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0 引言

商品砼是國家鼓勵發(fā)展的產(chǎn)品之一 ,在環(huán)保和質(zhì)量方面 ,商品砼更能得到有效的控制 ,且商品砼可節(jié)約水泥 10%. 砼攪拌站是生產(chǎn)商品砼的關(guān)鍵設備. 其自動控制系統(tǒng)是把各種物料( 多種規(guī)格的石子、 砂 、 水泥、 粉煤灰 、 添加劑和水) 按照配方進行動態(tài)稱重計量,然后送入攪拌罐攪拌成混凝土. 它由貯料、 配料 、攪拌、放料等子系統(tǒng)組成, 受多個環(huán)節(jié)制約,這種系統(tǒng)具有如下一些特點:

1)被測對象處于非靜止狀態(tài) .

2)是一種在線的自動測量系統(tǒng).

3)在短時間內(nèi)進行快速測量, 要求系統(tǒng)有良好的時間響應特性 .

這種配料系統(tǒng)屬于非線性 、 時變而且不允許超調(diào)的系統(tǒng)[ 1]. 影響系統(tǒng)配料速度和配料精度最重要的是料斗的震動 、 落差和過沖量. 料斗的震動使傳感器得到重量信號并不能準確地反映料斗內(nèi)實際物料重量 . 落差是由于運動中的原料,如從給料器或閥門進入到秤斗行程中的原料流, 還沒有到達秤斗的原料料面. 產(chǎn)生過沖量是由于從電子裝置發(fā)出停止信號到閥門確實關(guān)閉或到螺旋給料器確實停止轉(zhuǎn)動要有一段時間. 由于物料流的不穩(wěn)定以致落差和過沖量的隨機變化, 這給配料精度的控制帶來了較大的困難 . 因此對這些因素的控制顯得尤為重要. 作者采用了 PLC 、 工控機及組態(tài)王相結(jié)合的計算機控制系統(tǒng)對現(xiàn)場一臺混凝土攪拌站進行了改造 . 本文主要針對其動態(tài)配料系統(tǒng)和非線性誤差控制進行探討

1 混凝土配料控制算法分析

按照配料生產(chǎn)控制工藝流程 ,進入配料程序時,系統(tǒng)首先檢測計量稱斗確定是否小于預設值 ,若小于預設值即啟動物料倉送料裝置( 粉料還需經(jīng)進料機構(gòu)輸送) , 物料進入計量稱斗; 計量稱斗的稱重傳感器把所測的動態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)智能單元完成 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入控制器; 控制器依據(jù)所采集的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)實時的與事先設定好的預期配料設定值( 即配合比參數(shù)) 進行對比, 利用算法進行配料控制 , 保證配料誤差; 當達到所設定的重量時,控制器立刻發(fā)出關(guān)閉卸料裝置和進料機構(gòu)的指令 ; 當所有的物料稱量好之后各種料按照設定程序送入攪拌機 ,等待攪拌 . 

其中 ,D( x , t) 表示第 x 種物料進料機構(gòu)開度控制值; t 表示在t 時刻 ,并在0 至 100%連續(xù)可調(diào) ; R( x ,y) 表示第 x 種物料第y 稱配料設定值 ; F( x ,y ,t) 表示稱斗達到穩(wěn)態(tài)時第 x 種物料第y 稱稱斗傳感器反饋值 ; Q( x ,y) 表示第 x 種物料第 y 稱輸出值 ; T( x ,y) 表示第 x 種物料第y 稱配料前皮重值 .對于石料之類固體物料, 當進料機構(gòu)開度較小時,它們有可能被卡住不能進入計量稱斗,這樣的情況下 ,對于 D( x ,t) 連續(xù)可調(diào)沒有很大實際意義 . 我們分D( x ,t) 連續(xù)可調(diào)和不連續(xù)可調(diào)兩種情況討論 .

1)D( x , t)連續(xù)可調(diào)情況 .

則ξ ( x , y)=R( x ,y)－Q( x ,y) ,代表第 x 種物料第 y 稱配料誤差. 當?shù)?x 種物料第 y 稱開始配料時,先測得 T( x , y) ,則E( x , y ,t)=T( x , y)+R( x ,y)-F( x , y ,t) 表示動態(tài)配料誤差 . 顯然 ,ξ ( x ,y)是關(guān)進料機構(gòu)以后計量稱斗穩(wěn)定時 E( x , y , t) 的值.

PID 控制器是一種線性控制器 , 在傳統(tǒng) PID 的控制策略下不易找到最佳控制曲線, 而且很容易產(chǎn)生超調(diào). 典型的離散時間 PID 控制規(guī)則如下:

D c ( k +1)=K p D e ( k)+K d [ D e ( k)-D e ( k －1) ] +K i D i ( k)+D ref ( k)           ( 1)

式中 : D c ( k)為在時間點 k 的開度控制比指令信息 ;D e ( k) 為誤差信號 ,D e ( k)=D ref ( k)-D out ( k) .

D( x , t) 可按不允許有超調(diào)量的增量PID 計算 .

當 E( x , y ,t)>Δ x 時,

U( x ,k)=U( x , k -1) +K p ( E( x , y , k)- E( x ,y ,k -1) )+K i E( x , y , k)+K d ( E( x , y , k)-2E( x ,y ,k -1)+E( x , y ,k -2) )            ( 2)

D( x , k)=D( x ,k - 1) + K p ( E( x ,y ,k) - E( x ,y ,k -1) )+K i E( x , y , k)+K d ( E( x , y , k)-2E( x ,y ,k -1)+E( x , y ,k -2) )          ( 3)

當 E( x , y ,t)≤Δ x 時, D( x , t)=0.

D( x , t)是 0 至 100% 連續(xù)可調(diào)的, 它是通過PLC 模擬塊的一個端口來控制 , 具體 0 ～ 100%調(diào)節(jié)控制是通過 PLC 軟件程序控制具體相關(guān)的電磁閥開關(guān)的開關(guān)度來實現(xiàn)[ 2].

2)不連續(xù)可調(diào)的情況.

對于石料之類固體塊狀物料, 由于D( x ,t) 不是在 0 ～ 100%連續(xù)可調(diào), 我們采用粗 、中、精配料方式( 即有 3個進料門) 分別由 20%、 30%、 50%3個出料開度. 它分別通過 PLC 系統(tǒng)的一個端口控制 , 故共可有 0 、 20%、 30 %、 50%、70%、 80%、 100 %等多種開度組合,從可行性和實用性考慮,我們通常采用下列 4 種組合形式：
 

其中: B i 為經(jīng)驗設定值; L( x ,y)為第 x 種物料第 y稱預期落差 ; M( x ,y) 為第 x 種物料第y 稱進料機構(gòu)時計量稱斗反饋值 .

對于這樣的系統(tǒng), 由于 D( x , t) 不是連續(xù)變化,當物料倉所儲存物料比較滿時, 由于自身重力的影響落料速度顯然比較快, 此時落差就比較大; 反之,則落差比較小. 因此就必須對落差 L( x ,y)進行預測 [ 3] .

據(jù)系統(tǒng)實際有

F( x ,y ,k)－M( x ,y)=L( x , y)+W( x ,y)            ( 6)

其中: W( x ,y)為白噪聲系列.

考慮前面測量值的影響 ,取

L( x , y)=( 1 -η ) L( x , y -1) +η ·[ R( x , y)－M( x , y)+T( x ,y) ]           ( 7)

式中: 0 <η≤1

3 非線性誤差控制分析

在滿足快速配料的情況下 , 由于物料來料流的不穩(wěn)定以及機械慣性所造成的純滯后即存在一個過沖量. 由于過沖量的不確定性,給控制帶來了很大困難 [ 4] . 通常是根據(jù)操作經(jīng)驗給出一個控制提前量 ,但是這種固定不變的控制模式往往不能滿足控制要求 . 為此本次改造設計了一個控制方法,根據(jù)每次實際控制效果來辯識下一次的控制值 . 這樣除了剛開始是認為設定的控制值外, 以后每次稱量均根據(jù)上一次的控制效果加以修正. 由于有了這個控制策略,這些不確定因素可以得到較好的控制 .

3. 1 控制策略

為了達到更準確的精度,在控制策略方面主要是關(guān)門提前量u 的確定 .

改造中對 u 的確定采用迭代自學習的方法[ 5].迭代法是一種逐次逼近的數(shù)學方法 , 易于在計算機上實現(xiàn). 但存在是否收斂和收斂速度快慢的問題. 對于圖 2 而言,在對一種原料下料時 ,要使最終實際測量值 W 等于設定值 W R , 那么關(guān)斷點的選擇 W S =W R -u ,用以下方法進行動態(tài)修正. 首先, 令Ws,k表示第k 批次的關(guān)斷量 ,Wsk 表示第k 批次的實際測量 ,U K 表示第k 批次的提前量. 其中給料過程中料斗內(nèi)的重量是對流量積分獲得的, Wsk是靜態(tài)參數(shù)估計得出的. 關(guān)門提前量 u 的初值為

u =u 0 u 0 ∈ ( 0,W R )      ( 8)

式( 8) 中 ,u 0 在稱水泥時取值 W R 的 2%, 在稱石子 、 沙子時取 5 %. 第一次配料時 , 在秤斗內(nèi)物料的實際重量到達 W R -u 0 時就提前關(guān)門, 空中余料完全落入秤斗后, 得到最終實際配料重量值Ws0 , 利用實際配料值與設定值存在的誤差為

e 0 = Ws0 -W R       ( 9)

可產(chǎn)生新的切換系數(shù)

u 1 =u 0 +qe 0 =u 0 +q(Ws0 -W R )      ( 10)

式( 10)中,q 為加權(quán)學習因子. 則下一次配料過程中, 可按照 u 1 進行提前關(guān)門. 依此類推, 可采用迭代自學習控制算法, 第 k +1 次配料時的控制量為

u k+ 1 =u k +qe k =u k +q(Wsk－W R )    ( 11)

加權(quán)學習因子 q 通常取為0

在迭代訓練過程中, 當 e k <0 時 , 負向迭代, 迭代的結(jié)果是 u k 變小; 而 e k >0 時, 則正向迭代 ,迭代的結(jié)果是 u k 變大.

u k+ 1 =u k +q(Wsk －W R )=u k －q( W R －Wsk )≥u k - u k =0       ( 13)

由式( 13)可知, 負向迭代時, 控制量變小 ,但總是大于零.

當Wsk >W R 時,e k >0,正向迭代,結(jié)果是 e k 變大 ,此時要進行邊界檢查,保證0

每次重復訓練時都滿足初始條件 e k ( 0)=0 當k →∞,即重復訓練次數(shù)足夠多時 , 可實現(xiàn)實際輸出能逼近期望輸出 [ 6] .

這樣, 每次配料時就可以用上次修正后的提前關(guān)門值來提前關(guān)門了. 如此反復訓練 ,可以使關(guān)門提前量不斷優(yōu)化,從而實現(xiàn)關(guān)門后料斗內(nèi)物料重量值逼近給定值.

4 結(jié)論及現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果

用沒有超調(diào)量的 PID 控制算法控制動態(tài)配料,并實時估計落差; 同時用迭代自學習算法控制系統(tǒng)非線性誤差 , 在提高配料速度的同時, 提高配料精度 . 采用這種配料控制算法和誤差控制方法,控制規(guī)律簡單 ,可以有效的減少頻繁的更改提前量,使系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定,避免配料精度大幅震蕩,不但有較好的實時性,而且對于干擾和系統(tǒng)模型的變化具有一定的魯棒性 ,同時可以較好的達到控制精度的要求.

按照上面的算法, 通過改造項目中的混凝土攪拌站自動控制系統(tǒng), 拷其管理數(shù)據(jù)庫的一段數(shù)據(jù).

從中誤差數(shù)據(jù)可以看出 ,骨料配料誤差在2% 以內(nèi), 粉料配料誤差在 1%, 表明用沒有超調(diào)量的 PID 控制算法控制動態(tài)配料 ,同時用迭代自學習算法控制系統(tǒng)非線性誤差, 完全滿足混凝土攪拌站現(xiàn)場配料的精度和速度要求, 生產(chǎn)出的混凝土經(jīng)檢驗都符合要求.

 

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