摘 要： 在水泥生產線配料自動控制系統中，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優于PID控制系統，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；仿真
在水泥生產過程控制系統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、水泥生產現場環境惡劣等原因，皮帶秤計量控制系統具有非線性、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學模型，用傳統的PID控制方法不能很好地解決這些問題。而以語言規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，這種方法的優點是運算簡單方便，而且標定時只需掛碼靜態標定，而非繁瑣復雜的實際大物料(幾噸至幾十噸)動態流量標定。
本文采用調速皮帶秤計量控制方式設定下料周期T，實現了無偏差控制。
2 配料控制系統構成
水泥廠環境惡劣(高粉塵、噪音、高溫、高電磁干擾等)，為實現遠距離控制，選用了牛頓7000系列遠端數據模塊和工業計算機來完成。系統構成如圖2。牛頓7000系列模塊采用RS485方式通訊，系統只需用一條雙絞線即可聯結，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，使系統可靠性高，數據高速I/O成為可能，軟件開發也比較容易[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
配料系統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，出現大量的廢料，造成損失。為保證配料系統的無誤差及良好的動態指標，系統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則。
由于被控對象只能接收一個精確的數字控制量，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。本系統中模糊判決方式采用加權平均法[4]：
4 配料模糊控制系統仿真
利用Matlab中的fuzzy工具箱和Simulink工具箱對該配料模糊控制系統進行仿真研究，配料模糊控制仿真模型如圖4。圖中信號發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(式2)的d值，考慮到下料量波動的隨機性，為得到良好的穩態和動態指標，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，也驗證系統超調量小、魯棒性強的特點[5]。
針對水泥生產線中配料系統，提出一種準靜態計量方式，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在數家中、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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[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社，1999.
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