基于模糊控制技術(shù)的磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

樊 毅 馮興隆 管孝強(qiáng) 王 劍 王 平 石 峰

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

目前，國(guó)內(nèi)日處理萬(wàn)噸級(jí)以上的銅礦山磨機(jī)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念比較陳舊和傳統(tǒng)，它絕大部分是應(yīng)用理想環(huán)境狀態(tài)下的信號(hào)檢測(cè)與控制進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-3]。未能解決電磁干擾、粉塵、油污、振動(dòng)等惡劣環(huán)境影響故障停車(chē)頻發(fā)問(wèn)題。不能進(jìn)行磨機(jī)機(jī)械病態(tài)預(yù)測(cè)，一旦發(fā)生故障，機(jī)械損傷將擴(kuò)大。而且不可以通過(guò)在線運(yùn)行故障處理的辦法，減少磨機(jī)非計(jì)劃停車(chē)頻次。同時(shí)，磨機(jī)停車(chē)后，會(huì)發(fā)生再啟動(dòng)開(kāi)車(chē)?yán)щy的問(wèn)題。

究其根源，此類(lèi)超大型重點(diǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)存在如下缺陷：1)無(wú)外圍傳感器信號(hào)失真與否的甄別判斷和分類(lèi)推送控制功能；2)無(wú)對(duì)機(jī)械性能的預(yù)測(cè)性控制功能；3)無(wú)在線運(yùn)行故障處理功能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，磨機(jī)故障停車(chē)將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，大量的停車(chē)善后處理，額外增加員工的高強(qiáng)度體力勞動(dòng)，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用模糊控制技術(shù)，探尋一種最佳的適用值，通過(guò)外圍傳感器失真與否甄別有效信號(hào)，通過(guò)處理有效信號(hào)，避免假性報(bào)警造成的頻繁停車(chē)?；谀：刂萍夹g(shù)的磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功運(yùn)用于普朗銅礦中，并產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)其他礦山建設(shè)及未來(lái)智能化礦山自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

1 優(yōu)化控制策略

甄別控制處理單元獲取小齒輪紅外溫差、小齒輪紅外溫度、油流、油壓、軸承溫度以及振動(dòng)范圍，通過(guò)模糊控制[3-4]判斷失真情況。判斷為失真信號(hào)，則不參與邏輯連鎖控制，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)記錄單元儲(chǔ)存，僅供查詢使用。判斷為真實(shí)信號(hào)，則將數(shù)據(jù)傳送給邏輯連鎖控制單元，參與運(yùn)行連鎖控制[1-2]。

邏輯連鎖控制單元接收到甄別控制處理單元的數(shù)據(jù)信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷故障問(wèn)題，利用模糊控制[3-4]尋找最佳使用值得設(shè)定值：根據(jù)礦山實(shí)際情況，每個(gè)溫度傳感器設(shè)定-200 ℃的斷線溫度，檢測(cè)到該溫度時(shí)，直接將信息傳輸至在線故障處理單元，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；設(shè)定正常使用溫度值為60 ℃，超高溫度90 ℃，超出超高溫度值時(shí)，發(fā)出該檢測(cè)點(diǎn)的故障停機(jī)指令，并發(fā)出報(bào)警信息；對(duì)小齒輪小端的溫差范圍，根據(jù)紅外溫度傳感器的信息，設(shè)定兩端溫差值正常范圍為15 ℃，超大溫差值為30 ℃，溫差值超過(guò)15 ℃時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，超過(guò)30 ℃時(shí)，則發(fā)出故障停機(jī)指令。對(duì)供油管道的油壓，設(shè)定正常使用范圍的低壓為40 kg/cm3、超低壓為15 kg/cm3的預(yù)設(shè)值，當(dāng)信號(hào)達(dá)到該值時(shí)輸出相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的報(bào)警信息或故障停機(jī)指令。

在線故障處理單元主要針對(duì)兩類(lèi)故障處理，分別是潤(rùn)滑油故障處理和溫度檢測(cè)故障處理，具體處理方式為：潤(rùn)滑油故障進(jìn)行不停機(jī)在線處理，包括潤(rùn)滑油故障處理等待間歇和計(jì)時(shí)置零兩個(gè)功能，潤(rùn)滑油噴射周期結(jié)束后預(yù)設(shè)等待間歇時(shí)間，等待間歇時(shí)間功能中加入計(jì)時(shí)置零功能，在等待間歇時(shí)間內(nèi)進(jìn)行潤(rùn)滑油系統(tǒng)的故障處理，等待間歇時(shí)間中啟動(dòng)計(jì)時(shí)置零功能，令等待間歇時(shí)間重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，保證故障處理具有充分時(shí)間，在機(jī)械潤(rùn)滑允許的情況下，可以無(wú)限次使用，直到問(wèn)題解決完成，之后再進(jìn)行大小齒輪的甘油噴射潤(rùn)滑。溫度檢測(cè)故障處理，對(duì)每個(gè)溫度傳感器的線路和探頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，任意一個(gè)溫度傳感器發(fā)出斷線故障時(shí)，顯示斷線信息，提示維護(hù)人員針對(duì)性檢查和處理，避免因高溫產(chǎn)生故障，導(dǎo)致停車(chē)。

預(yù)測(cè)控制處理單元，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)在線趨勢(shì)記錄，結(jié)合設(shè)備性能的正常使用范圍指標(biāo)值域，設(shè)定正常運(yùn)行的超出區(qū)域界限值，檢測(cè)數(shù)據(jù)超出區(qū)域界限值時(shí)，提前預(yù)警，通知維護(hù)人員提前對(duì)設(shè)備的軸承、軸瓦、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析和保養(yǎng)維護(hù)。

2 模糊控制策略、規(guī)則

2.1 模糊控制判斷失真情況步驟

1)確定模糊控制器模型及輸入語(yǔ)言(誤差、誤差變化率)、輸出語(yǔ)言的變量，本模糊控制模型采用雙輸入單輸出(單輸入單輸出尋找結(jié)果過(guò)于理想化、簡(jiǎn)單化，不適用)的二維模糊控制器[4-5]：

輸入變量：偏差變量為e，偏差變化率ec；

偏差e=r-y，r為失真度設(shè)定值，y為失真度測(cè)試值；

偏差變化率ec(k)=e(k)-e(k-1)，(k=0，1，2，……)；

2)輸入語(yǔ)言變量偏差e、偏差變化ec和輸出語(yǔ)言變量控制量變化U的語(yǔ)言值的確定：

偏差e的基本論域：[-20次，+20次]；

輸出語(yǔ)言變量：失真度測(cè)試過(guò)程中控制濾波時(shí)間長(zhǎng)度的變化量U；

偏差語(yǔ)言值e的離散論域：

X={-6，…，0，…，+6}；

則偏差e的量化因子為：

Ke=2×6/[20-(-20)]=0.3；

偏差E的語(yǔ)言值選為：PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB共8個(gè)值；

確定在X論域上模糊子集PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB的隸屬度函數(shù)μ(x)，并建立語(yǔ)言變量E的賦值表；

偏差變化率ec的基本論域：[-15，+15]；

偏差變化率語(yǔ)言值ec的離散論域：

Y={-6，-5，…，0 …，+5，+6}；

則偏差變化率ec的量化因子為：

Kec=2×6/[15-(-15)]=0.4；

語(yǔ)言變量偏差ec的語(yǔ)言值選為：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB共7個(gè)值；

確定在論域X上用以描述模糊子集PB，…，NB的隸屬度函數(shù)u(y)，并建立語(yǔ)言變量ec的賦值表，參考表1的e建立ec賦值表。

控制量變化u的基本論域：[-10 s，+10 s]；

控制量變化語(yǔ)言值U的離散論域：

Z={-7，-6，…，0，…，+6，+7}；

則控制量變化u的比例因子為：

Ku=[10-(-10)]/2×7=10/7；

語(yǔ)言變量控制量變化U的語(yǔ)言值選為：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB7個(gè)語(yǔ)言值；

通過(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用總結(jié)，確定在論域Z上用以描述模糊子集PB，…，NB的隸屬函數(shù)μ(z)，并據(jù)此建立語(yǔ)言變量U的賦值表，參考表1的e建立U賦值表。

表1 語(yǔ)言變量e的賦值表(省略值為0)Table 1 Assignment table of language variable e

3)模糊控制規(guī)則的確定：

當(dāng)誤差e較大時(shí)，選擇控制量u以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差e較小時(shí)，選擇控制量u要注意防止超調(diào)，根據(jù)上述規(guī)則，得到以下模糊控制表：

表2 模糊控制規(guī)則表Table 2 Fuzzy control rules

得到該失真度偏差、偏差變化率與濾波時(shí)間長(zhǎng)度之間的模糊關(guān)系R：

R=(E×U)(EC×U)=E×EC×U

=(NBE×NBEC×PBU)∪(NME×NBEC×PBU)∪(NSE×NBEC×PMU)∪……

其中規(guī)則內(nèi)的模糊集取交集運(yùn)算，規(guī)則間的模糊集取并集運(yùn)算；

4)模糊化與模糊推理：

設(shè)實(shí)測(cè)偏差為e(k)，ec(k)=e(k)-e(k-1)，(k=0，1，2，……)

量化后得e*，ec*

且e*∈X={-6，-5，…，-0，+0，…，+5，+6}，ec*∈Y={-6，-5，…，0，…，+5，+6}

將e*、ec*模糊化得模糊子集E*、EC*

則U*=(E*×EC*)R，即模糊控制器的輸出為誤差向量、誤差變化率向量與模糊關(guān)系的合成；

5)控制量的反模糊化：

解模糊與模糊控制表的生成，采用最大隸屬度法對(duì)模糊控制增量進(jìn)行解模糊，得到在論域Z={-7，…，0，…，+7}上取值的控制增量u*，對(duì)論域X(X={-6，…，-0，+0，…，+6})和論域Y(Y={-6，…，0，…，+6})的全部元素所有組合進(jìn)行上述模糊化、模糊推理及模糊判決運(yùn)算，均能得到論域Z(Z={-7，…，0，…，+7})上的元素與之一一對(duì)應(yīng)，將這些對(duì)應(yīng)關(guān)系制成表格，即得模糊控制表。

表3 模糊控制查詢表Table 3 Fuzzy control query table

模糊控制表離線計(jì)算得到：根據(jù)U*=(E*×EC*)R，在E*=(PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB)，EC*=(PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB)時(shí)，計(jì)算控制器的輸出模糊向量U*，再按照“最大隸屬度法”進(jìn)行反模糊化，則選擇控制量為U*在(PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB)上計(jì)算的最大值，即為U*max值填入以上模糊控制查詢表。

在線控制時(shí)，在每一控制周期將實(shí)測(cè)偏差e(k)、ec(k)，(k=0，1，2，……)分別進(jìn)行量化，取得查找模糊控制表所需的e*、ec*，再?gòu)谋碇胁槌鰧?duì)應(yīng)的控制量變化u*，與比例因子ku相乘，便得到用于被控對(duì)象的實(shí)際控制量的變化值u，即u=u*×ku。

本模糊控制的目的去掉失真度，則包含了e≤0的所有u*，另外ku=10/7；結(jié)合實(shí)際運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)波形圖來(lái)看濾波時(shí)間的設(shè)置應(yīng)不小于5 s，通過(guò)u=u*×ku≥5 s計(jì)算，得出u*≥3.5，所以，在該模糊控制器下，所有u*>3的控制量均可以達(dá)到去掉失真度的要求；但是u*選擇過(guò)大，實(shí)際控制量的變化值u也會(huì)過(guò)大，即濾波時(shí)間增大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)進(jìn)入邏輯控制等單元的正常信號(hào)嚴(yán)重滯后，系統(tǒng)對(duì)外部正常信號(hào)處理不及時(shí)，嚴(yán)重超調(diào)，失去系統(tǒng)的優(yōu)越性，所以最佳失真度的控制量u*應(yīng)該滿足：3

2.2 利用模糊控制尋找最佳使用值的設(shè)定值

參考失真度模糊控制設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)磨機(jī)控制系統(tǒng)最佳設(shè)定值的尋找。

1)確定模糊控制器模型及輸入語(yǔ)言、輸出語(yǔ)言變量，采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器模型：

輸入語(yǔ)言變量：偏差語(yǔ)言變量為e，偏差變化率ec；

偏差e=r-y，r為各設(shè)定值的目標(biāo)值，y為多次的測(cè)試值；

偏差變化率ec(k)=e(k)-e(k-1)，(k=0，1，2，……)；

輸出語(yǔ)言變量：設(shè)定目標(biāo)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中控制設(shè)定值長(zhǎng)度的變化量U；

2)輸入語(yǔ)言變量偏差e、偏差變化ec和輸出語(yǔ)言變量控制量U變化語(yǔ)言值的確定；組成二維坐標(biāo)系，采用三角形或半梯形的隸屬度函數(shù)關(guān)系進(jìn)行模糊計(jì)算；

3)確定模糊控制規(guī)則：

按上述控制規(guī)則，得到該失真度偏差、偏差變化率與濾波時(shí)間長(zhǎng)度之間的模糊關(guān)系R：

R=(E×U)(EC×U)=E×EC×U=(NBE×NBEC×PBU)∪(NME×NBEC×PBU)∪(NSE×NBEC×PMU)∪……

4)模糊化與模糊推理：

設(shè)實(shí)測(cè)偏差為e(k)，ec(k)=e(k)-e(k-1)，(k=0，1，2，……)

量化后得e*、ec*

且e*∈X={-6，-5，…，-0，+0，…，+5，+6}

ec*∈Y={-6，-5，…，0，…，+5，+6}

將e*和ec*模糊化得模糊子集E*和EC*

則U*=(E*×EC*)R，即模糊控制器的輸出為誤差向量、誤差變化率向量與模糊關(guān)系的合成；

5)控制量的反模糊化：

采用最大隸屬度法對(duì)模糊控制增量進(jìn)行解模糊，得到在論域Z={-7，…，0，…，+7}上取值的控制增量u*；對(duì)論域X(X={-6，…，-0，+0，…，+6})和論域Y(Y={-6，…，0，…，+6})的全部元素所有組合進(jìn)行上述模糊化、模糊推理及模糊判決運(yùn)算，得到論域Z(Z={-7，…，0，…，+7})上的元素與之一一對(duì)應(yīng)，將這些對(duì)應(yīng)關(guān)系制成模糊控制查詢表。

模糊控制查詢表離線計(jì)算得到：

根據(jù)U*=(E*×EC*)R，在E*=(PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB)，EC*=(PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB)時(shí)，計(jì)算控制器的輸出模糊向量U*，再按照“最大隸屬度法”進(jìn)行反模糊化，則選擇控制量為U*在(PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB)上計(jì)算的最大值，即為U*max值填入以上模糊控制查詢表；

在線控制時(shí)，在每一控制周期將實(shí)測(cè)偏差e(k)、ec(k)，(k=0，1，2，……)分別進(jìn)行量化，取得查找模糊控制表所需的e*、ec*，再?gòu)谋碇胁槌鰧?duì)應(yīng)的控制量變化u*，與比例因子ku相乘，便得到用于被控對(duì)象的實(shí)際控制量的變化值u，即u=u*×ku；

根據(jù)上述模糊控制設(shè)計(jì)得出以下設(shè)定值控制設(shè)置結(jié)論：

(1)紅外溫差報(bào)警的最佳設(shè)定值尋找：

選擇：報(bào)警值的控制量變化u的基本論域：[-15，+15]；

控制量變化u的比例因子為：Ku=[15-(-15)]/2×7=15/7；

由上述推導(dǎo)u=u*×ku計(jì)算得出，u*=7。滿足最大隸屬度取值原則，所以上述報(bào)警值的最佳設(shè)定為15 ℃；

(2)紅外溫差故障停機(jī)的最佳設(shè)定值尋找：

選擇：報(bào)警值的控制量變化u的基本論域：[-30，+30]；

則控制量變化u的比例因子為：Ku=[30-(-30)]/2×7=30/7；

由上述推導(dǎo)u=u*×ku計(jì)算得出，u*=7，滿足最大隸屬度取值原則，所以上述故障停機(jī)值的最佳設(shè)定為30 ℃。

3 工業(yè)應(yīng)用

該技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成功運(yùn)用在普朗銅礦，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)科學(xué)，使用方便，對(duì)所有外部傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行甄別處理，避免失真信號(hào)進(jìn)入邏輯連鎖控制單元，避免磨機(jī)因假性報(bào)警和故障的頻繁停機(jī)；增加了機(jī)械性能預(yù)測(cè)性控制功能，有效控制軸承、軸瓦、齒輪等機(jī)械損傷程度；增加在線運(yùn)行故障處理功能，實(shí)現(xiàn)了不需要停機(jī)就可以對(duì)齒輪潤(rùn)滑油潤(rùn)滑、溫度檢測(cè)等故障進(jìn)行處理，減少磨機(jī)非必須停車(chē)頻次。經(jīng)過(guò)該項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用后，增加該礦山年度生產(chǎn)直接經(jīng)濟(jì)收益約6 000萬(wàn)元，提高單系列設(shè)備全年運(yùn)轉(zhuǎn)效率約為4.1%，在高原環(huán)境下，減少員工高強(qiáng)度額外體力勞動(dòng)，提高員工身心健康指數(shù)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

基于模糊控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)磨機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究并應(yīng)用后，其設(shè)備的綜合優(yōu)越性能得以充分發(fā)揮出來(lái)，磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率全面提升、生產(chǎn)成本大幅度降低。該項(xiàng)優(yōu)化控制策略對(duì)其他行業(yè)而言，仍然值得推崇，前景廣闊。