燒結混合料水分模糊PID控制系統設計

李庭貴，薛邵文

（1. 瀘州職業技術學院，瀘州 646005；2. 四川省瀘州市工程機械智能優化設計重點實驗室，瀘州 646005）

0 引言

燒結混合料中的水分在燒結過程中起著制粒、導熱、潤滑、助燃等各種作用，水分過高過低都會對燒結過程產生不利影響，導致混合制粒效果不好，影響混合料透氣性，最終造成燒結礦燒不透或過燒，直接影響產量和質量。因此，燒結料水分的相對穩定是保證燒結過程順利進行，提高燒結礦質量和產量必不可少的條件之一，混合料水分的準確檢測和自動控制是燒結工藝中至關重要的環節[1]。

1 控制策略

燒結混合料水分控制系統由電動執行器、電動調節閥、電磁流量計、壓力開關、水分檢測儀、稱重裝置和控制裝置等組成[2]，如圖1所示，系統比較復雜，具有時變性、非線性和時滯性等特點。在此種情況下，如果單純采用常規PID控制算法，系統存在調節時間長、超調量大等缺點，而且參數不易在線實時調整，難以滿足系統實時控制的要求；此外，系統頻繁的調節也容易引起系統的振蕩，造成系統的不穩定和魯棒性差。PID控制效果的好壞完全取決于PID參數的調整。針對傳統PID控制的不足，將模糊控制與PID控制結合起來，本文采用參數自整定模糊PID控制算法[3～6]，誤差較小時采用PID控制，誤差較大時采用模糊控制，共同應用于燒結混合料水分的控制。

圖1 燒結混合料水分控制系統示意圖

由操作工在上位計算機輸入混合料目標水分值inr，控制系統根據當前生產工藝數據核算出混合料入料量，依據混合料入料量和混合料目標水分值inr核算出當前所需加水量，對混合料進行加水。同時利用紅外水分儀實時檢測加水后的混合料含水量outy ，與目標水分值值inr進行比較，根據兩者偏差e采用模糊PID算法對加水量進行修正，確保混合料水分穩定在控制目標范圍內，滿足生產需求。燒結混合料水分模糊PID控制系統的結構框圖如圖2所示。

1.1 目標水分值確定

由于燒結原料中主要料種鐵精粉的產地不確定，造成燒結過程中對混合料水分需求不同，控制系統無法獲得準確的目標水分值。因此，由廠礦實驗室對不同原料燒結過程對水分需求進行試驗后得到理論數據，再根據實際生產中混合料料比結構確定混合料水分目標中線，控制系統將輸入的燒結混合料目標水分值inr作為控制目標值，由操作工在上位計算機中設置。

圖2 燒結混合料水分模糊PID控制系統結構圖

1.2 混合料水分檢測

實現自動加水首先要解決的問題是混合料水分的在線檢測。本系統選用NDC紅外技術公司的MM710型紅外水分儀進行混合料水分在線檢測，并將監測數據傳入PLC控制系統，以便控制系統根據水分偏差調節混合料加水量。

1.3 水流量檢測

為了穩定混合料水分，需要在線實時檢測水流量，實現恒定供水。本系統選用上海儀華測控儀表有限公司的SDLDBE插入式電磁流量計，它是一種測量導電流體體積流量的感應式儀表，對水流量進行在線自動檢測，并將監測數據送入PLC控制系統，作為過程參數。

1.4 加水量控制

一燒車間一次混合共有3臺混合機，為6臺燒結機提供混合料，其獨立劃分為3個系統。燒結混合料加水一般采用公式（混合機加水量=（混合機干料量+物料總水量）×目標水分-配合料入料水量）進行計算，但是由于一次混合機入料是由料倉下的給料圓輥直接將物料送至混合機內部，入料端無法安裝電子秤等物料重量檢測設備，給加水量確定和調節帶來了很大難度。根據現場實際情況，采用反算法得出混合機入料量參與控制。

因生產現場管網壓力不穩，使用調節閥控制時會因管網壓力變化造成加水量波動，造成系統調節頻繁，控制精度降低。因此本系統采用變頻水泵加水方式，通過調節水泵轉速達到調節水量的目的，實現加水量的實時調節。

為解決管道內水流量波動造成加水量不穩定，滿足恒定加水需求，控制系統最后一級采用PID調節方式對水流量進行控制。系統根據當前加水量與模糊控制輸出調節量核算出新的加水控制量作為目標值，與電磁流量計檢測的實時流量進行對比調節，做到定量加水。

2 參數自整定模糊PID控制器設計

由于外界干擾因素的影響，或者系統負載的變化，燒結混合料水分控制系統的特征參數或結構將發生改變，采用常規PID算法難以取得理想的控制效果，下面采用參數自整定模糊PID算法對系統進行控制。

2.1 輸入變量模糊化

在燒結混合料水分模糊PID控制系統中，采用二維模糊控制器，根據偏差和偏差的變化來進行控制。因此，模糊控制器的輸入變量取為系統偏差e和偏差變化率ec，可按照公式（1）計算。

式中： inr為混合料加水目標值； outy 為混合料出口紅外線水分儀測量的實際水分值。

2.2 輸出變量模糊化

PID控制器的離散化算式[7]為：

式中： kp為比例系數； ki為積分系數； kd為微分系數；k為采樣序列； e( k)和 e( k - 1 )分別為第k和第(k - 1 )時刻系統的偏差信號。

因此，模糊控制器輸出語言變量為比例系數ΔKP、積分系數ΔKI、微分系數ΔKD。設定ΔKP、ΔKI、 ΔKD的模糊子集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，選用正態函數們的隸屬度函數。

2.3 建立模糊控制規則

參數自整定模糊PID控制以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，根據模糊控制規則，在線對PID參數進行修改，以滿足不同時刻的e和ec對參數自整定的要求[7,8]。

根據操作工的實際操作經驗，總結工程技術人員的專家知識，并綜合考慮系統響應速度、穩態精度、超調量、穩定性和魯棒性等性能指標，構建模糊規則表。

1）PΔK整定原則：當響應在上升過程時（e為正），pkΔ取正，即增大pk；當超調時（e為負），pkΔ取負，即降低pk；當誤差在零附近時（e為零），分三種情況：ec為負時，超調越來越大，此時pkΔ取負；ec為零時，為了降低誤差，正向誤差越來越大，pkΔ取正[7]。PΔK整定的模糊規則如表1所示。

表1 PΔK的模糊規則表

2）IΔK整定原則：采用積分分離策略，即誤差在零附近時，ikΔ取正，否則ikΔ取零[7]。IΔK整定的模糊規則如表2所示。

表2 IΔK的模糊規則表

3）DΔK整定原則：DΔK整定的模糊規則如表3所示。

表3 DΔK的模糊規則表

2.4 模糊推理與輸出量解模糊

系統控制算法主要由兩個部分組成：一是PID算法，它可以根據水分設定值與實際值之間的偏差計算得到電動調節閥的控制量，從而達到對水分的控制；二是模糊控制算法，用來根據系統的狀態變量對PID參數進行在線調整，以期達到最優控制。燒結混合料水分模糊PID控制算法流程圖如圖3所示。

圖3 燒結混合料水分模糊PID控制算法流程圖

由系統偏差和偏差變化率的量化論域，根據輸入語言變量偏差E和偏差變化率EC，應用Mamdani模糊推理合成規則，求出相應輸出語言變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊集合，應用最大隸屬度法對此模糊集合進行模糊判決，可得到ΔKP、ΔKI、ΔKD的精確值Δkp、Δki、Δkd，并帶入參數修正公式（3）即可求出 ki、 ki、 kd。將 ki、 ki、 kd帶入公式（2），可求出k時刻加入到被控系統的控制量u(k)，從而在線對PID參數實現最佳調整[15～17]。

2.5 實驗結果

經過在線仿真調試，得到燒結混合料水分控制系統在常規PID算法和模糊PID算法兩種不同情況下的性能曲線，如圖4所示。

根據仿真結果分析比較，可以看出模糊PID控制比常規PID控制具有響應速度快、超調量小、穩定時間較長、魯棒性好等優點，顯示出良好的穩態性能，控制效果比常規PID算法有了顯著的提高。

圖4 模糊PID控制與常規PID控制系統階躍響應曲線

3 系統實現及運行情況

燒結混合料水分控制系統中，采用上位機和下位機方式實現控制。上位機采用GE公司的iFIX組態軟件，對生產現場進行監控，采集并處理PLC上傳的現場數據，再以動畫形式顯示，上位機還負責報警處理、流程控制等任務，并輸出歷史曲線、實時曲線及報表。下位機采用施耐德昆騰140系列PLC，PLC采集現場儀表的信號，應用模糊PID控制算法進行數據處理，實現控制量輸出控制現場設備，從而實現燒結混合料水分的檢測與實時控制。燒結混合料加水系統上位機人機監控界面如圖5所示。

圖5 燒結混合料加水系統上位機監控界面

由于PLC采用循環掃描工作方式，導致控制系統一定的滯后，影響系統控制精度。為了滿足燒結混合料水分控制系統對實時性的要求，在進行PLC程序設計時，根據建立的模糊語言變量賦值表和模糊控制規則表，建立離線的模糊控制查詢表，并存放在PLC的內部存儲區域中，PLC對采樣得到的精確量e、ec進行等級量化，得到其相應的模糊化論域元素，進行模糊推理與模糊判決，再通過查表獲得輸出控制量的量化值，最后將此量化值乘以比例因子后即可得到最終的精確控制量，這樣可以節省在線實時計算工作量，滿足系統對實時性的要求。

一混加水控制系統投入運行后，使一混系統混合料水分穩定率由77.62%提高到93.15%，穩定率提高15.53%。一混加水的穩定，二混混合制粒效果明顯，混合料透氣性變好，燒結機熱狀態參數明顯改善：冷、熱段負壓均降低，其中熱段負壓降低0.21KP，冷段負壓降低0.36KP，垂直燒結速度提高0.92mm/min。從整體上看系統在實際生產中取得了良好的效果，改善了燒結生產狀況，促進了產能提升，為穩定燒結主機生產效率奠定了堅實基礎。

4 結束語

燒結混合料水分模糊PID控制系統綜合運用了模糊控制和PID控制的優點。實踐表明，通過在線調整PID參數，改善了系統的響應速度，有效地解決了系統運行中誤差不穩定和動態特性不理想的問題，增強了系統的魯棒性，保證了燒結混合料濕度精度的控制要求。燒結混合料水分模糊PID控制系統提高了設備作業率和燒結礦產量、質量，降低了能耗物耗，使燒結機的能力得到充分發揮以滿足燒結生產的工藝要求。

[1] 陳略峰,吳敏,曹衛華,等.原料工況自適應的燒結混合制粒水分控制系統[J].計算機與應用化學:2011,(07):12-13.

[2] 孫建杰.燒結混合料自動加水控制及主要設備選型[J].南鋼科技與管理:2005,(02):76-78.

[3] 王宏文,何小煒,林樂歆,徐津娜.燒結混合料加水的模糊自適應分數階PIλDu控制[J].儀表技術與傳感器:2012,(2):78-81.

[4] 黃良沛,劉義倫,陽小燕,等.參數自適應模糊PID控制在恒壓供水系統中的應用[J].礦山機械:2005,33(7):82-84.