摘  要： 在水泥生產線配料自動控制系統(tǒng)中，引入模糊控制策略，構建二維模糊控制器，以下料量偏差e的積分和偏差變化率作為輸入量，以給定值作為輸出量，對下料量進行無偏差控制。經過MATLAB仿真并應用于實際工程項目中，表明模糊配料控制系統(tǒng)優(yōu)于PID控制系統(tǒng)，對水泥生產的質量提供了可靠保證，具有明顯的經濟效益。
關鍵詞： 水泥生產線；模糊控制；配料系統(tǒng)；仿真

    在水泥生產過程控制系統(tǒng)中大量采用電子皮帶秤來計量和控制物料下料量。由于物料成分及形狀多種多樣、水泥生產現(xiàn)場環(huán)境惡劣等原因，皮帶秤計量控制系統(tǒng)具有非線性、慣性、滯后性和隨機性等缺點，在實際控制應用中，很難建立其精確的數(shù)學模型，用傳統(tǒng)的PID控制方法不能很好地解決這些問題。而以語言規(guī)則模型為基礎的模糊控制理論卻是解決上述問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(tǒng)進行整體控制，在此基礎上，引入模糊控制策略對各種配比成分進行控制，實踐證明控制效果非常理想。對水泥生產的質量提供了可靠保證，具有明顯的經濟效益。
1 物料計量和控制方法
    確保水泥質量的關鍵是物料嚴格按配比配料，而各物料的配比量來自皮帶秤的稱料量，皮帶秤的計量是否準確就成了影響水泥質量的關鍵因素。
    常見的計量方式為流量計算，即對稱重傳感器信號和皮帶運行速度的乘積進行積分[1]，這種方式計算工作量大、流量控制復雜、穩(wěn)定性差，并且皮帶秤的標定很麻煩，需要大物料的實物標定，且誤差大。
    在反復試驗研究基礎上，采用了一種準靜態(tài)直接稱重法，工作原理如圖1所示。設A點為下料點，B點為出料點，從A點到B點的運行時間為皮帶的周期T(一般10 s左右，為已知量并且預先設置)，物料流量的積分時間為T，傳感器信號直接對應每一秤物料的重量，這種方法的優(yōu)點是運算簡單方便，而且標定時只需掛碼靜態(tài)標定，而非繁瑣復雜的實際大物料(幾噸至幾十噸)動態(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，實現(xiàn)了無偏差控制。
2 配料控制系統(tǒng)構成
    水泥廠環(huán)境惡劣(高粉塵、噪音、高溫、高電磁干擾等)，為實現(xiàn)遠距離控制，選用了牛頓7000系列遠端數(shù)據(jù)模塊和工業(yè)計算機來完成。系統(tǒng)構成如圖2。牛頓7000系列模塊采用RS485方式通訊，系統(tǒng)只需用一條雙絞線即可聯(lián)結，其具有的高通信速率、高采樣分辨率、智能化、光電隔離、強抗干擾和雙看門狗設計，使系統(tǒng)可靠性高，數(shù)據(jù)高速I/O成為可能，軟件開發(fā)也比較容易[2]。而且主機使用RS232通訊口與網絡連接，基本上任何一臺有RS232的計算機都可使用此網絡，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(tǒng)
    配料系統(tǒng)在無誤差控制過程中，如果偏差沒有糾正(補償)，將導致配比失衡，出現(xiàn)大量的廢料，造成損失。為保證配料系統(tǒng)的無誤差及良好的動態(tài)指標，系統(tǒng)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，其相應的語言變量為Ei、Ed、U，在專家知識和手動操作經驗基礎上建立模糊控制規(guī)則(如表1)存放于知識庫中，在模糊推理時為推理機提供控制規(guī)則。

    由于被控對象只能接收一個精確的數(shù)字控制量，無法接收模糊控制量，必須經過清晰化(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，再經過D/A轉換輸出下料控制器。本系統(tǒng)中模糊判決方式采用加權平均法[4]：
 
4 配料模糊控制系統(tǒng)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(tǒng)進行仿真研究，配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號發(fā)生器模擬產生下料偏差，本例中模擬產生正弦波動的誤差。

    調整模糊論域中每個元素的隸屬函數(shù)(式2)的d值，考慮到下料量波動的隨機性，為得到良好的穩(wěn)態(tài)和動態(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(guī)則，利用Matlab/Toolboxs/Fuzzylogic/FIS計算出控制量查詢表，控制量查詢三維圖如圖5所示，系統(tǒng)模糊集變量圖如圖6所示。經過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，如圖7。從仿真結果可以看出：采用模糊控制方式，系統(tǒng)能快速補償上一控制周期所產生的偏差。經過實際應用，也驗證系統(tǒng)超調量小、魯棒性強的特點[5]。

    針對水泥生產線中配料系統(tǒng)，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線自動配料控制系統(tǒng)在數(shù)家中、小水泥廠生料、熟料生產線上投運以來，大大提高了水泥生產質量，增加了產量，降低能耗，同時還減輕了工人勞動強度，提高了水泥生產的自動化水平和生產管理水平。系統(tǒng)具有明顯的經濟效益和社會效益，以及較高的推廣應用價值。
參考文獻
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[3] 陳佩江.串行通訊在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2002，7(2).
[4] 曹承志.微型計算機控制新技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001：193-230.
[5] 石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清華大學出版社，2008.