基于模糊控制的炮泥配料系統(tǒng)優(yōu)化研究

趙燕青， 尉濤濤， 李夢(mèng)佳， 劉繼智， 汪 康

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng)110168； 2.博眾精工科技股份有限公司 研發(fā)中心事業(yè)部， 江蘇 蘇州215200；3.珠海泰坦新動(dòng)力電子有限公司 研發(fā)中心機(jī)械部， 廣東 珠海519000）

0 引言

隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速持續(xù)發(fā)展， 作為用來(lái)封堵出鐵口的耐火材料的炮泥， 其需求量也是與日俱增。 一般來(lái)說(shuō)， 在一次炮泥配料的過(guò)程中往往需要料車(chē)按照工藝配方要求進(jìn)行大約數(shù)十次的有序運(yùn)動(dòng)。 在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，料車(chē)運(yùn)行的速度控制方面往往采用H-M-L（高速-中速-低速）模式或者H-L（高速-低速）模式，但無(wú)論采用兩種模式的哪一種，都會(huì)出現(xiàn)速度快速變化的現(xiàn)象，由此將會(huì)使料車(chē)在運(yùn)行中產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊， 而影響料車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)配料系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 同時(shí)，為了使料車(chē)的運(yùn)行的沖擊不會(huì)過(guò)于嚴(yán)重， 在進(jìn)行料車(chē)的運(yùn)行頻率選擇時(shí)，往往不會(huì)使相鄰頻率水平之間差值過(guò)大，并且最高頻率的選擇也不會(huì)過(guò)大，因此，由于最高頻率選擇的受限，料車(chē)的運(yùn)行速度將會(huì)受到一定的限制，進(jìn)而影響配料系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

目前對(duì)配料系統(tǒng)方面的優(yōu)化研究， 主要集中在稱重系統(tǒng)及料車(chē)行走路徑方面，如文獻(xiàn)[1][2]所研究的一樣，比如利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改善料車(chē)動(dòng)態(tài)稱重性能， 利用粒子群算法、遺傳算法等智能算法優(yōu)化配料車(chē)行走路徑等，而對(duì)于料車(chē)的運(yùn)行速度及平穩(wěn)性方面的研究卻非常的少，但這兩方面的因素對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行效率以及設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性的影響也是非常明顯的。

綜上所述，本研究將結(jié)合配料系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況，考慮當(dāng)前的相關(guān)研究背景， 對(duì)配料車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性與運(yùn)行效率（速度）進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 系統(tǒng)分析與建模

1.1 炮泥配料控制系統(tǒng)介紹與分析

炮泥配料控制系統(tǒng)的工藝控制過(guò)程主要包含： 上層儲(chǔ)料罐的下料裝置控制、中層料車(chē)接料行邏輯控制、下層的渡料斗與料物混碾機(jī)控制等部分， 大致情況如圖1 所示的運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面圖所示。在此配料系統(tǒng)中，由于借料與下料的時(shí)間基本上均由原材料的性質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)硬件裝置所決定的， 混碾機(jī)的攪拌時(shí)間是由炮泥配方工藝所決定的， 而實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中料車(chē)運(yùn)行軌道長(zhǎng)達(dá)50～70m，并且設(shè)計(jì)人員對(duì)料車(chē)的運(yùn)行過(guò)程的設(shè)計(jì)規(guī)劃空間較大，因此，可對(duì)料車(chē)的接料運(yùn)行控制進(jìn)行優(yōu)化，以提高配料控制系統(tǒng)的整體效率。

圖1 運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面圖Fig.1 Diagram of operation system monitoring screen

在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 設(shè)計(jì)人員一般采用圖2（a）所示的H-M-L（高速-中速-低速）頻率變化模式，根據(jù)料車(chē)與目標(biāo)位置的距離S 來(lái)選用不同的頻率輸出值， 在此模式中，料車(chē)運(yùn)行的速度和運(yùn)行平穩(wěn)性較為一般，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的觀察， 料車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的頻率值變化處會(huì)存在明顯的沖擊。 有時(shí)，為了追求更高的運(yùn)行效率，也會(huì)采用圖2（b）所示的H-L （高速-低速）頻率變化模式，但是由于此模式下僅有兩個(gè)頻率變化節(jié)點(diǎn)， 并且在每一節(jié)點(diǎn)處的變化梯度增大， 料車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性將會(huì)變得更差。

圖2 兩種模式下的頻率變化趨勢(shì)圖Fig.2 Diagram of frequency change trend in two modes

1.2 系統(tǒng)模型的搭建與分析

根據(jù)系統(tǒng)的介紹與分析， 綜合考慮料車(chē)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況， 將料車(chē)的運(yùn)行過(guò)程作為一個(gè)獨(dú)立的部分進(jìn)行分析，可知：運(yùn)行系統(tǒng)根據(jù)激光測(cè)距傳感器所測(cè)得的料車(chē)實(shí)時(shí)位置與所給定的料車(chē)目標(biāo)位置的差值，利用S7-300 PLC 進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的電信號(hào)傳送給變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)的速度， 在經(jīng)過(guò)行星減速器與鏈傳動(dòng)后轉(zhuǎn)換為料車(chē)的運(yùn)動(dòng)， 由此可得出如圖4 所示的運(yùn)行系統(tǒng)控制模型。

圖3 料車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)控制模型Fig.3 Control model of feeder operation system

在運(yùn)行系統(tǒng)的控制模型中， 異步電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速值為：

由此，結(jié)合運(yùn)行系統(tǒng)的控制模型，可得料車(chē)運(yùn)行速度ν 與頻率f 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中：f—電機(jī)輸入頻率；P—電機(jī)極對(duì)數(shù)；S—轉(zhuǎn)差率；n1—電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；n0—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；d—料車(chē)輪轂直徑；K1—行星減速器減速比；K2—鏈輪減速比。

其中的部分參數(shù)選定值如表1 所示。

根據(jù)已知條件確定料車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)的控制仿真模型，如圖4 所示。

表1 控制模型部分參數(shù)表Tab.1 Parameter table of control model

圖4 料車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of feeder running system

1.3 影響因素與優(yōu)化策略分析

由于運(yùn)行系統(tǒng)分析可知， 料車(chē)的運(yùn)行速度v 直接影響料車(chē)的高效平穩(wěn)運(yùn)行，根據(jù)上述式（2）的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，頻率值f 對(duì)應(yīng)運(yùn)行速度v。 在圖5 所示的料車(chē)接料倉(cāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，結(jié)構(gòu)框架與料車(chē)為一體，接料倉(cāng)通過(guò)三個(gè)承載能力均為500kg 的重力傳感器懸掛于料車(chē)上， 在下方出料口處的料車(chē)運(yùn)動(dòng)方向上各有一對(duì)擋板， 以減少速度變化時(shí)接料倉(cāng)的擺動(dòng)幅度。 同等情況下，料倉(cāng)所接料的重量越大慣性也會(huì)越大， 從而料倉(cāng)在速度變化時(shí)的擺動(dòng)沖擊也會(huì)變大，過(guò)大的沖擊將會(huì)對(duì)平穩(wěn)性產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)于小車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性來(lái)說(shuō)，料車(chē)的實(shí)時(shí)接料重量也是重要影響因素之一。

由于料車(chē)在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境較為復(fù)雜，除料車(chē)的運(yùn)行速度與實(shí)時(shí)接料量主要影響因素以外，也會(huì)有較多的外部影響因素，并且運(yùn)行速度v與實(shí)時(shí)接料量m 對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率與平穩(wěn)性的影響及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以精準(zhǔn)的描述。因此，利用“模糊”來(lái)進(jìn)行描述整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及效率與平穩(wěn)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 將會(huì)更為客觀準(zhǔn)確的呈現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況。

圖5 料車(chē)接料倉(cāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structural diagram of the material receiving bin

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)與運(yùn)用

2.1 模糊變量及其隸屬函數(shù)

根據(jù)運(yùn)行系統(tǒng)中料車(chē)高效平穩(wěn)運(yùn)行的主要影響因素，模糊控制器將采用兩輸入一輸出變量，輸入變量為料車(chē)實(shí)時(shí)位置與料車(chē)目標(biāo)位置的差值s、料車(chē)實(shí)時(shí)的已接原材料的重量m，輸出變量為變頻器的頻率輸出值f[3-6]。

輸入變量位置差值s 的模糊語(yǔ)言變量為S，物理論域選取為[0，4000]，模糊論域選取與物理論域相同，劃分為7 個(gè)模糊子集：very near（非常近）、near（近）、medium near（中等近）、medium（中等）、medium far（中等遠(yuǎn)）、far（遠(yuǎn)）、very far（非常遠(yuǎn)），以此來(lái)涵蓋模糊論域。模糊論域的劃分根據(jù)實(shí)際料車(chē)運(yùn)行的位置差來(lái)確定.

輸入變量已接原材料的重量m 模糊語(yǔ)言變量為M，物理論域選取為[0，2000]，模糊論域同物理論域，劃分為5 個(gè)模糊子集：very light （很輕）、light （輕）、medium （中等）、heavy（重）、very heavy（很重）。

輸出變量頻率值f 的模糊語(yǔ)言變量為F，物理論域選取為[0，50]，模糊論域同物理論域，劃分為10 個(gè)模糊子集：f1 至f10，代表著頻率值有非常低至非常高。

輸入輸出變量的隸屬函數(shù)如圖6 所示。

圖6 輸入輸出變量的隸屬函數(shù)圖Fig.6 Membership function graph of input and output variables

2.2 模糊控制規(guī)則

配料控制系統(tǒng)的優(yōu)化策略以提高料車(chē)的運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行速度為主。在料車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，料車(chē)的運(yùn)行速度是根據(jù)位置差值s 的變化而確定頻率值f 所決定的，而料車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性不僅與料車(chē)運(yùn)行速度及其變化有關(guān)還與料車(chē)已接原材料的實(shí)時(shí)重量m 有關(guān)，在設(shè)計(jì)模糊規(guī)則時(shí)，將根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況與以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)s、m 與f 之間控制規(guī)則。

實(shí)際生產(chǎn)中由料車(chē)運(yùn)行速度引起的沖擊往往是由料車(chē)在較短時(shí)間或距離內(nèi)速度急劇變化引起的， 因此在一定的速度下必須預(yù)留出合理的緩沖距離。當(dāng)料車(chē)行駛于very far 區(qū)時(shí)，料車(chē)需要獲得f10 區(qū)的頻率值以擁有最高的速度來(lái)提高運(yùn)行效率；當(dāng)料車(chē)行駛于far 區(qū)時(shí)，料車(chē)開(kāi)始進(jìn)入速度緩沖距離區(qū)，獲得頻率值開(kāi)始從f10區(qū)進(jìn)入f9 區(qū)，并隨著料車(chē)距離目標(biāo)位置越來(lái)越小，頻率值開(kāi)始慢慢的向f1 區(qū)遞進(jìn)。由于料車(chē)運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性亦與實(shí)時(shí)重量m 有關(guān)，并且實(shí)時(shí)重量m 越大料車(chē)擁有的慣性也就越大， 因此需要適當(dāng)?shù)慕档瞳@得的頻率值，根據(jù)這一原則并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況與往期調(diào)試經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，所設(shè)計(jì)模糊規(guī)則下的系統(tǒng)輸入輸出過(guò)程曲面圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)輸入輸出過(guò)程曲面圖Fig.7 Diagram of System input and output process surface

在原控制系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)之上，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，加入所設(shè)計(jì)的模糊控制器， 建立優(yōu)化后的仿真控制模型如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的料車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型Fig.8 Simulation model of optimized cart operation system

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 運(yùn)行效率優(yōu)化分析

利用優(yōu)化后的系統(tǒng)仿真控制模型與原系統(tǒng)仿真控制模型的結(jié)合可得出便于分析的仿真結(jié)果。如圖9 所示的仿真結(jié)果中，A（After）代表優(yōu)化后的系統(tǒng)仿真控制模型在不同目標(biāo)位置下的料車(chē)位移曲線，而B(niǎo)（Before）則代表優(yōu)化前的相對(duì)部分，根據(jù)圖中曲線分析可知，同等情況下，隨著目標(biāo)位置距離越來(lái)越大，系統(tǒng)優(yōu)化后料車(chē)運(yùn)行到目標(biāo)位置所花費(fèi)的時(shí)間與優(yōu)化前之差越來(lái)越大，效率優(yōu)化效果也就愈加的明顯。

圖9 料車(chē)優(yōu)化前后運(yùn)行曲線圖Fig.9 Operation curve before and after optimization of the cart

圖10 料車(chē)運(yùn)行時(shí)間折線圖Fig.10 Line chart of cart running time

3.2 平穩(wěn)性優(yōu)化分析

為了較為合理評(píng)價(jià)平穩(wěn)性優(yōu)化情況， 可對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化前后的平穩(wěn)性及優(yōu)化后不同情況下的平穩(wěn)性進(jìn)行分析，而平穩(wěn)性的優(yōu)化效果可從速度變化趨勢(shì)圖及不同承載重量下料車(chē)加速度變化趨勢(shì)兩個(gè)方面的分析中得出。

在圖11 所示的料車(chē)運(yùn)行速度變化圖中，同一目標(biāo)位置情況下， 將900、1400、1900kg 代表的不同接料量下的速度變化與H-M-L 速度模式下相對(duì)比，可知，優(yōu)化后的系統(tǒng)避免了速度短時(shí)間內(nèi)大幅度變化的發(fā)生，其變化幅度的評(píng)價(jià)可參考如圖12 所示料車(chē)優(yōu)化前后的加速度變化對(duì)比圖，其中B 與A 分別代表優(yōu)化前后的情況，由圖可知，優(yōu)化后的系統(tǒng)避免了由于速度的突然大幅度變化而造成的大幅度沖擊，從而使料車(chē)能夠更加平穩(wěn)的運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性。

圖11 料車(chē)運(yùn)行速度變化圖Fig.11 Change chart of runningspeed of cart

圖12 優(yōu)化前后料車(chē)運(yùn)行加速度對(duì)比圖Fig.12 Comparison chart of running acceleration before and after optimization

通過(guò)對(duì)圖13 所示的優(yōu)化后的料車(chē)運(yùn)行加速度波動(dòng)圖的分析可知，料車(chē)在不同接料量下的運(yùn)行加速度波動(dòng)曲線基本相同，并且在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的整體波動(dòng)情況較為平穩(wěn)。 由此可得，優(yōu)化后的運(yùn)行系統(tǒng)在不同的接料狀態(tài)下都可保持相似的平穩(wěn)性能，并且在料車(chē)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中都能保持較好的平穩(wěn)性。

圖13 優(yōu)化后料車(chē)運(yùn)行加速度波動(dòng)圖Fig.13 Fluctuation chart of running acceleration of the cart after optimization

4 結(jié)論

本文以炮泥配料控制系統(tǒng)為研究背景， 對(duì)實(shí)際炮泥配料系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，并利用實(shí)際問(wèn)題分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況以及過(guò)往經(jīng)驗(yàn)等綜合因素， 設(shè)計(jì)了基于模糊控制算法的控制器， 通過(guò)MATLAB/Simulink 將其應(yīng)用于原控制系統(tǒng)仿真模型之上，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了控制器模塊設(shè)計(jì)的合理性與有效性。 此次針對(duì)炮泥配料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并同時(shí)為其他行業(yè)相關(guān)方面的優(yōu)化控制提供了思路。