基于模糊控制的水泥生產(chǎn)線(xiàn)配料控制系統

在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制系統中大量采用電子皮帶秤來(lái)計量和控制物料下料量。由于物料成分及形狀多種多樣、水泥生產(chǎn)現場(chǎng)環(huán)境惡劣等原因，皮帶秤計量控制系統具有非線(xiàn)性、慣性、滯后性和隨機性等缺點(diǎn)，在實(shí)際控制應用中，很難建立其精確的數學(xué)模型，用傳統的PID控制方法不能很好地解決這些問(wèn)題。而以語(yǔ)言規則模型為基礎的模糊控制理論卻是解決上述問(wèn)題的有效途徑和方法。采用工控機和牛頓7000系列模塊對配料系統進(jìn)行整體控制，在此基礎上，引入模糊控制策略對各種配比成分進(jìn)行控制，實(shí)踐證明控制效果非常理想。對水泥生產(chǎn)的質(zhì)量提供了可靠保證，具有明顯的經(jīng)濟效益。
1 物料計量和控制方法
確保水泥質(zhì)量的關(guān)鍵是物料嚴格按配比配料，而各物料的配比量來(lái)自皮帶秤的稱(chēng)料量，皮帶秤的計量是否準確就成了影響水泥質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
常見(jiàn)的計量方式為流量計算，即對稱(chēng)重傳感器信號和皮帶運行速度的乘積進(jìn)行積分[1]，這種方式計算工作量大、流量控制復雜、穩定性差，并且皮帶秤的標定很麻煩，需要大物料的實(shí)物標定，且誤差大。
在反復試驗研究基礎上，采用了一種準靜態(tài)直接稱(chēng)重法，工作原理如圖1所示。設A點(diǎn)為下料點(diǎn)，B點(diǎn)為出料點(diǎn)，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的運行時(shí)間為皮帶的周期T(一般10 s左右，為已知量并且預先設置)，物料流量的積分時(shí)間為T(mén)，傳感器信號直接對應每一秤物料的重量，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是運算簡(jiǎn)單方便，而且標定時(shí)只需掛碼靜態(tài)標定，而非繁瑣復雜的實(shí)際大物料(幾噸至幾十噸)動(dòng)態(tài)流量標定。

本文采用調速皮帶秤計量控制方式設定下料周期T，實(shí)現了無(wú)偏差控制。
2 配料控制系統構成
水泥廠(chǎng)環(huán)境惡劣(高粉塵、噪音、高溫、高電磁干擾等)，為實(shí)現遠距離控制，選用了牛頓7000系列遠端數據模塊和工業(yè)計算機來(lái)完成。系統構成如圖2。牛頓7000系列模塊采用RS485方式通訊，系統只需用一條雙絞線(xiàn)即可聯(lián)結，其具有的高通信速率、高采樣分辨率、智能化、光電隔離、強抗干擾和雙看門(mén)狗設計，使系統可靠性高，數據高速I(mǎi)/O成為可能，軟件開(kāi)發(fā)也比較容易[2]。而且主機使用RS232通訊口與網(wǎng)絡(luò )連接，基本上任何一臺有RS232的計算機都可使用此網(wǎng)絡(luò )，設備互換性好，維護人員的工作難度和工作量也很小[2-3]。

3 配料模糊控制系統
配料系統在無(wú)誤差控制過(guò)程中，如果偏差沒(méi)有糾正(補償)，將導致配比失衡，出現大量的廢料，造成損失。為保證配料系統的無(wú)誤差及良好的動(dòng)態(tài)指標，系統中將誤差的積分量和微分量作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的輸出為控制值的修正量Δu，由給定計算出的直接控制量為u，u+Δu經(jīng)D/A轉換輸出控制下料器。配料模糊控制器原理圖如圖3所示。

選取不同的量化因子將偏差積分量、偏差微分量離散化，模糊集的論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集e={NB，BM，BS，ZO，PS，PM，PB}。采用式(2)來(lái)分別擬合模糊集合的隸屬度。

配料模糊控制器的輸入變量為偏差積分ei和偏差微分ed，輸出變量為u，其相應的語(yǔ)言變量為Ei、Ed、U，在專(zhuān)家知識和手動(dòng)操作經(jīng)驗基礎上建立模糊控制規則(如表1)存放于知識庫中，在模糊推理時(shí)為推理機提供控制規則。

由于被控對象只能接收一個(gè)精確的數字控制量，無(wú)法接收模糊控制量，必須經(jīng)過(guò)清晰化(信號的濾波調理)接口，將模糊量u轉換成精確量u*，精確量u*乘以比例因子ku，再經(jīng)過(guò)D/A轉換輸出下料控制器。本系統中模糊判決方式采用加權平均法[4]：

4 配料模糊控制系統仿真
利用Matlab中的fuzzy工具箱和Simulink工具箱對該配料模糊控制系統進(jìn)行仿真研究，配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生下料偏差，本例中模擬產(chǎn)生正弦波動(dòng)的誤差。

調整模糊論域中每個(gè)元素的隸屬函數(式2)的d值，考慮到下料量波動(dòng)的隨機性，為得到良好的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)指標，元素0處的分辨率取低，元素6處分辨率取高。按照表1所列控制規則，利用Matlab/Toolboxs/Fuzzylogic/FIS計算出控制量查詢(xún)表，控制量查詢(xún)三維圖如圖5所示，系統模糊集變量圖如圖6所示。經(jīng)過(guò)反復調整量化因子和比例因子，可以得到下料模糊控制仿真曲線(xiàn)，如圖7。從仿真結果可以看出：采用模糊控制方式，系統能快速補償上一控制周期所產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過(guò)實(shí)際應用，也驗證系統超調量小、魯棒性強的特點(diǎn)[5]。

針對水泥生產(chǎn)線(xiàn)中配料系統，提出一種準靜態(tài)計量方式，采用模糊控制策略，取得良好的控制效果。本文研究的水泥生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)配料控制系統在數家中、小水泥廠(chǎng)生料、熟料生產(chǎn)線(xiàn)上投運以來(lái)，大大提高了水泥生產(chǎn)質(zhì)量，增加了產(chǎn)量，降低能耗，同時(shí)還減輕了工人勞動(dòng)強度，提高了水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)管理水平。系統具有明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，以及較高的推廣應用價(jià)值。
參考文獻
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