0 引 言

在冶金 、 玻璃、 水泥 、 陶瓷、 化工等部门的生产过程中 , 原料配料环节是生产的关键工序 , 其配料精度直接影响到产品的质量 、 能耗 、 成本等各项技术经济指标 .近年来 , 在配料系统中采用失重秤逐渐盛行, 主要是因为该方式较之皮带秤 、 定量斗式秤等传统的配料方式 , 具有计量准确、 维护简便等优点 .但是失重秤的配料过程分喂料和卸料两个阶段 , 控制复杂, 另一方面 , 配料效果受到物料品质的不确定性、 喂料设备与料斗之间高度落差变化所引起的空间物料的不确定性、 执行装置的非线性与惯性和老化所引起的动作特性的变化等影响 , 采用传统的基于固定数字模型的控制算法, 难以实现精度、 速度的最佳结合.本文在研究失重秤工作原理的基础上, 提出了基于模糊控制的失重秤配料过程控制策略 .应用表明该控制策略简单、 实用 , 有效提高了配料精度和速度.

1 失重秤的工作原理

主要由计量斗 、喂料电磁振动给料机 、 卸料电磁振动给料机、 悬吊装置以及称重传感器等组成 .该秤的配料过程分为喂料和卸料两个阶段 , 配料开始后 , 首先启动喂料电磁振动给料机, 向计量斗喂料 , 同时, 控制器对料斗物料重量进行检测, 当喂料量达到配料设定的上限值时,停止喂料.在卸料阶段, 控制器启动卸料电磁振动给料机, 将计量斗中的物料卸到下一级输料设备送走.卸料时 , 控制器实时检测卸料量, 当卸料量等于或接近理想下料目标值后 , 停止卸料[ 1] .

2 失重秤配料过程的模糊控制策略

由失重秤的工作原理可知 , 无论是在喂料还是在卸料阶段, 秤的配料精度控制是至关重要的.一个秤的配料精度主要由称量精度和配料速度来决定的, 这 2个参量是两个相互矛盾的控制量, 要提高称量精度, 希望秤体越稳定越好, 即喂料 (或卸料 )速度越慢越好, 但势必增加配料时间 , 效率低;反之, 如果喂料 (或卸料 )速度过快 , 秤体振动大 , 精度又难以保证 , 这就需要所设计的控制算法,能够根据配料过程状态的变化 , 实时调整配料速度 , 使配料精度达到要求 .另一方面, 由于物料品质的不确定性 、执行装置的非线性与惯性和老化所引起的动作特性变化的影响, 采用传统的基于固定数字模型的控制算法, 难以使失重秤的配料精度达到要求[ 1] .
为此, 本文设计了模糊控制算法, 能够在线实时评判失重秤的配料状态, 自动调整给料机的给料速度 .执行机构为电磁振动给料机 ;为了实现自动调整给料机的给料速度,驱动装置采用移相触发 -可控硅半波整流电路 , 整个电路由给料速度控制电路、 移相、 脉冲形成及同步 、 脉冲输出、 电源等部分组成, 其中 , 速度 控制 电路 由继 电 器 1K,2K, 3K 等 组 成, 并 由 PLC控制[ 8 -10] .

 所示的模糊控制模型的输入量分别为重量偏差 E和偏差变化率EC, 输出量为电磁振动给料机的给料速度 .给料速度划分为 7挡, 其调整方案是:在配料过程中 , 实际称料量与设定值的偏差大于 90%时, 电磁振动给料机按最大速度给料 , 以保证配料速度 .当实际称料量与设定值 的偏差小于 90%时, 系统转入模糊控制模型, 根据重量偏差 E和偏差变化率 EC的值, 通过模糊推理 , 按6个挡位自动选择与调整给料机的给料速度 , 保证配料控制精度.为了提高控制实时性 , 减少 PLC运算量和程序的占有量 , 模糊推理采用查表法[ 4] .

2.1 输入、 输出量的模糊化处理

本系统只在偏差小于 90%时 ,采用模糊控制 , 因此仅对偏差小于90%后的称量偏差 E、 偏差变化率EC和控制输出量 N进行量化 .量化的离散论域均定为 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6等 7挡 .输入、 输出量离散化后, 每一档对应一个模糊子集 , 再进行模糊处理 .本项目将 7档模糊子集[ 6]定义为 :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 模糊决策规则与推理

为了实现模糊推理, 我们通过对实践经验总结 , 得到如表 2所示的模糊规则库, 共 49条模糊规则 .其基本形式为[ 6]

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

模糊推理是在已知输入量模糊集合 E, EC和控制规则的基础上, 推导出输出量 N的模糊集合 N,其运算过程如下 .首先求出模糊关系 R的隶属度函数:

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的隶属度函数:

μN(z)= ∨

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

2.3 模糊量转换为精确量

通过模糊推理所得到的是模糊量 , 而实际控制需要的是精确量 , 因此需要将模糊量转换为精确量 .本文采用最大隶属度法将模糊量转换为精确量[ 5], 该方法为 :选择输出模糊集 N中隶属度最大的那个元素作为精确量输出, 即 Z′应满足:μN(Z′)≥ μN(Z), (4)式 (4)中, N为模糊集;Z为精确量.当输出量的隶属度函数只有 1个峰值时, 则取该峰值对应元素的平均值作为精确量.求出 Z′后再由公式 (5)得 PLC的实际输出控制量 Nk, 得到表 3.实际运行时 , 将表 3的内容以数据块的形式存入 FX2NPLC工作存储区内 , 在已知 Ei和 ECi的情况下 , 通过查询该表得到 Nk, 再通过 PLC节点输出.又有 :Nk =kZ, (5)式 (5)中, k为比例系数 .

3 应用实例与效果

上述的基于模糊控制的失重秤配料过程控制策略, 已应用于 WJPL微机配料控制系统[ 7] .该系统实现了 8台以上失重秤的控制, 已在陶瓷 、 玻璃、 水泥 、 黄磷等生产企业推广应用, 创造了显著的经济效益 .如某玻璃生产有限公司使用该系统后 , 使原料配料误差小于 0.5‰, 每班配料的合格率由原来的 86.6%提高到 99.2%, 配料量由 14 t/h提高到 18 t/h, 1a创造经济效益达 3 000多万元 

4 结 论

玻璃、 水泥 、 黄磷和陶瓷等生产企业的生产过程是连续作业过程 , 原材料的配比对产品质量影响显著, 为了在保证产品质量的前提下 , 尽量提高生产效率, 采用科学合理先进的配料工序, 就显得尤为重要 .对于以失重秤为核心装置的配料系统 , 采用以物料重量偏差和偏差变化率为输入量, 电磁振动给料机的给料速度为输出量 , 综合考虑称量精度和配料速度, 采用模糊决策, 根据配料状态的变化 , 实时调整配料速度, 能够使配料精度和配料速度均达到生产要求 , 有效提高配料精度和配料速度 , 使企业获得良好技术经济效益.

本文源于网络转载，如有侵权，请联系删除