基于模糊控制的自動(dòng)排料系統(tǒng)的研究

基于模糊控制的自動(dòng)排料系統(tǒng)的研究

洗煤機(jī)是主要的選煤機(jī)之一，長期以來得到了廣泛應(yīng)用和開發(fā)，對實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。跳汰機(jī)控制的主要內(nèi)容為分層和排料的控制,其中排料控制是跳汰選煤的重要環(huán)節(jié),其性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。但因?yàn)榕帕线^程是典型的大滯后、非線性的復(fù)雜系統(tǒng),存在許多不確定的因素,很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。而傳統(tǒng)的自動(dòng)排料系統(tǒng)由于跳汰機(jī)參數(shù)的選擇、調(diào)整不便以及其固有的缺點(diǎn),使得控制性能一直不能令人滿意。人們開始尋求新的控制方式,模糊控制應(yīng)運(yùn)而生。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制,它直接采用語言性控制規(guī)則,基本控制思想是引入人類的邏輯思維方式、專家規(guī)則及熟練操作人員長期積累的控制經(jīng)驗(yàn)。它無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型,易于對不確定系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制;對被控對象的參數(shù)有較強(qiáng)的魯棒性;對外界干擾有較強(qiáng)的抑制能力。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)模糊控制器,對系統(tǒng)進(jìn)行有效控制,是一種典型的智能控制方法。文章論述的新型跳汰機(jī)排料裝置就采用模糊控制技術(shù)。1對跳礫煤分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及分析方法的應(yīng)用目前,常見的排料裝置有閘板式和葉輪式兩種,大多采用PID調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)排料系統(tǒng)的自動(dòng)控制。目前的自動(dòng)排料控制系統(tǒng),一般通過采集床層的著床信號(重產(chǎn)物床層厚度)控制排料,而所控制的重產(chǎn)物床層厚度h與產(chǎn)品組成c之間的精確數(shù)學(xué)模型即h=f(c)是未知的。究其原因,一是缺乏對重產(chǎn)物床層密度組成的檢測手段,二是沒有建立如上所述模型的間接研究手段。另外,由于分層效果未知,無法根據(jù)分層效果進(jìn)行風(fēng)水制度的控制,因此,控制各產(chǎn)品中的污染指標(biāo)或帶煤損失這一控制跳汰機(jī)的基本要求就變得很難實(shí)現(xiàn)了。并且在一般的PID控制算法中,當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí),系統(tǒng)會有較大的偏差以及慣性和滯后,故在積分項(xiàng)作用下,往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時(shí)間的波動(dòng),特別是在煤質(zhì)不穩(wěn)定時(shí)這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重;微分項(xiàng)是PID控制算法中響應(yīng)最為敏感的一項(xiàng),當(dāng)采樣數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),它會立即作出反應(yīng),所以它容易引入干擾。因此,要用PID調(diào)節(jié)器完成對產(chǎn)品指標(biāo)的精確控制,完成風(fēng)水的參控也就不可能。跳汰過程的控制就是對影響分選的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線檢測,進(jìn)而改善工作制度。由于參數(shù)間的相關(guān)性較強(qiáng),存在非線性、時(shí)變時(shí)滯以及種類繁多的擾動(dòng)等因素而產(chǎn)生不同靜-動(dòng)特性,且沒有一個(gè)公認(rèn)的理論可以清晰地描述跳汰選煤過程的機(jī)理,因而到目前還沒有一種在定量意義上直接將操作參數(shù)具體化的數(shù)字模型出現(xiàn)。模糊控制正適合于該工況,可以根據(jù)得到的檢測結(jié)果得出控制算法并與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,設(shè)計(jì)出一個(gè)適合跳汰選煤系統(tǒng)的模糊控制器進(jìn)行分選作業(yè)的控制。2可調(diào)擴(kuò)大排料裝置的安裝位置本文針對一種新型跳汰機(jī)的排料裝置進(jìn)行模糊控制研究。新型跳汰機(jī)排料裝置采用能夠隨床層厚度變化而上下運(yùn)動(dòng)的可調(diào)鏟板,對排料道附近已分好層而尚未到達(dá)排料道上方的輕、重產(chǎn)物進(jìn)行強(qiáng)制切割分離,降低了排料道上方物料分布狀況不穩(wěn)定對產(chǎn)品分離的影響,能夠?qū)崿F(xiàn)水平移動(dòng)的物料在水平方向上進(jìn)行分離,提高產(chǎn)品分離的精度和產(chǎn)率。在良好的跳汰操作制度下,當(dāng)物料在水平流的作用下移動(dòng)到排料口附近時(shí),物料一般都已得到充分分層。因此在排料道的上方一定高度上放置一個(gè)鏟板不會影響物料分層,鏟板的安裝位置即為分選密度分離線的位置。當(dāng)煤流到達(dá)鏟板位置時(shí),被強(qiáng)制切割成上下兩部分:輕產(chǎn)物經(jīng)過鏟板的上表面,以溢流的方式排出;重產(chǎn)物由鏟板下方的排料道排出。同時(shí),由于入料性質(zhì)和其他因素的影響,跳汰產(chǎn)品分選密度的分離線不會穩(wěn)定在同一高度上。當(dāng)條件變化時(shí),分離線的位置上升或下降,產(chǎn)生時(shí)段交叉。因此排料裝置中的鏟板還具有在分離線變化的方向上相應(yīng)移動(dòng)的功能。鏟板和排料道托板運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力都來自于排料裝置的油缸,二者具有聯(lián)動(dòng)的關(guān)系。如圖1所示?？烧{(diào)鏟板的可行性研究結(jié)果表明:由于排料端的物料分層已經(jīng)結(jié)束,因此新型排料機(jī)構(gòu)可以很好地根據(jù)分選密度切割輕重產(chǎn)物,達(dá)到產(chǎn)品分離的目的,而不會影響床層的穩(wěn)定。它的具體特點(diǎn)是:(1)隨分選密度脈動(dòng)的新型排料裝置,基本消除了脈動(dòng)交叉現(xiàn)象,提高了產(chǎn)品分離精度;(2)消除跳汰物料水平移動(dòng)和產(chǎn)品垂直分離的矛盾;(3)動(dòng)態(tài)跟蹤產(chǎn)品分離線;(4)重產(chǎn)物混入輕產(chǎn)物的可能性較小,精煤產(chǎn)率增加,相應(yīng)的重產(chǎn)物污染少,提高了產(chǎn)品質(zhì)量;(5)提高了分選效率,減少了跳汰機(jī)操作的人為因素的影響。試驗(yàn)現(xiàn)場用的跳汰機(jī)是改造過的XD2532型篩下空氣室式跳汰機(jī),分為兩段:矸石段和中煤段矸石段有兩室,中煤段有三室。3現(xiàn)場控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)新型排料裝置需要控制的量有兩個(gè),即與排料閘門聯(lián)動(dòng)的固定鏟板高度值,以及相對于排料閘門的微調(diào)量。前者與分選密度緊密相關(guān),鏟板所處的高度就是輕重產(chǎn)品分離線的高度,可根據(jù)浮標(biāo)信號對鏟板的高度值進(jìn)行控制。而固定鏟板的微調(diào)量與產(chǎn)品的灰分是密切相關(guān)的。盡管可以按照產(chǎn)品要求的灰分與密度的關(guān)系,對浮標(biāo)配置合適的配重,使灰分和密度之間有線性關(guān)系。但是當(dāng)入料情況發(fā)生變化時(shí),這種關(guān)系就會發(fā)生變化。在這種情況下,如果要使浮標(biāo)仍然能夠反映灰分情況,應(yīng)該重新對浮標(biāo)配重。但是對浮標(biāo)進(jìn)行配重的方法只能離線調(diào)節(jié),非常不方便。針對此情況,為了使固定鏟板的高度精確跟蹤產(chǎn)品分離線,采用在線測灰儀。這樣能及時(shí)有效地指導(dǎo)選煤生產(chǎn),確保精煤產(chǎn)品的質(zhì)量,提高產(chǎn)率,生產(chǎn)出滿足用戶需要的產(chǎn)品,而且能大大減輕工作人員采、制、化的勞動(dòng)強(qiáng)度,并且克服化驗(yàn)滯后于生產(chǎn)而帶來的操作、管理上的困難。利用測灰儀精確檢測產(chǎn)品灰分,其反饋信號經(jīng)微處理器處理后,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),對固定鏟板進(jìn)行在線微調(diào)。微調(diào)后的固定鏟板的高度與實(shí)際產(chǎn)品灰分要求的高度相符。采用基于單片機(jī)的模糊控制器,模糊控制器主要由3大部分組成:輸入信號值的模糊化、知識庫的形成及模糊推理決策、輸出模糊控制量的解模糊。采用二維模糊控制器,即以給定量(床層厚度和產(chǎn)品灰分的設(shè)定值)與其實(shí)際反饋量的誤差和誤差的變化為輸入變量,以控制量的變化(鏟板的高度和微調(diào)量)為輸出變量。首先確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬度函數(shù)(即模糊化),然后建立模糊控制算法,即規(guī)則的歸納和規(guī)則庫的建立,規(guī)則庫通常由一組if-then結(jié)構(gòu)的模糊條件語句構(gòu)成。具體來說,就是通過調(diào)研,根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn),將操作過程中要遇到的各種可能出現(xiàn)的情況和相應(yīng)的控制策略匯總,建立模糊控制規(guī)則表。在表中可直接由輸入量查詢相應(yīng)的輸出控制量。最后確定模糊推理(一般用最大最小推理或最大乘積推理)和解模糊化方法,針對系統(tǒng)要求選取適宜的辦法,將輸出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。模糊控制器的設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見,控制系統(tǒng)的檢測裝置包括:用于鏟板高度檢測的傳感器、浮標(biāo)和在線測灰儀?？晒┈F(xiàn)場使用的檢測裝置有:(1)鏟板高度檢測傳感器。一般的位移傳感器即可,如DA系列傳感器。輸出信號4～20mA;(2)浮標(biāo)傳感器。以無錫南長區(qū)談渡傳感器為好,輸出:4～20mA、220V,量程:200mm;(3)在線測灰儀。用于在線實(shí)時(shí)測量輸送帶上的精煤、原煤等的灰分,采樣量大,測量準(zhǔn)確,一般輸出兩路4～20mA灰分信號,可以方便地聯(lián)入自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:(1)電磁閥。鏟板高度及排料閘門開度的聯(lián)動(dòng)控制是通過油缸的電磁閥實(shí)現(xiàn)的,電磁閥由一個(gè)線圈的通電或斷電來控制。油缸傳動(dòng)桿伸長或縮短的依據(jù)來自于浮標(biāo)傳感器檢測出的重產(chǎn)物床層厚度信號。當(dāng)重產(chǎn)物床層厚度過大時(shí),油缸的傳動(dòng)桿伸長,通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)排料道托板向下運(yùn)動(dòng),排料道開度增加,排料量加大。同時(shí),油缸通過新型排料裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提高鏟板的位置,以適應(yīng)變化了的重產(chǎn)物床層厚度;當(dāng)重產(chǎn)物床層厚度降低時(shí),油缸的傳動(dòng)桿縮短,托板向上運(yùn)動(dòng),排料道開度減小,排料量減小。此時(shí),鏟板位置降低,和較低的重產(chǎn)物床層厚度相適應(yīng)?，F(xiàn)場使用的22D-10BH電磁閥,流量為10L/min,壓力為63kg/cm2,電壓為220V。(2)伺服電機(jī)。鏟板微調(diào)與灰分有關(guān),它是通過機(jī)構(gòu)螺絲的右旋及左旋來實(shí)現(xiàn)的,而機(jī)構(gòu)螺絲的右旋及左旋通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),蝸輪蝸桿由三相交流伺服電機(jī)傳動(dòng)。通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)構(gòu)螺絲的右旋或左旋。現(xiàn)場使用的蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)為A1-7124型;電壓380V(三相);電流1.1A;轉(zhuǎn)速1400r/min。采用Atmel89C52單片機(jī),程序代碼用C51編寫。單片機(jī)通過串行口與上位機(jī)通信,由上位機(jī)監(jiān)控。上位機(jī)軟件采用VB開發(fā),實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。其可視畫面包括浮標(biāo)高度、閘門開啟量和鏟板高度及鍵控按鈕等。各種傳感器把現(xiàn)場的物理量轉(zhuǎn)化為模擬量,再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,變?yōu)閿?shù)字量傳給單片機(jī),單片機(jī)處理后傳給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)模糊控制策略編程,對單片機(jī)發(fā)出控制指令。單片機(jī)依此作出相應(yīng)的輸出,再通過D/A轉(zhuǎn)換為開關(guān)量,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,達(dá)到控制目的。上位機(jī)的軟件編寫是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,它直接影響著控制性能。VB開發(fā)中所用到的關(guān)鍵控件是MSComm控件,它可以用來提供簡單的串行端口通信功能,也可以用來創(chuàng)建功能完備、事件驅(qū)動(dòng)的高級通信工具。MSComm控件提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的使用界面。使用它可以建立與串行端口的連接,通過串行端口連接到其他通信設(shè)備,發(fā)出命令,交換數(shù)據(jù),以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯(cuò)誤。4新型排料裝置跳汰機(jī)自動(dòng)排料是跳汰過程自動(dòng)化的重要內(nèi)容目前的排料機(jī)構(gòu)主要著眼于跳汰重產(chǎn)物的排放,忽略了輕產(chǎn)物對分選效果的影響。本文研究的新型排料裝置是針對跳汰產(chǎn)品分離方式中存在的一些問題,以排放跳汰輕產(chǎn)物為出發(fā)點(diǎn)的一種隨分選密度改變而變化的新型排料裝置。