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0 引 言

在冶金 、 玻璃、 水泥 、 陶瓷、 化工等部門的生產(chǎn)過程中 , 原料配料環(huán)節(jié)是生產(chǎn)的關(guān)鍵工序 , 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) .近年來 , 在配料系統(tǒng)中采用失重秤逐漸盛行, 主要是因?yàn)樵摲绞捷^之皮帶秤 、 定量斗式秤等傳統(tǒng)的配料方式 , 具有計(jì)量準(zhǔn)確、 維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn) .但是失重秤的配料過程分喂料和卸料兩個(gè)階段 , 控制復(fù)雜, 另一方面 , 配料效果受到物料品質(zhì)的不確定性、 喂料設(shè)備與料斗之間高度落差變化所引起的空間物料的不確定性、 執(zhí)行裝置的非線性與慣性和老化所引起的動(dòng)作特性的變化等影響 , 采用傳統(tǒng)的基于固定數(shù)字模型的控制算法, 難以實(shí)現(xiàn)精度、 速度的最佳結(jié)合.本文在研究失重秤工作原理的基礎(chǔ)上, 提出了基于模糊控制的失重秤配料過程控制策略 .應(yīng)用表明該控制策略簡單、 實(shí)用 , 有效提高了配料精度和速度.

1 失重秤的工作原理

主要由計(jì)量斗 、喂料電磁振動(dòng)給料機(jī) 、 卸料電磁振動(dòng)給料機(jī)、 懸吊裝置以及稱重傳感器等組成 .該秤的配料過程分為喂料和卸料兩個(gè)階段 , 配料開始后 , 首先啟動(dòng)喂料電磁振動(dòng)給料機(jī), 向計(jì)量斗喂料 , 同時(shí), 控制器對料斗物料重量進(jìn)行檢測, 當(dāng)喂料量達(dá)到配料設(shè)定的上限值時(shí),停止喂料.在卸料階段, 控制器啟動(dòng)卸料電磁振動(dòng)給料機(jī), 將計(jì)量斗中的物料卸到下一級(jí)輸料設(shè)備送走.卸料時(shí) , 控制器實(shí)時(shí)檢測卸料量, 當(dāng)卸料量等于或接近理想下料目標(biāo)值后 , 停止卸料[ 1] .

2 失重秤配料過程的模糊控制策略

由失重秤的工作原理可知 , 無論是在喂料還是在卸料階段, 秤的配料精度控制是至關(guān)重要的.一個(gè)秤的配料精度主要由稱量精度和配料速度來決定的, 這 2個(gè)參量是兩個(gè)相互矛盾的控制量, 要提高稱量精度, 希望秤體越穩(wěn)定越好, 即喂料 (或卸料 )速度越慢越好, 但勢必增加配料時(shí)間 , 效率低;反之, 如果喂料 (或卸料 )速度過快 , 秤體振動(dòng)大 , 精度又難以保證 , 這就需要所設(shè)計(jì)的控制算法,能夠根據(jù)配料過程狀態(tài)的變化 , 實(shí)時(shí)調(diào)整配料速度 , 使配料精度達(dá)到要求 .另一方面, 由于物料品質(zhì)的不確定性 、執(zhí)行裝置的非線性與慣性和老化所引起的動(dòng)作特性變化的影響, 采用傳統(tǒng)的基于固定數(shù)字模型的控制算法, 難以使失重秤的配料精度達(dá)到要求[ 1] .
為此, 本文設(shè)計(jì)了模糊控制算法, 能夠在線實(shí)時(shí)評(píng)判失重秤的配料狀態(tài), 自動(dòng)調(diào)整給料機(jī)的給料速度 .執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電磁振動(dòng)給料機(jī) ;為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整給料機(jī)的給料速度,驅(qū)動(dòng)裝置采用移相觸發(fā) -可控硅半波整流電路 , 整個(gè)電路由給料速度控制電路、 移相、 脈沖形成及同步 、 脈沖輸出、 電源等部分組成, 其中 , 速度 控制 電路 由繼 電 器 1K,2K, 3K 等 組 成, 并 由 PLC控制[ 8 -10] .

 所示的模糊控制模型的輸入量分別為重量偏差 E和偏差變化率EC, 輸出量為電磁振動(dòng)給料機(jī)的給料速度 .給料速度劃分為 7擋, 其調(diào)整方案是:在配料過程中 , 實(shí)際稱料量與設(shè)定值的偏差大于 90%時(shí), 電磁振動(dòng)給料機(jī)按最大速度給料 , 以保證配料速度 .當(dāng)實(shí)際稱料量與設(shè)定值 的偏差小于 90%時(shí), 系統(tǒng)轉(zhuǎn)入模糊控制模型, 根據(jù)重量偏差 E和偏差變化率 EC的值, 通過模糊推理 , 按6個(gè)擋位自動(dòng)選擇與調(diào)整給料機(jī)的給料速度 , 保證配料控制精度.為了提高控制實(shí)時(shí)性 , 減少 PLC運(yùn)算量和程序的占有量 , 模糊推理采用查表法[ 4] .

2.1 輸入、 輸出量的模糊化處理

本系統(tǒng)只在偏差小于 90%時(shí) ,采用模糊控制 , 因此僅對偏差小于90%后的稱量偏差 E、 偏差變化率EC和控制輸出量 N進(jìn)行量化 .量化的離散論域均定為 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6等 7擋 .輸入、 輸出量離散化后, 每一檔對應(yīng)一個(gè)模糊子集 , 再進(jìn)行模糊處理 .本項(xiàng)目將 7檔模糊子集[ 6]定義為 :Z, SS, SB, MS, M, BS和 B.“零” (Z)— 取零附近;“小小” (SS)— 取 1附近;“小大 ” (SB)— 取 2附近 ;“中小” (MS)—取 3附近;“中” (M)—取 4附近;“大小 ” (BS)—取 5附近;“大” (B)—取 6附近 .

2.2 模糊決策規(guī)則與推理

為了實(shí)現(xiàn)模糊推理, 我們通過對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié) , 得到如表 2所示的模糊規(guī)則庫, 共 49條模糊規(guī)則 .其基本形式為[ 6]

ifEC=AiandE=BjthenN=Cij. (i=1, 2, …, 7;j=1, 2, …, 7). (1)

模糊推理是在已知輸入量模糊集合 E, EC和控制規(guī)則的基礎(chǔ)上, 推導(dǎo)出輸出量 N的模糊集合 N,其運(yùn)算過程如下 .首先求出模糊關(guān)系 R的隸屬度函數(shù):

μR(x, y, z)= ∨

i=n, j=m

i=1, j=1 μAi(x)∧ μBj(y)∧ μCij(z), (2)

式 (2)中 x EC, y E, z N.

再求 N的隸屬度函數(shù):

μN(z)= ∨

x EC;y E μR(x, y, z)∧ μA(x)∧ μB(y). (3)

2.3 模糊量轉(zhuǎn)換為精確量

通過模糊推理所得到的是模糊量 , 而實(shí)際控制需要的是精確量 , 因此需要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量 .本文采用最大隸屬度法將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量[ 5], 該方法為 :選擇輸出模糊集 N中隸屬度最大的那個(gè)元素作為精確量輸出, 即 Z′應(yīng)滿足:μN(Z′)≥ μN(Z), (4)式 (4)中, N為模糊集;Z為精確量.當(dāng)輸出量的隸屬度函數(shù)只有 1個(gè)峰值時(shí), 則取該峰值對應(yīng)元素的平均值作為精確量.求出 Z′后再由公式 (5)得 PLC的實(shí)際輸出控制量 Nk, 得到表 3.實(shí)際運(yùn)行時(shí) , 將表 3的內(nèi)容以數(shù)據(jù)塊的形式存入 FX2NPLC工作存儲(chǔ)區(qū)內(nèi) , 在已知 Ei和 ECi的情況下 , 通過查詢該表得到 Nk, 再通過 PLC節(jié)點(diǎn)輸出.又有 :Nk =kZ, (5)式 (5)中, k為比例系數(shù) .

3 應(yīng)用實(shí)例與效果

上述的基于模糊控制的失重秤配料過程控制策略, 已應(yīng)用于 WJPL微機(jī)配料控制系統(tǒng)[ 7] .該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 8臺(tái)以上失重秤的控制, 已在陶瓷 、 玻璃、 水泥 、 黃磷等生產(chǎn)企業(yè)推廣應(yīng)用, 創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益 .如某玻璃生產(chǎn)有限公司使用該系統(tǒng)后 , 使原料配料誤差小于 0.5‰, 每班配料的合格率由原來的 86.6%提高到 99.2%, 配料量由 14 t/h提高到 18 t/h, 1a創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益達(dá) 3 000多萬元 

4 結(jié) 論

玻璃、 水泥 、 黃磷和陶瓷等生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)過程是連續(xù)作業(yè)過程 , 原材料的配比對產(chǎn)品質(zhì)量影響顯著, 為了在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下 , 盡量提高生產(chǎn)效率, 采用科學(xué)合理先進(jìn)的配料工序, 就顯得尤為重要 .對于以失重秤為核心裝置的配料系統(tǒng) , 采用以物料重量偏差和偏差變化率為輸入量, 電磁振動(dòng)給料機(jī)的給料速度為輸出量 , 綜合考慮稱量精度和配料速度, 采用模糊決策, 根據(jù)配料狀態(tài)的變化 , 實(shí)時(shí)調(diào)整配料速度, 能夠使配料精度和配料速度均達(dá)到生產(chǎn)要求 , 有效提高配料精度和配料速度 , 使企業(yè)獲得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益.

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