0　引言

商品砼是國家鼓勵發展的產品之一 ,在環保和質量方麵 ,商品砼更能得到有效的控製 ,且商品砼可節約水泥 10%. 砼攪拌站是生產商品砼的關鍵設備. 其自動控製係統是把各種物料( 多種規格的石子、 砂 、 水泥、 粉煤灰 、 添加劑和水) 按照配方進行動態稱重計量,然後送入攪拌罐攪拌成混凝土. 它由貯料、 配料、攪拌、放料等子係統組成, 受多個環節製約,這種係統具有如下一些特點:

1)被測對象處於非靜止狀態 .

2)是一種在線的自動測量係統.

3)在短時間內進行快速測量, 要求係統有良好的時間響應特性 .

這種配料係統屬於非線性 、 時變而且不允許超調的係統[ 1]. 影響係統配料速度和配料精度最重要的是料鬥的震動 、 落差和過衝量. 料鬥的震動使傳感器得到重量信號並不能準確地反映料鬥內實際物料重量 . 落差是由於運動中的原料,如從給料器或閥門進入到秤鬥行程中的原料流, 還沒有到達秤鬥的原料料麵. 產生過衝量是由於從電子裝置發出停止信號到閥門確實關閉或到螺旋給料器確實停止轉動要有一段時間. 由於物料流的不穩定以致落差和過衝量的隨機變化, 這給配料精度的控製帶來了較大的困難 . 因此對這些因素的控製顯得尤為重要. 作者采用了 PLC 、 工控機及組態王相結合的計算機控製係統對現場一台混凝土攪拌站進行了改造 . 本文主要針對其動態配料係統和非線性誤差控製進行探討

1　混凝土配料控製算法分析

按照配料生產控製工藝流程 ,進入配料程序時,係統首先檢測計量稱鬥確定是否小於預設值 ,若小於預設值即啟動物料倉送料裝置( 粉料還需經進料機構輸送) , 物料進入計量稱鬥; 計量稱鬥的稱重傳感器把所測的動態數據經智能單元完成 A/D 轉換後輸入控製器; 控製器依據所采集的動態稱重數據實時的與事先設定好的預期配料設定值( 即配合比參數) 進行對比, 利用算法進行配料控製 , 保證配料誤差; 當達到所設定的重量時,控製器立刻發出關閉卸料裝置和進料機構的指令 ; 當所有的物料稱量好之後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 種物料進料機構開度控製值; t 表示在t 時刻 ,並在0 至 100%連續可調 ; R( x ,y) 表示第 x 種物料第y 稱配料設定值 ; F( x ,y ,t) 表示稱鬥達到穩態時第 x 種物料第y 稱稱鬥傳感器反饋值 ; 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.對於石料之類固體物料, 當進料機構開度較小時,它們有可能被卡住不能進入計量稱鬥,這樣的情況下 ,對於 D( x ,t) 連續可調沒有很大實際意義 . 我們分D( x ,t) 連續可調和不連續可調兩種情況討論 .

1)D( x , t)連續可調情況 .

則ξ ( x , y)=R( x ,y)－Q( x ,y) ,代表第 x 種物料第 y 稱配料誤差. 當第 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) 表示動態配料誤差 . 顯然 ,ξ ( x ,y)是關進料機構以後計量稱鬥穩定時 E( x , y , t) 的值.

PID 控製器是一種線性控製器 , 在傳統 PID 的控製策略下不易找到最佳控製曲線, 而且很容易產生超調. 典型的離散時間 PID 控製規則如下:

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 的開度控製比指令信息 ;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% 連續可調的, 它是通過PLC 模擬塊的一個端口來控製 , 具體 0 ～ 100%調節控製是通過 PLC 軟件程序控製具體相關的電磁閥開關的開關度來實現^{[ 2]}.

2)不連續可調的情況.

對於石料之類固體塊狀物料, 由於D( x ,t) 不是在 0 ～ 100%連續可調, 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 係統的一個端口控製 , 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 稱進料機構時計量稱鬥反饋值 .

對於這樣的係統, 由於 D( x , t) 不是連續變化,當物料倉所儲存物料比較滿時, 由於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]} .

據係統實際有

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

其中: W( x ,y)為白噪聲係列.

考慮前麵測量值的影響 ,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　非線性誤差控製分析

在滿足快速配料的情況下 , 由於物料來料流的不穩定以及機械慣性所造成的純滯後即存在一個過衝量. 由於過衝量的不確定性,給控製帶來了很大困難 ^{[ 4]} . 通常是根據操作經驗給出一個控製提前量 ,但是這種固定不變的控製模式往往不能滿足控製要求 . 為此本次改造設計了一個控製方法,根據每次實際控製效果來辯識下一次的控製值 . 這樣除了剛開始是認為設定的控製值外, 以後每次稱量均根據上一次的控製效果加以修正. 由於有了這個控製策略,這些不確定因素可以得到較好的控製 .

3. 1　控製策略

為了達到更準確的精度,在控製策略方麵主要是關門提前量u 的確定 ，改造中對 u 的確定采用迭代自K8凯发大酒店天生赢家的方法^{[ 5]}.迭代法是一種逐次逼近的數學方法 , 易於在計算機上實現. 但存在是否收斂和收斂速度快慢的問題. 對於圖 2 而言,在對一種原料下料時 ,要使最終實際測量值 W 等於設定值 W _R , 那麽關斷點的選擇 W _S =W _R -u ,用以下方法進行動態修正. 首先, 令W_s,k表示第k 批次的關斷量 ,W^s_k 表示第k 批次的實際測量 ,U _K 表示第k 批次的提前量. 其中給料過程中料鬥內的重量是對K8凯发登录入口積分獲得的, W^s_k是靜態參數估計得出的. 關門提前量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 , 在秤鬥內物料的實際重量到達 W _R -u 0 時就提前關門, 空中餘料完全落入秤鬥後, 得到最終實際配料重量值W^s₀ , 利用實際配料值與設定值存在的誤差為

e ₀ = W^s₀ -W _R       ( 9)

可產生新的切換係數

u 1 =u 0 +qe 0 =u 0 +q(W^s₀ -W _R )      ( 10)

式( 10)中,q 為加權K8凯发大酒店天生赢家因子. 則下一次配料過程中, 可按照 u ₁ 進行提前關門. 依此類推, 可采用迭代自K8凯发大酒店天生赢家控製算法, 第 k +1 次配料時的控製量為

u _{k+ 1} =u _k +qe _k =u _k +q(W^s_k－W _R )    ( 11)

加權K8凯发大酒店天生赢家因子 q 通常取為

0

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

u _{k+ 1} =u _k +q(W^s_k －W _R )=u _k －q( W _R －W^s_k )≥u _k - u _k =0       ( 13)

由式( 13)可知, 負向迭代時, 控製量變小 ,但總是大於零.

當W^s_k >W _R 時,e k >0,正向迭代,結果是 e k 變大 ,此時要進行邊界檢查,保證

0  R    ( 14)

每次重複訓練時都滿足初始條件 e k ( 0)=0 當k →∞,即重複訓練次數足夠多時 , 可實現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後的提前關門值來提前關門了. 如此反複訓練 ,可以使關門提前量不斷優化,從而實現關門後料鬥內物料重量值逼近給定值.

4　結論及現場調試結果

用沒有超調量的 PID 控製算法控製動態配料,並實時估計落差; 同時用迭代自K8凯发大酒店天生赢家算法控製係統非線性誤差 , 在提高配料速度的同時, 提高配料精度 . 采用這種配料控製算法和誤差控製方法,控製規律簡單 ,可以有效的減少頻繁的更改提前量,使係統運行比較穩定,避免配料精度大幅震蕩,不但有較好的實時性,而且對於幹擾和係統模型的變化具有一定的魯棒性 ,同時可以較好的達到控製精度的要求.

按照上麵的算法, 通過改造項目中的混凝土攪拌站自動控製係統

從誤差數據可以看出 ,骨料配料誤差在2% 以內, 粉料配料誤差在 1%, 表明用沒有超調量的 PID 控製算法控製動態配料 ,同時用迭代自K8凯发大酒店天生赢家算法控製係統非線性誤差, 完全滿足混凝土攪拌站現場配料的精度和速度要求, 生產出的混凝土經檢驗都符合要求.

參考文獻 :

[ 1] 　張海清, 李寶安. 定量下料問題的動態稱重解決方案[ J] . 計量學報, 1998, 19( 3) : 221 -224.

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[ 3] 　SHU Weiqun. Dynamic weighing under nonzero initial　condition[ J] . IEEE Transactions on Instrumentation　and Measurement, 1993, 42( 4): 806-811.

[ 4] 　黃階綱. 自動配料控製係統的設計[ J] . 衡器, 1999, 28( 3): 1-3.

[ 5] 　任雪梅, 高為炳. 任意初始狀態下的迭代K8凯发大酒店天生赢家控製[ J] .自動化學報, 1994, 20( l): 74 -79.

[ 6] 　孫增圻, 張再興, 鄧誌東. 智能控製理論與技術[ M] . 北京: 清華大學出版社, 1997.

 

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