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0 引言

商品砼是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)品之一 ,在環(huán)保和質(zhì)量方面 ,商品砼更能得到有效的控制 ,且商品砼可節(jié)約水泥 10%. 砼攪拌站是生產(chǎn)商品砼的關(guān)鍵設(shè)備. 其自動(dòng)控制系統(tǒng)是把各種物料( 多種規(guī)格的石子、 砂 、 水泥、 粉煤灰 、 添加劑和水) 按照配方進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重計(jì)量,然后送入攪拌罐攪拌成混凝土. 它由貯料、 配料 、攪拌、放料等子系統(tǒng)組成, 受多個(gè)環(huán)節(jié)制約,這種系統(tǒng)具有如下一些特點(diǎn):

1)被測(cè)對(duì)象處于非靜止?fàn)顟B(tài) .

2)是一種在線的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng).

3)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速測(cè)量, 要求系統(tǒng)有良好的時(shí)間響應(yīng)特性 .

這種配料系統(tǒng)屬于非線性 、 時(shí)變而且不允許超調(diào)的系統(tǒng)[ 1]. 影響系統(tǒng)配料速度和配料精度最重要的是料斗的震動(dòng) 、 落差和過(guò)沖量. 料斗的震動(dòng)使傳感器得到重量信號(hào)并不能準(zhǔn)確地反映料斗內(nèi)實(shí)際物料重量 . 落差是由于運(yùn)動(dòng)中的原料,如從給料器或閥門(mén)進(jìn)入到秤斗行程中的原料流, 還沒(méi)有到達(dá)秤斗的原料料面. 產(chǎn)生過(guò)沖量是由于從電子裝置發(fā)出停止信號(hào)到閥門(mén)確實(shí)關(guān)閉或到螺旋給料器確實(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)要有一段時(shí)間. 由于物料流的不穩(wěn)定以致落差和過(guò)沖量的隨機(jī)變化, 這給配料精度的控制帶來(lái)了較大的困難 . 因此對(duì)這些因素的控制顯得尤為重要. 作者采用了 PLC 、 工控機(jī)及組態(tài)王相結(jié)合的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)混凝土攪拌站進(jìn)行了改造 . 本文主要針對(duì)其動(dòng)態(tài)配料系統(tǒng)和非線性誤差控制進(jìn)行探討

1 混凝土配料控制算法分析

按照配料生產(chǎn)控制工藝流程 ,進(jìn)入配料程序時(shí),系統(tǒng)首先檢測(cè)計(jì)量稱(chēng)斗確定是否小于預(yù)設(shè)值 ,若小于預(yù)設(shè)值即啟動(dòng)物料倉(cāng)送料裝置( 粉料還需經(jīng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)輸送) , 物料進(jìn)入計(jì)量稱(chēng)斗; 計(jì)量稱(chēng)斗的稱(chēng)重傳感器把所測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)智能單元完成 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入控制器; 控制器依據(jù)所采集的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)的與事先設(shè)定好的預(yù)期配料設(shè)定值( 即配合比參數(shù)) 進(jìn)行對(duì)比, 利用算法進(jìn)行配料控制 , 保證配料誤差; 當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的重量時(shí),控制器立刻發(fā)出關(guān)閉卸料裝置和進(jìn)料機(jī)構(gòu)的指令 ; 當(dāng)所有的物料稱(chēng)量好之后各種料按照設(shè)定程序送入攪拌機(jī) ,等待攪拌 . 

其中 ,D( x , t) 表示第 x 種物料進(jìn)料機(jī)構(gòu)開(kāi)度控制值; t 表示在t 時(shí)刻 ,并在0 至 100%連續(xù)可調(diào) ; R( x ,y) 表示第 x 種物料第y 稱(chēng)配料設(shè)定值 ; F( x ,y ,t) 表示稱(chēng)斗達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)第 x 種物料第y 稱(chēng)稱(chēng)斗傳感器反饋值 ; Q( x ,y) 表示第 x 種物料第 y 稱(chēng)輸出值 ; T( x ,y) 表示第 x 種物料第y 稱(chēng)配料前皮重值 .對(duì)于石料之類(lèi)固體物料, 當(dāng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)開(kāi)度較小時(shí),它們有可能被卡住不能進(jìn)入計(jì)量稱(chēng)斗,這樣的情況下 ,對(duì)于 D( x ,t) 連續(xù)可調(diào)沒(méi)有很大實(shí)際意義 . 我們分D( x ,t) 連續(xù)可調(diào)和不連續(xù)可調(diào)兩種情況討論 .

1)D( x , t)連續(xù)可調(diào)情況 .

則ξ ( x , y)=R( x ,y)－Q( x ,y) ,代表第 x 種物料第 y 稱(chēng)配料誤差. 當(dāng)?shù)?x 種物料第 y 稱(chēng)開(kāi)始配料時(shí),先測(cè)得 T( x , y) ,則E( x , y ,t)=T( x , y)+R( x ,y)-F( x , y ,t) 表示動(dòng)態(tài)配料誤差 . 顯然 ,ξ ( x ,y)是關(guān)進(jìn)料機(jī)構(gòu)以后計(jì)量稱(chēng)斗穩(wěn)定時(shí) E( x , y , t) 的值.

PID 控制器是一種線性控制器 , 在傳統(tǒng) PID 的控制策略下不易找到最佳控制曲線, 而且很容易產(chǎn)生超調(diào). 典型的離散時(shí)間 PID 控制規(guī)則如下:

D c ( k +1)=K p D e ( k)+K d [ D e ( k)-D e ( k －1) ] +K i D i ( k)+D ref ( k)           ( 1)

式中 : D c ( k)為在時(shí)間點(diǎn) k 的開(kāi)度控制比指令信息 ;D e ( k) 為誤差信號(hào) ,D e ( k)=D ref ( k)-D out ( k) .

D( x , t) 可按不允許有超調(diào)量的增量PID 計(jì)算 .

當(dāng) E( x , y ,t)>Δ x 時(shí),

U( x ,k)=U( x , k -1) +K p ( E( x , y , k)- E( x ,y ,k -1) )+K i E( x , y , k)+K d ( E( x , y , k)-2E( x ,y ,k -1)+E( x , y ,k -2) )            ( 2)

D( x , k)=D( x ,k - 1) + K p ( E( x ,y ,k) - E( x ,y ,k -1) )+K i E( x , y , k)+K d ( E( x , y , k)-2E( x ,y ,k -1)+E( x , y ,k -2) )          ( 3)

當(dāng) E( x , y ,t)≤Δ x 時(shí), D( x , t)=0.

D( x , t)是 0 至 100% 連續(xù)可調(diào)的, 它是通過(guò)PLC 模擬塊的一個(gè)端口來(lái)控制 , 具體 0 ～ 100%調(diào)節(jié)控制是通過(guò) PLC 軟件程序控制具體相關(guān)的電磁閥開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)度來(lái)實(shí)現(xiàn)[ 2].

2)不連續(xù)可調(diào)的情況.

對(duì)于石料之類(lèi)固體塊狀物料, 由于D( x ,t) 不是在 0 ～ 100%連續(xù)可調(diào), 我們采用粗 、中、精配料方式( 即有 3個(gè)進(jìn)料門(mén)) 分別由 20%、 30%、 50%3個(gè)出料開(kāi)度. 它分別通過(guò) PLC 系統(tǒng)的一個(gè)端口控制 , 故共可有 0 、 20%、 30 %、 50%、70%、 80%、 100 %等多種開(kāi)度組合,從可行性和實(shí)用性考慮,我們通常采用下列 4 種組合形式：
 

其中: B i 為經(jīng)驗(yàn)設(shè)定值; L( x ,y)為第 x 種物料第 y稱(chēng)預(yù)期落差 ; M( x ,y) 為第 x 種物料第y 稱(chēng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)時(shí)計(jì)量稱(chēng)斗反饋值 .

對(duì)于這樣的系統(tǒng), 由于 D( x , t) 不是連續(xù)變化,當(dāng)物料倉(cāng)所儲(chǔ)存物料比較滿時(shí), 由于自身重力的影響落料速度顯然比較快, 此時(shí)落差就比較大; 反之,則落差比較小. 因此就必須對(duì)落差 L( x ,y)進(jìn)行預(yù)測(cè) [ 3] .

據(jù)系統(tǒng)實(shí)際有

F( x ,y ,k)－M( x ,y)=L( x , y)+W( x ,y)            ( 6)

其中: W( x ,y)為白噪聲系列.

考慮前面測(cè)量值的影響 ,取

L( x , y)=( 1 -η ) L( x , y -1) +η ·[ R( x , y)－M( x , y)+T( x ,y) ]           ( 7)

式中: 0 <η≤1

3 非線性誤差控制分析

在滿足快速配料的情況下 , 由于物料來(lái)料流的不穩(wěn)定以及機(jī)械慣性所造成的純滯后即存在一個(gè)過(guò)沖量. 由于過(guò)沖量的不確定性,給控制帶來(lái)了很大困難 [ 4] . 通常是根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)控制提前量 ,但是這種固定不變的控制模式往往不能滿足控制要求 . 為此本次改造設(shè)計(jì)了一個(gè)控制方法,根據(jù)每次實(shí)際控制效果來(lái)辯識(shí)下一次的控制值 . 這樣除了剛開(kāi)始是認(rèn)為設(shè)定的控制值外, 以后每次稱(chēng)量均根據(jù)上一次的控制效果加以修正. 由于有了這個(gè)控制策略,這些不確定因素可以得到較好的控制 .

3. 1 控制策略

為了達(dá)到更準(zhǔn)確的精度,在控制策略方面主要是關(guān)門(mén)提前量u 的確定 .

改造中對(duì) u 的確定采用迭代自學(xué)習(xí)的方法[ 5].迭代法是一種逐次逼近的數(shù)學(xué)方法 , 易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn). 但存在是否收斂和收斂速度快慢的問(wèn)題. 對(duì)于圖 2 而言,在對(duì)一種原料下料時(shí) ,要使最終實(shí)際測(cè)量值 W 等于設(shè)定值 W R , 那么關(guān)斷點(diǎn)的選擇 W S =W R -u ,用以下方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正. 首先, 令Ws,k表示第k 批次的關(guān)斷量 ,Wsk 表示第k 批次的實(shí)際測(cè)量 ,U K 表示第k 批次的提前量. 其中給料過(guò)程中料斗內(nèi)的重量是對(duì)流量積分獲得的, Wsk是靜態(tài)參數(shù)估計(jì)得出的. 關(guān)門(mén)提前量 u 的初值為

u =u 0 u 0 ∈ ( 0,W R )      ( 8)

式( 8) 中 ,u 0 在稱(chēng)水泥時(shí)取值 W R 的 2%, 在稱(chēng)石子 、 沙子時(shí)取 5 %. 第一次配料時(shí) , 在秤斗內(nèi)物料的實(shí)際重量到達(dá) W R -u 0 時(shí)就提前關(guān)門(mén), 空中余料完全落入秤斗后, 得到最終實(shí)際配料重量值Ws0 , 利用實(shí)際配料值與設(shè)定值存在的誤差為

e 0 = Ws0 -W R       ( 9)

可產(chǎn)生新的切換系數(shù)

u 1 =u 0 +qe 0 =u 0 +q(Ws0 -W R )      ( 10)

式( 10)中,q 為加權(quán)學(xué)習(xí)因子. 則下一次配料過(guò)程中, 可按照 u 1 進(jìn)行提前關(guān)門(mén). 依此類(lèi)推, 可采用迭代自學(xué)習(xí)控制算法, 第 k +1 次配料時(shí)的控制量為

u k+ 1 =u k +qe k =u k +q(Wsk－W R )    ( 11)

加權(quán)學(xué)習(xí)因子 q 通常取為0

在迭代訓(xùn)練過(guò)程中, 當(dāng) e k <0 時(shí) , 負(fù)向迭代, 迭代的結(jié)果是 u k 變小; 而 e k >0 時(shí), 則正向迭代 ,迭代的結(jié)果是 u k 變大.

u k+ 1 =u k +q(Wsk －W R )=u k －q( W R －Wsk )≥u k - u k =0       ( 13)

由式( 13)可知, 負(fù)向迭代時(shí), 控制量變小 ,但總是大于零.

當(dāng)Wsk >W R 時(shí),e k >0,正向迭代,結(jié)果是 e k 變大 ,此時(shí)要進(jìn)行邊界檢查,保證0

每次重復(fù)訓(xùn)練時(shí)都滿足初始條件 e k ( 0)=0 當(dāng)k →∞,即重復(fù)訓(xùn)練次數(shù)足夠多時(shí) , 可實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出能逼近期望輸出 [ 6] .

這樣, 每次配料時(shí)就可以用上次修正后的提前關(guān)門(mén)值來(lái)提前關(guān)門(mén)了. 如此反復(fù)訓(xùn)練 ,可以使關(guān)門(mén)提前量不斷優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)門(mén)后料斗內(nèi)物料重量值逼近給定值.

4 結(jié)論及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果

用沒(méi)有超調(diào)量的 PID 控制算法控制動(dòng)態(tài)配料,并實(shí)時(shí)估計(jì)落差; 同時(shí)用迭代自學(xué)習(xí)算法控制系統(tǒng)非線性誤差 , 在提高配料速度的同時(shí), 提高配料精度 . 采用這種配料控制算法和誤差控制方法,控制規(guī)律簡(jiǎn)單 ,可以有效的減少頻繁的更改提前量,使系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定,避免配料精度大幅震蕩,不但有較好的實(shí)時(shí)性,而且對(duì)于干擾和系統(tǒng)模型的變化具有一定的魯棒性 ,同時(shí)可以較好的達(dá)到控制精度的要求.

按照上面的算法, 通過(guò)改造項(xiàng)目中的混凝土攪拌站自動(dòng)控制系統(tǒng), 拷其管理數(shù)據(jù)庫(kù)的一段數(shù)據(jù).

從中誤差數(shù)據(jù)可以看出 ,骨料配料誤差在2% 以內(nèi), 粉料配料誤差在 1%, 表明用沒(méi)有超調(diào)量的 PID 控制算法控制動(dòng)態(tài)配料 ,同時(shí)用迭代自學(xué)習(xí)算法控制系統(tǒng)非線性誤差, 完全滿足混凝土攪拌站現(xiàn)場(chǎng)配料的精度和速度要求, 生產(chǎn)出的混凝土經(jīng)檢驗(yàn)都符合要求.

 

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