(chǎn)量設(shè)定值每增加1kg時(shí)，電機(jī)初始速度增加200（數(shù)字量）；而產(chǎn)量設(shè)定值每減少1kg時(shí)，電機(jī)初始速度減少200（數(shù)字量）。

（3）電機(jī)速度控制量計(jì)算：由產(chǎn)量給定值與反饋值之差求得系統(tǒng)的偏差及偏差的變化量，根據(jù)控制算法求出電機(jī)的速度控制量。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算流程圖

（4）補(bǔ)料控制過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算：記錄系統(tǒng)自動(dòng)加料過(guò)程中，滿足系統(tǒng)誤差允許的最近的10個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值作為補(bǔ)料過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速值。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的加料裝置，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)有了一定基礎(chǔ)，已經(jīng)可以獨(dú)立生產(chǎn)多種物料的加料裝置，且有一定的精度和穩(wěn)定性。但是同種機(jī)型與國(guó)外同類(lèi)機(jī)型相比穩(wěn)定性和精度仍落后，主要是由于我們國(guó)家對(duì)加料裝置還停留在傳統(tǒng)控制算法中，沒(méi)有在工程中加入先進(jìn)算法等多種控制算法。傳統(tǒng)控制理論主要解決簡(jiǎn)單且陳舊模式的加料裝置控制問(wèn)題，對(duì)于比較復(fù)雜的加料裝置控制問(wèn)題，精確的數(shù)學(xué)方程就很難解決。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了基于模糊控制的加料裝置控制系統(tǒng)。模糊控制無(wú)論在理論上和實(shí)用上都是一門(mén)很新穎的科學(xué)，正處于不斷發(fā)展和完善的進(jìn)程之中，相信在不久的將來(lái)，隨著理論算法研究的進(jìn)步和完善以及與實(shí)際生產(chǎn)的進(jìn)一步結(jié)合，先進(jìn)算法將在工業(yè)控制中發(fā)揮作用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

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