模型參考自適應(yīng)控制在失重計(jì)量技術(shù)上的應(yīng)用研究

北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院 蘇 登 湯曉華

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模型參考自適應(yīng)控制在失重計(jì)量技術(shù)上的應(yīng)用研究

北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院 蘇 登 湯曉華

【摘要】失重計(jì)量技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)稱重倉(cāng)內(nèi)物料重量在單位時(shí)間內(nèi)的減少量控制螺旋送料器轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)精確給料的目的。這種計(jì)量方法理論上可以達(dá)到較高精度，但是當(dāng)物料參數(shù)發(fā)生變化或者失重秤運(yùn)行過(guò)程中受到外界環(huán)境的干擾時(shí)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制，會(huì)造成配料組分精度下降，最終影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量。本文研究將模型參考自適應(yīng)控制理論應(yīng)用到失重計(jì)量技術(shù)上，開(kāi)發(fā)失重稱重機(jī)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)失重稱重計(jì)量。

【關(guān)鍵詞】失重計(jì)量；模型參考自適應(yīng)控制；應(yīng)用研究

前言

自適應(yīng)控制是在人們要求越來(lái)越高的控制性能和針對(duì)被控系統(tǒng)的高度復(fù)雜化、高度不確定性的情況下產(chǎn)生的，是人工智能滲入到應(yīng)用科技領(lǐng)域的必然結(jié)果，自適應(yīng)控制理論的產(chǎn)生為解決復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題開(kāi)辟了新途徑，成為當(dāng)下控制領(lǐng)域的研究和發(fā)展熱點(diǎn)[1]。自適應(yīng)控制中的模型參考自適應(yīng)控制本質(zhì)上是按照反饋控制原理設(shè)計(jì)的，在參考模型始終具有期望的閉環(huán)性能的前提下，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，力求保持被控過(guò)程的響應(yīng)特性與參考模型的動(dòng)態(tài)性能一致。當(dāng)廣義誤差向量e不為0時(shí)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)按照一定規(guī)律改變可調(diào)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)或直接改變被控對(duì)象的輸入信號(hào)，以使得系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到或接近希望的性能指標(biāo)。

本文主要研究的是將自適應(yīng)控制中的模型參考自適應(yīng)控制方法應(yīng)用到失重計(jì)量技術(shù)上，實(shí)時(shí)在線控制失重稱重精度，可以有效地減少現(xiàn)有失重計(jì)量技術(shù)由于對(duì)物料參數(shù)變化及外界干擾的自適應(yīng)能力不強(qiáng)而造成的誤差，能夠很好地消除結(jié)構(gòu)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差且保證系統(tǒng)具有全局漸進(jìn)穩(wěn)定性。

1 模型參考自適應(yīng)控制

模型參考自適應(yīng)控制是應(yīng)用最廣泛的一種自適應(yīng)控制技術(shù)，它的顯著特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，而且設(shè)計(jì)方法非常豐富，模型參考自適應(yīng)控制本質(zhì)上是按照反饋控制原理設(shè)計(jì)的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)主路由控制器和被控對(duì)象組成，盡管圖中的控制器和被控對(duì)象看上去只是串聯(lián)關(guān)系，但是事實(shí)上可以有各種連接和補(bǔ)償。與主路并聯(lián)的是參考模型，參考模型是根據(jù)控制目的設(shè)計(jì)的理想系統(tǒng)，通常假定參考模型的輸出完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。在控制器和被控對(duì)象都處于正常狀態(tài)的時(shí)候，主路上控制器和被控對(duì)象的組合其輸出也應(yīng)該是理想的，這時(shí)偏差e=0。然而當(dāng)各種各樣的原因使得控制器與被控對(duì)象產(chǎn)生了變化，偏離了原先的設(shè)計(jì)，造成e≠0，偏差信號(hào)輸入自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)按照預(yù)先制定的→規(guī)則產(chǎn)生調(diào)節(jié)方案，改變控制器的參數(shù)或者結(jié)構(gòu)，使得被控對(duì)象的輸出yp逼近參考模型的輸出ym，也即e→0[2]。

圖1 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)框圖Fig1. MRAC system diagram

2 失重計(jì)量技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 失重計(jì)量原理

失重計(jì)量系統(tǒng)是將給料螺旋、攪拌器和稱重倉(cāng)安裝在一起，該總體放置在稱重傳感器上，組成一個(gè)單獨(dú)的秤，通過(guò)柔性連接，該稱與其他設(shè)備分離，通過(guò)稱重傳感器檢測(cè)稱重倉(cāng)內(nèi)物料重量在單位時(shí)間內(nèi)的減少量控制螺旋送料器轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)精確給料的目的。

圖2 失重計(jì)量系統(tǒng)圖Fig2. weightlessness measurement system diagram

失重計(jì)量給料系統(tǒng)，是根據(jù)稱重傳感器檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)稱重倉(cāng)內(nèi)重量的減少量，連續(xù)計(jì)算出投料量的多少，并根據(jù)投料量大小與投料量的設(shè)定值的比較結(jié)果，控制器通過(guò)模擬電壓輸出給變頻器來(lái)控制三相交流電機(jī)調(diào)整給料螺旋的轉(zhuǎn)速，從而使投料量與其設(shè)定值相符，隨著給料的連續(xù)進(jìn)行，稱重倉(cāng)物料重量不斷減少，直到稱重倉(cāng)內(nèi)物料重量達(dá)到給定下限值時(shí)，稱重倉(cāng)進(jìn)料閥門(mén)打開(kāi)，開(kāi)始向計(jì)量倉(cāng)內(nèi)進(jìn)料，直到計(jì)量倉(cāng)內(nèi)物料重量達(dá)到給定上限值后，進(jìn)料閥門(mén)關(guān)閉，重新開(kāi)始測(cè)量和控制[3]。

稱重倉(cāng)在進(jìn)料期間無(wú)法進(jìn)行投料量大小的測(cè)量，這時(shí)只能鎖定給料螺旋的轉(zhuǎn)速（即進(jìn)料圓頂閥打開(kāi)前最后的轉(zhuǎn)速）保持投料量不變，因此進(jìn)料時(shí)間不能夠太長(zhǎng)，否則將導(dǎo)致投料量偏差大而影響失重稱重精度，故一般要求補(bǔ)料過(guò)程與失重計(jì)量過(guò)程時(shí)間之比不大于1：10。

2.2 失重計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用

在塑料行業(yè)多組分配料過(guò)程中，原料配料比決定產(chǎn)品成分，因此該環(huán)節(jié)是生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一，其配料精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗、成本等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]，而失重計(jì)量系統(tǒng)可以精確快速的進(jìn)行多組分配料，大大提高了原有人工操作的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益明顯提升。

3 研究方案

3.1 被控對(duì)象特性分析

在設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)之前，首先要對(duì)被控對(duì)象的特性加以分析，如圖3所示為失重秤傳動(dòng)系統(tǒng)圖，根據(jù)此傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即建立以伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角為輸入量、螺旋送料器的轉(zhuǎn)角為輸出量時(shí)該失重秤傳動(dòng)鏈的傳遞函數(shù)，初步推算傳遞函數(shù)為包括的二階系統(tǒng)（分別為螺旋送料器及各軸折算到電機(jī)軸上的等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效總粘性阻尼系數(shù)和等效總剛度系數(shù)）[5]。

圖3 失重秤傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig3. Loss-in-weight driving system diagram

3.2 確定控制器初始參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算出的二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，初步確定前饋調(diào)節(jié)器和反饋調(diào)節(jié)器的初始參數(shù)。

3.3 建立參考模型

參考模型代表系統(tǒng)希望的輸出響應(yīng)，是根據(jù)控制目的設(shè)計(jì)的理想系統(tǒng)，通常假定參考模型的輸出完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)中，參考模型必須是穩(wěn)定的，并且是完全可控和完全可觀測(cè)的。本文中按照失重計(jì)量的數(shù)學(xué)模型建立理想的參考模型，參考模型的輸出應(yīng)該是失重秤在當(dāng)前設(shè)定流量下的理想輸出，如圖3所示。

圖4 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)Fig4.MRAC system

3.4 設(shè)計(jì)自適應(yīng)算法

模型參考自適應(yīng)控制的關(guān)鍵問(wèn)題是如何選擇自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)算法，以確保系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性，且可調(diào)系統(tǒng)與參考模型的特性相一致，即使得廣義誤差趨于最小。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)比較參考模型輸出和實(shí)際輸出兩者之差，確定自適應(yīng)規(guī)律，然后改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，使實(shí)際輸出盡量逼近理想輸出。當(dāng)前設(shè)計(jì)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)、確定自適應(yīng)律的方法主要采用局部參數(shù)最優(yōu)化方法（MIT方法），MIT方法理論簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、可用模擬元件實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)可調(diào)增益的系統(tǒng)，可以很好的滿足課題要求[6]。

4 結(jié)論

綜上所述，將自適應(yīng)控制中的模型參考自適應(yīng)控制方法應(yīng)用到失重稱重技術(shù)上，實(shí)時(shí)在線控制失重稱重精度，可以有效地降低現(xiàn)有失重稱重技術(shù)由于對(duì)物料參數(shù)變化及外界干擾的自適應(yīng)能力不強(qiáng)而造成的誤差，能夠很好地消除結(jié)構(gòu)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差且保證系統(tǒng)具有全局漸進(jìn)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳忠強(qiáng),樸春俊.模型參考自適應(yīng)控制理論發(fā)展綜述[J].信息技術(shù),2007,07.

[3]梁海軍.失重秤在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技傳播,2011,07.

[4]王金林.失重秤應(yīng)用實(shí)例分析[J].科技應(yīng)用,2010,03.

[5]王福忠,高彩霞,等.基于模糊控制的失重秤配料過(guò)程控制策略[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,06.

[6]梁春燕,鐘慶昌,等.基于模型參考的自適應(yīng)PID控制器[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,05.

蘇登（1991-），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化方面的研究。

作者簡(jiǎn)介：

課題來(lái)源：北京工商大學(xué)2015年研究生科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目資助。