張智軍

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,廣東韶關(guān) 512126)

0 引言

在電力、冶金等工業(yè)控制系統(tǒng)中,廣泛應(yīng)用管道氣力輸送技術(shù)來輸送煤粉,一般工藝要求噴吹到高爐風(fēng)口的煤粉流比較穩(wěn)定、各風(fēng)口噴吹的煤量較均勻。煤粉流量的測(cè)量與控制是操作人員進(jìn)行設(shè)備配置使煤粉調(diào)節(jié)均勻、穩(wěn)定,保證爐況的穩(wěn)定順行,提高噴吹效果的重要依據(jù)。這就要對(duì)各風(fēng)口噴煤量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制,支管流量是各風(fēng)口均勻控制及氧、煤比優(yōu)化控制的信號(hào),總管流量信號(hào)是總體流量控制的反饋信號(hào)。

1 電容式煤粉流量計(jì)

高爐噴吹煤粉在管道內(nèi)是氣固兩相流動(dòng)的,當(dāng)氣固兩相的煤粉流過電容測(cè)頭的敏感體積時(shí),引起介電常數(shù)的隨機(jī)變化,從而造成電容量的隨機(jī)變化。通過對(duì)電容探頭檢測(cè)到的流動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行深入分析,發(fā)現(xiàn)流動(dòng)噪聲信號(hào)對(duì)時(shí)間的變化率與被測(cè)兩相流體中離散相的質(zhì)量流量之間有確定關(guān)系[1]。

實(shí)際應(yīng)用中還需考慮以下 2個(gè)問題:①在輸送管道中的煤粉并非均勻分布,且流型變化極其復(fù)雜;普通電容傳感器有其固有的檢測(cè)場(chǎng)靈敏度分布的不均勻性問題,當(dāng)粉煤流型改變時(shí),將導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差。②由于固相濃度的變化而引起的電容量的變化十分微小,若想使電容傳感器具有很高的檢測(cè)分辨率,傳感器必須具有較強(qiáng)的抗雜散電容的能力。

為解決上述問題,采用了帶有對(duì)稱邊保護(hù)極板的 180°螺旋極板式電容傳感器[2],它有如下特點(diǎn):

1)螺旋形狀表面板電容式相濃度傳感器與傳統(tǒng)的直表面極板相比,傳感器性能有明顯的改善。

2)檢測(cè)場(chǎng)靈敏度分布的均勻性有很大程度的提高,輸出線性度好,測(cè)量結(jié)果受流型變化的影響很小,更適于工業(yè)應(yīng)用。

在本系統(tǒng)中使用煤粉流量計(jì)后,操作人員可以根據(jù)檢測(cè)到的流量,很方便地設(shè)定噴煤罐的壓力、補(bǔ)氣量等參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)煤粉計(jì)量的連續(xù)化和提高煤粉計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2 Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線及其技術(shù)特點(diǎn)

Lonworks總線是美國(guó)Echelon公司20世紀(jì)90年代推出的一種具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),有如下技術(shù)特點(diǎn)[3]:

1)Lonworks技術(shù)的基本元件——神經(jīng)元芯片同時(shí)具備了通訊和控制功能,并且固化了ISO/OSI的全部7層通訊協(xié)議,以及34種常見的I/O控制對(duì)象。

2)采用改善了的CSMA(載波偵聽多址訪問)技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí),也不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

3)網(wǎng)絡(luò)通訊采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法,Lonworks技術(shù)稱為網(wǎng)絡(luò)變量,使網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)的設(shè)置。

4)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是任意的,可以是總線形、環(huán)形、星形以及其任何組合。

5)通訊介質(zhì)可以是雙絞線、光纖、同軸電纜、紅外線、電磁波,多種介質(zhì)可以在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中混用。

陳山利艱辛地爬到了幾百米開外，開槍點(diǎn)射，槍聲劃破了天空。后衛(wèi)隊(duì)率先開槍，成了各戰(zhàn)斗分隊(duì)的號(hào)角。一時(shí)間，子彈和氣浪擦著耳朵，在山林中回蕩。

6)通訊的每幀有效字節(jié)可以從 0～228。

7)通訊速度最大可達(dá)2.5 Mbps。

8)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá) 32 000個(gè)。

9)通訊距離可達(dá)2 700m(無屏蔽雙絞線, 78 kbps)。

3 煤粉流量控制系統(tǒng)

煤粉流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是:由二維模糊控制器與PID控制器并聯(lián)構(gòu)成Fuzzy-PID復(fù)合控制[4]。當(dāng)偏差較大時(shí),采用模糊控制,利用其響應(yīng)快、過渡過程時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn);當(dāng)偏差小于設(shè)定的偏差范圍時(shí),由軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PID控制,利用其穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn),這樣就充分發(fā)揮了模糊控制和 PID控制各自的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)煤粉流量的合理控制。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

煤粉流量控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示,上位機(jī)使用工控機(jī),操作人員可通過人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控,I/O情況、網(wǎng)絡(luò)變量等Lon節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息通過Lonworks總線傳給上位機(jī)處理,再根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控狀況在人機(jī)界面上修改模糊控制參數(shù),通過Lonworks總線傳回到神經(jīng)元芯片中,這樣系統(tǒng)運(yùn)行期間可以完成控制參數(shù)的更新;Neuron神經(jīng)元芯片完成Lon節(jié)點(diǎn)任務(wù),經(jīng)單片機(jī)識(shí)別的較大的煤粉流量誤差e以及誤差的變化率ec輸入到Neuron芯片,經(jīng)過模糊化、模糊推理、再清晰化后得到精確控制量再返送回單片機(jī)系統(tǒng),完成大偏差的模糊控制;AT89S51單片機(jī)完成下位機(jī)任務(wù),通過單片機(jī)的 I/O口與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連,完成流量的檢測(cè),還能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制功能,PID控制器的各個(gè)參數(shù)可以通過單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤進(jìn)行獨(dú)立界定,當(dāng)流量偏差較大時(shí)單片機(jī)作為模糊控制的前端控制模塊來為Neuron神經(jīng)元芯片提供輸入信號(hào)。

圖1 煤粉流量控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 Lonworks智能節(jié)點(diǎn)與神經(jīng)元芯片

Echelon公司的神經(jīng)元芯片是一種集3個(gè)8位CPU及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(Lon Talk協(xié)議)為一體的芯片。它內(nèi)含 3個(gè) 8位的流水線 CPU,即媒體訪問控制處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器;芯片內(nèi)部具有11個(gè)通用I/O引腳,根據(jù)實(shí)際需要對(duì) 11個(gè)引腳進(jìn)行編程,可以形成多達(dá) 34種不同類型的I/O功能,包括位輸入/輸出、位移輸入/輸出、字節(jié)輸入/輸出、雙斜率輸入、分頻輸出、邊沿記錄輸出、頻率輸出、I2C輸入 /輸出、紅外線輸入、電平檢測(cè)輸入、磁卡輸入等[5]。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3.3 神經(jīng)元芯片與上位機(jī)的信息交換

神經(jīng)元芯片擁有一個(gè)多功能的通信端口,通過配置5個(gè)引腳(CPO～CP4)可與多種通信介質(zhì)接口(網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器)連接,且可實(shí)現(xiàn)較寬范圍的傳輸速率,從1.2 kb/s到1.25 Mb/s。為滿足高性能、高隔離度、高抗干擾能力的應(yīng)用,我們采用傳輸速率是78 kb/s的FTT-10A自由拓?fù)潆p絞線收發(fā)器將神經(jīng)芯片與物理網(wǎng)絡(luò)連接,將神經(jīng)元芯片的通信端口 CP0、CP1分別與FTT-10A的TXD、RXD相連,收發(fā)器再與變壓器連接,數(shù)據(jù)通過變壓器耦合發(fā)送到傳輸媒介上,完成與上位機(jī)的通信。

3.4 神經(jīng)元芯片與單片機(jī)的信息交換

神經(jīng)元芯片的 I/O對(duì)象中包括可以支持SPI總線的Neurowire對(duì)象,為了節(jié)省硬件,在此系統(tǒng)中使用神經(jīng)元芯片的IO10、IO9、IO8、IO1、IO0分別與單片機(jī)的I/O連接,按SPI總線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元芯片與單片機(jī)之間快速地交換信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)各風(fēng)口噴煤量的連續(xù)監(jiān)測(cè)控制,為控制總噴吹煤粉量和各風(fēng)口的噴吹量提供信號(hào),以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

Neuron芯片具備通信和控制的功能,提供11個(gè)I/O引腳(IO0-IO10),可通過Neuron C語言編程設(shè)定為各種不同功能,允許用戶根據(jù)需要靈活加以配置。按系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,將神經(jīng)元芯片的Neurowire對(duì)象定義為主控模式,完成Neuron芯片與單片機(jī)的主從通信,引腳分配如下:IO10與P1.0連接作為主機(jī)串行數(shù)據(jù)輸入端(MISO);IO9與P1.1連接作為主機(jī)串行數(shù)據(jù)輸出端(MOSI);IO8與單片機(jī)的定時(shí)器中斷口連接為數(shù)據(jù)的輸入和輸出提供同步工作時(shí)鐘;IO1與P1.2連接作為從機(jī)向主機(jī)輸入信息的請(qǐng)求信號(hào);IO0與單片機(jī)的外部中斷口連接,作為主機(jī)向從機(jī)輸出信息的請(qǐng)求信號(hào)。

當(dāng)流量傳感器的采樣信號(hào)傳至單片機(jī),先由AT89S51處理現(xiàn)場(chǎng)任務(wù),然后利用P1.2引腳向Neuron芯片發(fā)出的請(qǐng)求。當(dāng)Neuron芯片檢測(cè)到IO1為低電平時(shí),便通過IO0向單片機(jī)發(fā)出回應(yīng),引起單片機(jī)的外部觸發(fā)中斷,此時(shí)雙方可在同步時(shí)鐘的控制下將流量傳感器采樣到的大的偏差數(shù)據(jù)輸入至Neuron芯片進(jìn)行模糊控制,然后再將輸出的控制數(shù)據(jù)傳回給單片機(jī),完成一次控制過程。Neuron芯片與單片機(jī)數(shù)據(jù)輸入、輸出程序流程圖如圖 3所示[6]。

圖3 Neuron芯片與單片機(jī)數(shù)據(jù)通信程序流程圖

用于實(shí)現(xiàn)查表法模糊控制的程序流程圖如圖4所示。

圖4 模糊控制程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心,一個(gè)模糊控制器的性能優(yōu)劣,主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法以及模糊決策的方法等因素[7]。實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出都是連續(xù)的精確量,因此首先把 E、EC和 U模糊化為一定的模糊量。定義其模糊子集,給定其論域,確定各模糊變量對(duì)應(yīng)論域的隸屬度,然后采用模糊推理合成算法,即可計(jì)算出相應(yīng)的模糊控制量。

4.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

選擇模糊控制器的輸入變量為誤差 e及誤差的變化ec,輸出變量 u為控制量的變化量,相應(yīng)的模糊集為E、EC和U,它是一個(gè)雙輸入單輸出的二維模糊控制器。對(duì)誤差 E、誤差變化EC及控制量U的模糊集及其論域定義如下:

E、EC和U的模糊集均為:{NB,NS,ZO, PS,PB},其中PB、PS、ZO、NS、NB分別對(duì)應(yīng)正大、正小、零、負(fù)小、負(fù)大。

E、EC和U的論域均為:{-6,-5,-4, -3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

4.2 建立模糊控制器仿真模型

這里取被控對(duì)象為:

即取純滯后時(shí)間τ=50 s和對(duì)象時(shí)間常數(shù)TP=130 s,放大倍數(shù)K=5。

在MATLAB的SIMULINK環(huán)境中,建立模糊控制系統(tǒng)仿真模型如圖 5。

圖5 煤粉流量模糊控制系統(tǒng)模型

4.3 煤粉流量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

在MATLAB的命令窗口中輸入指令:flc= readfis('flc.fis'),這樣就在基本工作空間中建立起了模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變量flc,然后在模型窗口點(diǎn)擊仿真開始按鈕。這時(shí)可以利用模擬示波器來觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況如圖 6所示。將整定調(diào)試的PID 3個(gè)參數(shù)kp=0.15、ki= 0.001 1、kd=0.05代入煤粉流量單回路PID控制系統(tǒng)仿真模型中,可得圖 7所示階躍響應(yīng)曲線。

圖6 煤粉流量模糊控制仿真結(jié)果

圖7 煤粉流量普通PID控制仿真結(jié)果

由圖6和圖7可以看出,普通PID控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間為 12 min,用模糊控制器控制后調(diào)節(jié)時(shí)間為 5 min。采用模糊控制器可縮短調(diào)節(jié)時(shí)間,從而提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的煤粉流量控制系統(tǒng),將 Lon works總線技術(shù)與Fuzzy-PID復(fù)合控制技術(shù)相結(jié)合,利用電容式流量計(jì)實(shí)現(xiàn)煤粉流量的實(shí)時(shí)采集檢測(cè),根據(jù)偏差的大小選擇控制方式,小偏差使用PID控制技術(shù)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn),大偏差使用模糊控制技術(shù)用單片機(jī)和Neuron芯片相互配合實(shí)現(xiàn),且可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控狀況在工控機(jī)的人機(jī)界面上修改模糊控制參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)噴吹到高爐風(fēng)口的煤粉流比較穩(wěn)定、各風(fēng)口噴吹的煤量較均勻。

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