基于迭代學(xué)習(xí)控制的投料機(jī)稱重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉博 劉曉 李明 段英杰

摘要：由于現(xiàn)有瀝青拌和站投料設(shè)備的稱重控制系統(tǒng)加料精度不穩(wěn)定，故無法適應(yīng)不同類型的物料。利用OPC實(shí)現(xiàn)Matlab與PLC之間的通訊，突破了PLC編程語言的限制，將迭代學(xué)習(xí)控制算法應(yīng)用在PLC中，采用PI型學(xué)習(xí)控制律，分析了不同增益參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：將迭代學(xué)習(xí)控制算法應(yīng)用在稱重控制系統(tǒng)中，能明顯降低投料誤差，改善其魯棒性。

關(guān)鍵詞：投料機(jī)；OPC；稱重控制系統(tǒng)；迭代學(xué)習(xí)控制

中圖分類號：U415.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1000033X（2016）06010103

0引言

中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通量日趨增長，如何對瀝青路面進(jìn)行高效率、低成本的維護(hù)成為了亟需解決的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車轍是當(dāng)前瀝青路面結(jié)構(gòu)最主要的破壞形式之一[12]。因此，在瀝青混合料生產(chǎn)過程中，越來越多的施工單位使用抗車轍劑提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[34]。

現(xiàn)有的瀝青拌和站沒有添加抗車轍劑的功能，多使用配套的自動化投料設(shè)備。抗車轍劑多為顆粒狀，投料設(shè)備大多采用氣力輸送系統(tǒng)輸送物料。這種設(shè)備通常利用電子稱、可編程控制器（PLC）、變頻器及螺旋輸送機(jī)組成的稱重控制系統(tǒng)進(jìn)行抗車轍劑的定量投放，具有投放速度快、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[5]。

筆者所在單位自主研發(fā)的智能投料機(jī)已成功應(yīng)用在吉河高速建設(shè)項(xiàng)目。然而，在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，這種稱重控制系統(tǒng)的精度受很多因素的影響，比如物料顆粒尺寸、設(shè)備機(jī)械機(jī)構(gòu)、PLC控制程序等。如果稱重控制系統(tǒng)存在較大誤差，對施工質(zhì)量將造成巨大影響。當(dāng)抗車轍劑添加不足時(shí)，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有較大影響；當(dāng)添加過多時(shí)，會稀釋瀝青，無法正常攤鋪。

試驗(yàn)研究表明，螺旋輸送機(jī)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性與物料顆粒尺寸有直接關(guān)系。螺旋出料口與計(jì)量倉之間有高度落差，即螺旋關(guān)閉時(shí)仍有一部分物料沒有進(jìn)入計(jì)量倉內(nèi)，若關(guān)閉時(shí)機(jī)不當(dāng)，則會造成較大的加料誤差[6]；雖然可以通過在加料過程后期降低螺旋轉(zhuǎn)速、調(diào)整螺旋并關(guān)閉提前量來降低誤差，但是每次加料時(shí)間間隔短（小于1 min），且氣力輸送過程時(shí)間長，稱重過程時(shí)間就很短，因此采用上述方法很難獲得很好的效果。

為了解決以上問題，需要一種有自適應(yīng)性的控制算法來控制螺旋的轉(zhuǎn)速和螺旋關(guān)閉的時(shí)機(jī)。由于PLC受編程語言限制，無法實(shí)現(xiàn)高級的復(fù)雜算法。本文結(jié)合Matlab強(qiáng)大的算法，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)PLC與Matlab的實(shí)時(shí)通訊，將復(fù)雜的控制算法應(yīng)用在PLC上。

1Matlab與PLC的數(shù)據(jù)通訊

OPC（OLE for Process Control）由世界上領(lǐng)先的自動化公司和軟硬件供應(yīng)商合作開發(fā)，以微軟的COM 和DCOM 技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了一套與制造商無關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，解決了不同應(yīng)用程序和控制器之間的數(shù)據(jù)交換問題。整個(gè)OPC通訊流程如圖1所示。

利用西門子公司的Simatic Net軟件將PLC建立為OPC服務(wù)器，支持OPC Data Access（DA）30，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC客戶端通信。用戶可通過該軟件監(jiān)控PLC的定義屬性、通信協(xié)議，創(chuàng)建客戶端訪問的數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item）及數(shù)據(jù)地址等。Matlab通過OPC Toolbox（OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問軟件）連接任何OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器。此時(shí)，將Matlab作為客戶端訪問OPC服務(wù)器，通過添加PLC中對應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。同時(shí)，本系統(tǒng)需要獲取變頻器的頻率、稱重傳感器讀數(shù)、繼電器狀態(tài)等信息，可通過Matlab中相關(guān)語言命令在算法中調(diào)用相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的運(yùn)算讀寫。

2稱重系統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)控制

2.1現(xiàn)有稱重控制系統(tǒng)特性

投料機(jī)稱重控制系統(tǒng)的核心部分為螺旋輸送機(jī)以及電氣控制系統(tǒng)。稱重過程分為粗加料和精加料2個(gè)階段，即在初始階段螺旋輸送機(jī)以較快速度加入粗加料，當(dāng)計(jì)量倉內(nèi)物料重量快達(dá)到投料設(shè)定值時(shí)，降低螺旋轉(zhuǎn)速，進(jìn)入精加料階段。在螺旋關(guān)閉之前，始終有一部分物料未進(jìn)入計(jì)量倉內(nèi)，需要有一個(gè)提前量。這個(gè)提前量需要設(shè)備操作人員進(jìn)行設(shè)定，由于受各種因素的影響，提前量不是固定不變的，精加料階段也是為了減小提前量設(shè)置不當(dāng)帶來的誤差。 如果加料誤差波動較大將無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

螺旋輸送量是衡量螺旋輸送機(jī)生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)。其對應(yīng)的輸送速度與加料精度密切相關(guān)。螺旋輸送機(jī)的輸送量可按照以下公式計(jì)算

根據(jù)式（1）可以看出，在輸送物料類型改變時(shí)，φ、λ也會相應(yīng)改變；在稱重控制系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，加料誤差會發(fā)生變化，甚至?xí)^誤差允許范圍。

因此，需要采用具有自適應(yīng)功能的控制算法，通過調(diào)整變頻器頻率和提前量，使誤差在允許范圍之內(nèi)，無需操作人員反復(fù)調(diào)整參數(shù)。稱重控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2迭代學(xué)習(xí)控制算法概述

迭代學(xué)習(xí)控制適用于有限時(shí)間區(qū)間上運(yùn)行過程具有重復(fù)性的被控對象[7]。與其他控制算法相比，迭代學(xué)習(xí)控制利用信息充分、收斂速度快，無需知道被控系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型，計(jì)算過程并不復(fù)雜，適用于要求高的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)[89]。

迭代學(xué)習(xí)控制算法經(jīng)過20多年的發(fā)展不斷成熟，目前被廣泛應(yīng)用到各類控制系統(tǒng)中。其中PID型迭代學(xué)習(xí)控制算法的收斂條件簡單，一般只與系統(tǒng)的某些部分相關(guān)。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證迭代學(xué)習(xí)控制算法的有效性，在研發(fā)出的智能投料機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。迭代學(xué)習(xí)控制算法中比例增益對系統(tǒng)的收斂速度以及穩(wěn)態(tài)誤差有較大影響。為了分析不同學(xué)習(xí)增益下系統(tǒng)的運(yùn)行效果，分別選取L=0.1、0.5、0.9三種情況進(jìn)行試驗(yàn)，通過調(diào)整迭代學(xué)習(xí)控制算法的學(xué)習(xí)律。取M=16 kg，T=10 s。為了確保投料誤差為正值，在第1次投料時(shí)，將螺旋關(guān)閉，提前量設(shè)為0。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，由于第1次加料螺旋關(guān)閉提前量設(shè)為0，使得初始誤差較大。但經(jīng)過多次迭代學(xué)習(xí)之后，加料誤差可以迅速降低，且隨著L的增大，系統(tǒng)收斂速度增快。當(dāng)L=0.9時(shí)，系統(tǒng)在加料5次之后加料誤差穩(wěn)定。

同時(shí)，由于學(xué)習(xí)控制律中引入了積分環(huán)節(jié)，通過調(diào)整其參數(shù)，可以進(jìn)一步將系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差降低至小于005 kg。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的魯棒性，在加料誤差穩(wěn)定之后改變物料類型，同時(shí)取M=12 kg。從圖4中看出，在改變物料類型之后，誤差會變大，但隨著迭代學(xué)習(xí)的進(jìn)行，加料誤差迅速減小，在10次之后達(dá)到穩(wěn)定。稱重控制系統(tǒng)采用迭代學(xué)習(xí)控制算法之后，具有較好的魯棒性。

4結(jié)語

通過OPC建立Matlab與PLC之間的通訊，將迭代學(xué)習(xí)控制算法應(yīng)用于螺旋加料機(jī)的稱重控制系統(tǒng)中，通過試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論。

（1）通過OPC建立Matlab與PLC之間的通訊，同時(shí)具有良好的實(shí)時(shí)性，可以將復(fù)雜的算法應(yīng)用在PLC上，實(shí)現(xiàn)過程簡單。

（2）采用PI型迭代學(xué)習(xí)控制律，通過調(diào)整適合的參數(shù)，在保證系統(tǒng)收斂速度的情況下，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差趨于0。

（3）由于迭代學(xué)習(xí)控制算法不依賴系統(tǒng)的具體模型，因此，當(dāng)外部條件改變時(shí)，稱重控制系統(tǒng)依然能夠根據(jù)誤差快速調(diào)整系統(tǒng)輸入，使系統(tǒng)誤差快速降低到可接受的范圍內(nèi)，具有良好的魯棒性。

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