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0引言
穩(wěn)定土拌和站是可以進(jìn)行方便的拆裝組合式設(shè)備，設(shè)備本身具備砂石骨料配料系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、拌料系統(tǒng)、成品料輸送機(jī)、成品料儲(chǔ)料倉(cāng)、氣路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。
配料系統(tǒng)是一種應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的配料設(shè)備，通常使用帶有自動(dòng)配料算法軟件的微機(jī)，由一套PLC配料設(shè)備和一套上位機(jī)監(jiān)控配料設(shè)備組成，作為自動(dòng)配料的控制系統(tǒng)叫其中，PLC配料設(shè)備由配料控制器(如STEC控制器)、配料儀表及通訊電纜組成，STEC控制器之間用以太網(wǎng)通訊，STEC控制器還提供RS232、RS485接口和ADSL、GPRS、CDMA,光纖等通訊；上位機(jī)監(jiān)控配料設(shè)備可以安裝SRDev2.0編程軟件及HOMS組態(tài)軟件，用于對(duì)整個(gè)配料系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，畫(huà)面顯示和報(bào)表打印；PLC用于實(shí)現(xiàn)配料的自動(dòng)控制；配料儀表用于配料的PID調(diào)節(jié)及瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等參數(shù)的顯示；控制柜用于配料系統(tǒng)的邏輯控制和供配電；現(xiàn)場(chǎng)手操箱控制現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)設(shè)備的啟?？刂?。
1穩(wěn)定土拌和站動(dòng)態(tài)配料系統(tǒng)
1.1動(dòng)態(tài)配料監(jiān)控系統(tǒng)工作流程
動(dòng)態(tài)配料監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖1所示：

從圖1.1看出，骨料(碎石、砂)通過(guò)裝載機(jī)裝到配料站的儲(chǔ)料倉(cāng)中，通過(guò)控制系統(tǒng)計(jì)量給出，送至上料皮帶機(jī)接料斗，再由上料皮帶機(jī)把骨料輸送至攪拌機(jī)上部的待料斗；同時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)的控制，水泥由水泥倉(cāng)經(jīng)螺旋輸送機(jī)輸送至水泥稱(chēng)量斗，水和添加劑由供液系統(tǒng)輸送至水稱(chēng)量斗和添加劑稱(chēng)量斗內(nèi)。物料全部稱(chēng)量好后，按一定的順序打開(kāi)待料斗氣動(dòng)門(mén)、水泥稱(chēng)量斗氣動(dòng)蝶閥、粉煤灰稱(chēng)量斗氣動(dòng)蝶閥、水稱(chēng)量斗氣動(dòng)蝶閥、添加劑稱(chēng)量斗氣動(dòng)球閥，同時(shí)，開(kāi)啟待料斗振機(jī)、水泥稱(chēng)量斗振機(jī)、粉煤灰稱(chēng)量斗振機(jī)、進(jìn)水管加壓泵，使各物料進(jìn)入攪拌機(jī)中，由攪拌機(jī)攪拌均勻。攪拌好后經(jīng)攪拌機(jī)出料門(mén)通過(guò)出料斗卸入攪拌運(yùn)輸車(chē)完成一個(gè)攪拌周期。以上整個(gè)過(guò)程均由電腦控制自動(dòng)完成。
1.2動(dòng)態(tài)稱(chēng)重誤差與滯后過(guò)程分析
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，普遍存在著時(shí)滯，典型的時(shí)滯工藝過(guò)程有皮帶輸送過(guò)程、管道輸送過(guò)程及大多數(shù)熱力過(guò)程等。例如，在混凝土攪拌系統(tǒng)中，使用水平皮帶運(yùn)輸物料時(shí)，在拉斗升降、開(kāi)閉合倉(cāng)門(mén)、以及稱(chēng)量斗的過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。
時(shí)滯產(chǎn)生的主要原因有：對(duì)系統(tǒng)變量的測(cè)量、系統(tǒng)中設(shè)備的物理性質(zhì)及物或信號(hào)的傳遞等。在實(shí)際工程控制問(wèn)題中，有時(shí)因滯后系統(tǒng)的影響不大而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或模型中將滯后省略。但是在更多的實(shí)際工程中，滯后是不能省略的。特別當(dāng)對(duì)象的純滯后時(shí)間與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比大于0.3時(shí)（稱(chēng)為大時(shí)滯過(guò)程），采用常規(guī)控制方法很難獲得滿意的控制性能。
1.3動(dòng)態(tài)配料系統(tǒng)物理模型與數(shù)學(xué)建模
混凝土配料控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于稱(chēng)量的準(zhǔn)確性（設(shè)定值等于稱(chēng)重值）。分析物料稱(chēng)重系統(tǒng)的物理模型可以得岀稱(chēng)量斗的數(shù)學(xué)模型為：

其中：F表示物料下料時(shí)產(chǎn)生的重力，為稱(chēng)量斗的輸入，M表示稱(chēng)量斗自身重量，Y0表示稱(chēng)量斗位移，K表示稱(chēng)重系統(tǒng)的彈性系數(shù)，KY0表示稱(chēng)量測(cè)量值。拉氏變換為：

故系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

通過(guò)分析上述建模過(guò)程，可以得出動(dòng)態(tài)配料的被控對(duì)象近似為二階系統(tǒng)和二階延遲系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)配料過(guò)程中，影響配料精度和速度的主要有兩個(gè)決定因素：稱(chēng)重產(chǎn)生的誤差和滯后現(xiàn)象。
2動(dòng)態(tài)配料PID控制算法與參數(shù)在線調(diào)節(jié)方案
2.1PID控制算法
在工程實(shí)際中，當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)氣PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
（1）遇限削弱積分法
這一方法是考慮了在實(shí)際過(guò)程中，控制變量U因受到執(zhí)行元件機(jī)械和物理性能的約束而控制在有限范圍內(nèi)，即：Umin 該方法的思想是：一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。也就是說(shuō)，在計(jì)算U（k）時(shí)，將判斷上一時(shí)刻的控制量U（k）是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據(jù)誤差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)誤差計(jì)入積分項(xiàng)。
（2）微分先行PID控制
微分先行PID控制是只對(duì)輸出量進(jìn)行微分，而對(duì)給定指令不起微分作用，因此它適合于給定指令頻繁升降的場(chǎng)合，可以避免指令的改變導(dǎo)致超調(diào)過(guò)大。
（3）帶死區(qū)的PID控制
在控制精度要求不高、控制過(guò)程要求平穩(wěn)的場(chǎng)合，為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，消除由此引起的振蕩，可以人為的設(shè)置
一個(gè)不靈敏區(qū)B,即帶死區(qū)的PID控制。只有不在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，才按PID算式計(jì)算控制量。
以上是一些常用的較為簡(jiǎn)單的改進(jìn)PID控制，當(dāng)然，隨著控制理論的發(fā)展，目前各種新的改進(jìn)型PID控制不斷出現(xiàn)，包括與智能控制相結(jié)合而形成的模糊PID,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等等，但是從實(shí)用性來(lái)看，上述方法在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都將是工程設(shè)計(jì)人員的首選叫

PID控制性能指標(biāo)和輸入信號(hào)有關(guān)，由于外部信號(hào)具有隨機(jī)性、復(fù)雜性，從上述得出的圖2仿真圖可以看出，四種不同PID控制的配料稱(chēng)重效果都存在一定的局限性，主要在于被控參數(shù)的實(shí)時(shí)變化引起控制器的穩(wěn)定性下降，同時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)不能補(bǔ)償系統(tǒng)特性，導(dǎo)致系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)不到要求。
2.2動(dòng)態(tài)配料的控制策略實(shí)現(xiàn)原理
在動(dòng)態(tài)配料稱(chēng)重過(guò)程中，為了提髙稱(chēng)重精度，保證配料速度，提高系統(tǒng)效率。不能等到稱(chēng)斗靜止后再進(jìn)行稱(chēng)量，因?yàn)楸粶y(cè)重量是隨時(shí)間變化的。按照動(dòng)態(tài)配料生產(chǎn)工藝流程，在系統(tǒng)完成一次配料后，進(jìn)入下一次配料程序時(shí)，PLC首先檢測(cè)配料稱(chēng)重值是否小于設(shè)定值，若小于設(shè)定值即啟動(dòng)物料倉(cāng)送料裝置，開(kāi)始打開(kāi)閥門(mén)下料。則稱(chēng)重傳感器把所測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)智能控制單元完成A/D轉(zhuǎn)換后輸入PLC控制器；控制器按照所釆集的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與事先設(shè)定好的預(yù)期配料設(shè)定值（即配合比參數(shù)）進(jìn)行對(duì)比（粉料還需經(jīng)螺旋機(jī)構(gòu)輸送），利用算法進(jìn)行配料精確控制，保證配料誤差在控制范圍內(nèi)；當(dāng)稱(chēng)重值達(dá)到或接近所設(shè)定的重量時(shí)，控制器立刻發(fā)出關(guān)閉卸料裝置和進(jìn)料機(jī)構(gòu)的指令；等穩(wěn)定后，將所有的物料稱(chēng)量好，各種稱(chēng)重料的重量按照設(shè)定程序送入攪拌機(jī)，等待攪拌（完成一次配料全過(guò)程）。
3模糊控制規(guī)則
3.1模糊控制的基本原理
模糊控制是建立在模糊集合和模糊邏輯的基礎(chǔ)上的，核心部分是模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，微機(jī)通過(guò)釆樣獲取被控對(duì)象的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E（取誤差反饋）。一般誤差信號(hào)E作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。至此，得到了誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e（e實(shí)際是一個(gè)模糊向量）。再由e和模糊控制規(guī)則R（模糊關(guān)系）根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策，得到模糊控制量為：u=e*R,其中u為一個(gè)模糊量。
3.2模糊控制算法與特點(diǎn)
模糊控制是以模糊集理論為基礎(chǔ)，以模糊語(yǔ)言變量和邏輯
推理為工具，能夠利用人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，把直覺(jué)推理納入到?jīng)Q策中的一種智能控制器。即：先按概念組成的經(jīng)驗(yàn)控制規(guī)則對(duì)輸入?yún)⒘窟M(jìn)行控制，將被控量的精確值進(jìn)行模糊量化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為模糊量約束，再根據(jù)模糊控制規(guī)則，推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，最后將得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確值進(jìn)行控制氣在工程控制系統(tǒng)中，很多系統(tǒng)都是多因素的，數(shù)學(xué)模型建立比較困難，其控制規(guī)則顯得復(fù)雜，給實(shí)際操作帶來(lái)不便。而模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，模糊控制也包含這種思想模式一種對(duì)人類(lèi)思維特點(diǎn)的模擬同。因此在設(shè)計(jì)新型的智能控制器時(shí)可以借鑒模糊控制的思想。
4智能邏輯預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)
4.1邏輯控制器
邏輯控制器的工作原理與模糊控制器相似，都是直接根據(jù)誤差及誤差變化，通過(guò)邏輯推理得到控制量，而不是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型而是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀況（誤差和誤差率）來(lái)調(diào)整控制器的輸出回。邏輯智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過(guò)對(duì)比邏輯控制與PID控制的模型仿真，得出系統(tǒng)輸出如圖4所示。

從和PID控制比較來(lái)看，邏輯控制要好于PID控制。表現(xiàn)出穩(wěn)定性好、超調(diào)量小、響應(yīng)快速的特點(diǎn)。在一定程度上克服了PID控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性不完全匹配和PID控制中參數(shù)相互影響的問(wèn)題。
4.2邏輯預(yù)測(cè)控制器
目前應(yīng)用最為廣泛的預(yù)測(cè)控制技術(shù)為模型預(yù)測(cè)控制（MPC）o模型預(yù)測(cè)控制又稱(chēng)滾動(dòng)時(shí)域控制，是一類(lèi)基于模型的預(yù)測(cè)控制算法的集合。MPC將控制問(wèn)題描述為約束優(yōu)化問(wèn)題，具有在線處理控制量約束和輸岀量約束的優(yōu)點(diǎn)。其基本思想：是利用每個(gè)釆樣時(shí)刻的測(cè)量信息（包括系統(tǒng)的、環(huán)境的和任務(wù)的）刷新該優(yōu)化問(wèn)題并在線重復(fù)求解以獲得最新的優(yōu)化控制動(dòng)作。
對(duì)比預(yù)測(cè)控制與邏輯控制的仿真結(jié)果。從圖5可以看出，在模型完全匹配的情下，預(yù)測(cè)控制的結(jié)果是最優(yōu)的。通過(guò)對(duì)邏輯控制器和預(yù)測(cè)控制器的分析可知，邏輯控制器是對(duì)人主動(dòng)開(kāi)環(huán)控制及強(qiáng)時(shí)變控制的模擬，預(yù)測(cè)控制是對(duì)操作員經(jīng)驗(yàn)的模擬，其共同特征是主動(dòng)時(shí)變控制。兩者的結(jié)合將是對(duì)人的控制思維特點(diǎn)的較全面模擬，相信可以在工業(yè)過(guò)程控制中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)，邏輯預(yù)測(cè)控制對(duì)對(duì)象參數(shù)變化不是很敏感。當(dāng)被控參數(shù)設(shè)定好后，其在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，大多數(shù)情況下僅極點(diǎn)大小發(fā)生變化（判斷是否穩(wěn)定），系統(tǒng)仍然具有良好的穩(wěn)定性及控制性能指標(biāo)。

5結(jié)語(yǔ)
針對(duì)穩(wěn)定土拌和站動(dòng)態(tài)配料系統(tǒng)中的滯后過(guò)程，如在稱(chēng)重過(guò)程中，物料下料的不穩(wěn)定性和機(jī)械裝備的慣性所造成的純滯后即存在一個(gè)過(guò)沖量，由于這種過(guò)沖量的不確定性，給控制帶來(lái)了很大困難。利用最小二乘算法的在線修正補(bǔ)償特性，在線校正下一次的控制測(cè)量稱(chēng)重值。同時(shí)模擬人的思維特點(diǎn)，提出一種新型的邏輯預(yù)測(cè)智能控制器，通過(guò)多次數(shù)據(jù)測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)，其控制規(guī)律可以使系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，其配料精度和速度都達(dá)到要求，整個(gè)系統(tǒng)的效率也得到了提高。Matlab仿真表明，與其它類(lèi)型人工智能控制器相比，該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。便于在工業(yè)控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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