夏國宏

(黃石理工學(xué)院機電工程學(xué)院,湖北黃石 435003)

0 引言

在球磨機制備料漿的生產(chǎn)過程中,料漿的濕度(或料漿的水分含量)是一個十分重要的工藝參數(shù)。料漿的濕度過低會產(chǎn)生“糊磨”現(xiàn)象,此時球磨機功耗增加,產(chǎn)量下降,并且磨制成的材料細度達不到要求。如果料漿的濕度過高,細物料因水分較多包在研磨體的表層,這樣就會減少鋼球?qū)ξ锪系淖矒袅?容易產(chǎn)生“空磨”現(xiàn)象,這不但會減少球磨機的產(chǎn)量,而且也會加速球磨機中研磨體的磨損?？傊?控制料漿的濕度在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分重要的意義[1]。

在球磨機制備料漿的生產(chǎn)過程中,影響料漿濕度的因素有很多。料漿濕度具有非線性、慣性大、純滯后的特點,難以建立精確的數(shù)字模型,但運用模糊控制就可以取得較好的效果。

1 自組織模糊控制理論

模糊控制,就是在被控制對象的模糊模型的基礎(chǔ)上,運用模糊控制器的近似推理等手段,實現(xiàn)系統(tǒng)控制的一種方法。模糊模型是用模糊語言和規(guī)則描述的一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)。在模糊控制系統(tǒng)中,模糊控制器的推理機理是由人們對生產(chǎn)過程或?qū)ο蟮哪：畔w納后產(chǎn)生的控制規(guī)則確定的[2]。但是由于人們在對生產(chǎn)過程或?qū)ο筮M行經(jīng)驗總結(jié)時認識上的偏差以及總結(jié)方法不合適等因素的影響,且生產(chǎn)過程或?qū)ο笫请S著外界條件和本身的條件而有所變化的,這 2種情況促使人們考慮一種可以在運行中能自動對本身的參數(shù)進行調(diào)整,使系統(tǒng)的性能不斷改善,以適應(yīng)不斷變化的情況,保持控制達到最佳效果的方法。

為了達到最佳的控制效果,可以采用對性能測量的校正、對控制量的校正以及對控制規(guī)則的校正 3種方法來實現(xiàn)。在料漿濕度模糊控制方案中,我們采用對控制規(guī)則的校正來改變模糊控制表,進行自組織自調(diào)整。圖 1為雙因子自組織自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)。

圖1 雙因子自組織自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)

在圖 1中,α1和 α2是修正因子。對常規(guī)的模糊控制表可按式(1)進行調(diào)整:

從式(1)可以看出,α1和 α2取值不同時,控制規(guī)則必不同,控制效果就有所不同。在實際運行中,不斷修改 α1和 α2的值,就可以找到最優(yōu)控制規(guī)則[3]。

2 預(yù)測控制理論

根據(jù)球磨機生產(chǎn)的實際情況,可以作出一些假定,運用自校正預(yù)測補償控制(STPCC),可以取得較好的控制效果。自校正預(yù)測補償控制方法比較適合于大滯后系統(tǒng)[4]。自校正預(yù)測補償控制(STPCC)的算法如下:通過對輸出平均值的預(yù)測和控制,計算出目標(biāo)控制值,使其與設(shè)定值之間產(chǎn)生一個人為的差值,并利用這個差值自動地校正和補償預(yù)測誤差。再根據(jù)控制目標(biāo)值與設(shè)定值之間的關(guān)系式確定最佳控制量。目標(biāo)控制值與設(shè)定值的差值一般比較小,但事實上在生產(chǎn)過程中球磨機料漿的水分含量變化有時會很大,僅僅控制球磨機中料漿的水分含量無法達到使料漿池中總的水分含量也能達到要求的目的。

因此,我們采用的研究方法是將多因子自組織自調(diào)整模糊控制與自校正預(yù)測補償控制結(jié)合起來解決球磨機料漿濕度的控制問題。

3 料漿濕度的模糊控制方法

要提高模糊控制器的精度,一方面可以設(shè)計多維模糊控制器,從理論上講,模糊控制器的維數(shù)越高,控制越精細,但是維數(shù)越高,模糊控制規(guī)則會變得更加復(fù)雜,控制算法的實現(xiàn)相當(dāng)困難;另一方面,可以采用多因子自組織自調(diào)整模糊控制,如可以采用雙因子自組織模糊控制,還可以增加到 4個調(diào)整因子,文獻[3]中提出了 6因子調(diào)整模糊汽車模型,隨著調(diào)整因子的增加,控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性將隨之改善。但隨著調(diào)整因子的增加,模糊控制規(guī)則和計算量也大大的增加,算法的實現(xiàn)也將加難,程序?qū)⒆兊酶訌?fù)雜。解決這個問題的另一種方法是在偏差 e和偏差變化率△e的論域內(nèi)用不同的控制模式分區(qū)間來實現(xiàn)控制,即采用復(fù)合型模糊預(yù)測控制方法[5]。

復(fù)合型模糊預(yù)測控制方法,一是在大偏差范圍內(nèi),如偏差 e和偏差變化率△e分別在{±6,±2}范圍內(nèi),可以采用雙因子自組織模糊控制,在更高的控制精度要求時,可以采用4因子自組織模糊控制,在小偏差范圍內(nèi),如偏差e和偏差變化率△e分別在{±2,0}范圍內(nèi)采用自校正預(yù)測補償控制,二者的切換可以通過軟件來實現(xiàn),這樣程序設(shè)計就比較簡單。

因為切換工作模式時,偏差 e和偏差變化率△e的范圍不同,所以這 2種工作模式可以分別進行設(shè)計和調(diào)試。切換點的設(shè)定是關(guān)鍵。從雙因子自組織模糊控制模式到自校正預(yù)測補償控制模式,切換點要選得恰當(dāng),如果太小,就會過早地進入自校正預(yù)測補償控制而影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度;反之如果選得太大,在太接近目標(biāo)值時切換,會有引入模糊控制器不能消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的缺陷。因此要找到一個相對最優(yōu)點,或者根據(jù)系統(tǒng)的特點要求來選取。根據(jù)專家經(jīng)驗,在從雙因子自組織模糊控制模式到自校正預(yù)測補償控制模式切換時,可選在偏差e和偏差變化率△e分別為{±1,0}時,切換至自校正預(yù)測補償控制模態(tài)。

4 料漿濕度模糊預(yù)測控制方案研究

料漿濕度模糊預(yù)測控制研究的總體方案如圖2所示。

圖2 料漿濕度模糊預(yù)測控制方案圖

料漿濕度預(yù)測模糊控制方案工作原理:

第1步:單片機8031接受AD 574傳來的數(shù)字信號并進行數(shù)據(jù)處理,求出偏差 e和偏差變化率△e,然后根據(jù)偏差e和偏差變化率△e的大小,決定是工作在多因子自組織模糊控制狀態(tài),還是工作在自校正預(yù)測補償控制狀態(tài)。通過查詢對應(yīng)的模糊控制表求出模糊控制量△x,最后單片機將送來的模糊控制量△x送給DAC0832轉(zhuǎn)換器。

第2步:DAC0832轉(zhuǎn)換器進行D/A轉(zhuǎn)換,把該模糊控制量△x的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號[6]。

第3步:由DAC0832轉(zhuǎn)換器給出的直流電壓控制信號,經(jīng)電信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流控制信號。通過伺服放大器和伺服電機來控制閥門,從而正確地控制給水量。

5 結(jié)論

針對料漿濕度這樣具有非線性、慣性大、純滯后的特點且難以建立精確的數(shù)字模型的對象,采用復(fù)合型模糊預(yù)測控制方法,相對于多因子自組織模糊控制和自校正預(yù)測補償控制來說,程序?qū)⒆兊煤唵?算法也比較容易實現(xiàn),同時還可以取得較好的控制效果。

[1] 夏國宏.料漿水分自動測控儀的研制與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(10):15-17

[2] 李洪興.變論域自適應(yīng)模糊控制器[J].中國科學(xué):E輯,1999,29(1):32-42

[3] 尹念東,余群.六因子調(diào)整模糊汽車模型的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2003,34(1):25-27

[4] 夏國宏,張林仙,張立民.料漿水分含量的自校正預(yù)測補償控制[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報, 2006,22(6):32-34

[5] 郝曉弘,粘坤,張帆,等.模糊預(yù)測控制在新型干法水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用[J].計算機仿真,2010, 27(5):281-283

[6] 胡乾斌,李光斌,李玲,等.單片微型計算機原理與應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005