氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張柄　馬文明　趙金國(guó)

摘要：氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是壓力和液位，其數(shù)學(xué)模型難以建立，在工作過(guò)程中可能會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，并且存在輸入量和輸出量之間的耦合關(guān)系，即系統(tǒng)中每一個(gè)控制回路的輸入信號(hào)對(duì)所有回路的輸出都有影響，而每一個(gè)回路的輸出又影響所有的輸入；本課題通過(guò)設(shè)計(jì)模糊解耦控制器提高控制系統(tǒng)性能，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，取得良好控制效果。

關(guān)鍵詞：流漿箱；解耦；模糊控制

中圖分類號(hào)：TS736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802008

氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)主要控制流漿箱內(nèi)部的壓力和液位[1]。通過(guò)調(diào)節(jié)沖漿泵和羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就會(huì)改變沖漿泵的上漿量和羅茨風(fēng)機(jī)鼓入的空氣量。這兩個(gè)量主要影響流漿箱的壓力和液位。箱體內(nèi)的壓力一部分由紙漿產(chǎn)生，一部分由空氣產(chǎn)生，壓力決定了流漿箱噴布到成形網(wǎng)的紙漿速度。在流漿箱控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象壓力和液位的數(shù)學(xué)模型難以建立，并且控制結(jié)構(gòu)隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化。模糊控制是將操作者的長(zhǎng)期操作經(jīng)驗(yàn)寫成模糊語(yǔ)言，一旦現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，模糊控制器就會(huì)結(jié)合控制經(jīng)驗(yàn)，得到輸出值。因被控對(duì)象壓力和液位內(nèi)部存在著輸入量和輸出量之間的耦合關(guān)系，所以本課題結(jié)合模糊控制本身所具有的解耦控制功能設(shè)計(jì)了模糊解耦控制器[2]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)，以取得良好的控制效果。

1控制系統(tǒng)分析及控制器的設(shè)計(jì)

11控制系統(tǒng)分析

氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)的壓力和液位具有嚴(yán)重的耦合和非線性。在車速較低的情況下（低于300 m/min），不需要采取解耦控制也可以基本滿足控制要求，然而在車速較高時(shí)，系統(tǒng)微小的波動(dòng)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大的影響，因而解耦控制在這種場(chǎng)合下是必不可少的。應(yīng)用一般的解耦控制器時(shí)，需要知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，被控對(duì)象也變得越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)控制精度要求很高，所以，解耦控制器的設(shè)計(jì)就變得非常的繁瑣和復(fù)雜。由于難以得到被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)解耦控制器也存在難度。同時(shí)，解耦控制器的適應(yīng)性差，魯棒性不好。因此，需要一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、不依賴被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的解耦控制器。結(jié)合這些特點(diǎn)，模糊控制器是

非常合適的選擇。模糊控制器本身就具有解耦的功能，它不但克服了傳統(tǒng)解耦控制器的不足而且具有模糊控制的許多優(yōu)點(diǎn)[3]。

12控制器的設(shè)計(jì)

解耦控制方法一般有對(duì)角矩陣法、單位矩陣法和前饋補(bǔ)法，在此采用對(duì)角矩陣法設(shè)計(jì)模糊解耦控制器，通過(guò)得到解耦控制器的數(shù)學(xué)模型，在控制系統(tǒng)中增加解耦控制器，使控制系統(tǒng)內(nèi)部控制量和輸出量之間的耦合關(guān)系發(fā)生改變，得到解耦的效果[4]，使原來(lái)的控制系統(tǒng)和解耦后的控制系統(tǒng)等效。在兩個(gè)變量的控制系統(tǒng)中，解耦控制系統(tǒng)如圖1所示。

當(dāng)輸入不變時(shí)，靜態(tài)解耦控制可以取得較好的控制效果，當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，解耦效果就顯得沒(méi)那么好了，這是因?yàn)榻怦罹仃嘍是固定的，所以本設(shè)計(jì)采用模糊控制實(shí)現(xiàn)多變量之間的靜態(tài)解耦控制，控制系統(tǒng)如圖2所示。

13模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)

（1）模糊控制器的輸入和輸出

結(jié)合流漿箱控制的工藝要求，在這里選擇總壓的誤差、總壓誤差變化率、液位誤差、液位誤差的變化率為模糊控制器的輸入；選擇沖漿泵變頻器的電流和羅茨風(fēng)機(jī)變頻器的電流為模糊控制器的輸出。

（2）模糊論域及其量化因子的確定

根據(jù)模糊控制器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，輸出變量的量化因子對(duì)于控制系統(tǒng)有主要的影響作用。若選擇的太大，就會(huì)引起系統(tǒng)的震蕩；若選擇的太小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)。因此，根據(jù)長(zhǎng)期的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)得到控制系統(tǒng)輸出回路的基本論域?yàn)椋?/p>

3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在流漿箱的控制程序中，主要包括主程序、電動(dòng)機(jī)控制程序、采樣程序、模擬量輸入濾波及 PID模塊程序，主程序只要是對(duì)各個(gè)子程序的調(diào)用。

在電動(dòng)機(jī)控制程序中，通過(guò)使用狀態(tài)變量控制著勻漿輥電動(dòng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)以及沖漿泵電動(dòng)機(jī)的啟停。同時(shí)當(dāng)每個(gè)電動(dòng)機(jī)開始工作之后會(huì)有狀態(tài)返回信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)界面上的顯示。采樣程序采樣的是流漿箱的壓力、液位及網(wǎng)速信號(hào)。濾波程序主要是完成對(duì)壓力信號(hào)、液位信號(hào)以及網(wǎng)速信號(hào)的濾波。在 STEP 7Micro/WIN 軟件中，帶有 PID 模塊。在使用時(shí)只需設(shè)定PID 的給定值、過(guò)程值以及手自動(dòng)切換位的狀態(tài)，PID模塊就可以工作。

氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制回路——漿位回路與總壓回路，在數(shù)據(jù)處理和控制運(yùn)算方面等的邏輯思想類似，這意味著在編程時(shí)可以采用工程中常用的模塊化編程思想：將常用功能模塊化，在需要時(shí)可直接調(diào)用。氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，程序開始后先調(diào)用初始化、啟動(dòng)/停止控制、手/自動(dòng)標(biāo)志等常規(guī)模塊，然后進(jìn)入漿位與總壓的控制階段。在編程設(shè)計(jì)中，采用手動(dòng)與自動(dòng)控制兩種方案，這就需要通過(guò)模式判斷來(lái)確定漿位與總壓各采用了哪種控制方案，同時(shí)為了防止手/自動(dòng)切換擾動(dòng)，還引入了無(wú)擾動(dòng)切換思想。最終根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行控制輸出。

4調(diào)試及結(jié)果分析

按圖7施工完畢之后，系統(tǒng)進(jìn)入總調(diào)階段，總調(diào)的主要順序是按先強(qiáng)后弱、先手動(dòng)后自動(dòng)、先近后遠(yuǎn)的原則，調(diào)試流程如圖8所示。

在以上檢查的步驟完成之后，進(jìn)入上位機(jī)參數(shù)設(shè)置界面對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)定界面如圖9所示。

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)的控制算法與硬軟件設(shè)計(jì)均完全滿足設(shè)計(jì)要求，得到了良好的預(yù)期控制效果。

5結(jié)論

本設(shè)計(jì)結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)流漿箱現(xiàn)有的控制算法進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了模糊解耦控制器，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，取得了良好的預(yù)期控制效果。

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（責(zé)任編輯：常青）