基于自適應模糊控制的混凝土配料系統研究與應用

何小寧，肖伸平，李 浩3，黃云章

(1.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007；2.電傳動控制與智能裝備湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412007；3.湖南明泰項目管理有限公司，長沙 412000)

0 引言

混凝土配料系統主要用于大型水泥預制件生產線、建筑施工現場的混凝土攪拌站或商業混凝土攪拌爐(簡稱商混爐)等。根據《混凝土強度檢驗評定標準》(GB/T50107-2010)的規定，按配方生產的混凝土產品，其強度必須達到相應等級的要求。影響混凝土強度等級的主要因素有水泥等級、水灰比、骨料、齡期、養護溫度和濕度等因素。在保證水泥等級的情況下，養護條件易于滿足，而水、灰、骨料的重量控制是難點。自動配料過程中，各原料的配比即動態稱重產生的誤差，是影響成品質量的主要原因。由于原料成分和性能的差異，使得下料速度和稱量結果受到多種不同因素的影響，因此被控系統具有很大的隨機性和非線性特征，其變化規律無法用數學模型描述[1]。

隨著模糊控制理論的成熟和發展，模糊控制技術逐步進入實踐應用階段，但常規的模糊控制器仍存在穩態精度低、動態特性不夠理想，以及適應對象變化的能力較差等弱點。自適應模糊控制理論，又稱自組織模糊控制，它能在控制過程中根據被控參量和外界環境的變化，經過辨識、聚類和決策，自動地對模糊控制規則進行調整和和修改，從而生成新的控制規律，使之具有自適應和自學習的能力[2]。基于此，將自適應模糊控制算法用于混凝土配料系統，以根據不同的配方參數和工況及時調整和更新控制規則。

1 混凝土配料系統描述

混凝土配料系統主要由原料倉、配料斗、攪拌倉、執行電機、主控器及相關外圍器件組成。目前以單片機或PLC為核心的配料系統，一般是按照給定的配方預置各成分的重量參數[3]，并根據調試和運行經驗設定提前量，以控制原料的下料重量和誤差。

1.1 混泥土配料系統工作原理

混凝土配料系統的一般工作過程為：1)主機按照本批次產品配方和級配量要求，向原料倉發出取料指令。包括開倉門信號、倉門開度、電振機振動頻率和重量信號等；2)原料倉門打開后，向配料斗喂料，重量傳感器同時將數據傳送到主機；3)當配料重量達到預先設定值時，關閉取料門；4)當滯留在配料通道中的原料在振動和慣性作用下完全進入配料斗之后，打開斗門，將原料加入攪拌倉內混合攪拌。至此，一個混合配料周期便算完成。

配料時，每種原料分別由相應的原料倉對各配料斗喂料；各配料斗內的壓力傳感器將測量到的動態重量信號輸入采樣模塊，并轉換成為電氣量信號；經數字化處理后，進入控制器；再由比較判斷單元進行判別。當重量達到配方要求值時，將該料加入攪拌倉中與其它原料混合攪拌[4]。如未達到設定的參考值，則繼續加料，再重復上述過程，直到滿足要求。

1.2 控制要求

混凝土的主要質量指標是抗壓強度，該指標是通過坍落度實驗和立方體試件，在經過與產品配方對應的養護周期之后，通過專業測試才能獲得，屬于事后檢測。在生產過程中，因混凝土還未硬化成型，所以無法在線獲得本批次產品的性能參數，這是混凝土產品與其他工業產品生產過程不同的地方。如果某一原料實際的進料量大于給定的誤差，必然會影響該批次產品的質量，導致混凝土成批報廢。更為嚴重的是，如果是現場澆筑的建筑物結構，待事后檢測出混凝土的強度不合格，將造成安全隱患，極端情況下只有推倒重建。所以生產的混凝土產品必須按照配方要求，準確控制各原料成分的配比，嚴格限制超調量。

在配料過程中，原料從取料門出來到進入配料斗，再由傳感器檢測到信號，有一個滯后時間。如果等傳感器檢測到足量的原料時，才停止喂料，到最后實際上進入配料斗的原料就會超量。所以必須在配料重量還未達配方設定值時就要提前關閉取料門，這就是預設提前量。預設提前量有兩條途徑：一是設定時間提前量，即根據調試過程獲得的取料時間，提前一段時間關閉取料門；二是設定重量提前量，當測量到配料斗內的動態重量離配方值還有一定的差距時，提前關閉取料門。

因此要實現混凝土在線過程質量控制，配料系統應能按照配方值、級配量和原料性能，自動調整下料速度和提前量的設定值。在保證原材料質量的前提下，對原料的取料過程進行高精度動態測量和控制，是保證產品質量的重要環節。

2 配料過程的自適應模糊控制原理

實際運行中發現，對于不同強度要求的產品配方和級配量，因各種原料的物理性能不穩定，如砂石材料的含水率和含泥量不同、水泥等粉狀物的粘結程度有差異；還有可能因原材料批次不同而出現的性能參數變化等，都將影響到控制精度。特別是砂石、碎石等骨料的比例在混凝土原料中占60%以上，其機械慣性大，下料速度不易控制，使得稱量結果呈現出嚴重的滯后性和非線性變化，導致實際的配料重量出現較大誤差[4]，成為影響混凝土強度等級的重要因素。

用于校正誤差的時間提前量和重量提前量一般是根據調試過程或者操作人員的運行經驗獲得，具有一定的主觀性。但是，稱量結果的滯后程度與原材料的性能緊密相關，對于粘性大的砂石和慣性大的骨料相關度完全不同。由于原料性能的分散性，以往的調試結果和配料過程的經驗值不足以保證后續配料的準確性。產品配方改變、級配量不同或原料性能差異等都有可能導致提前量發生變化，如果不能及時調整，將會產生無法確定的配料重量誤差，從而影響混凝土質量參數。

如采用自適應模糊控制原理，將影響下料速度的參數如該批次產品的級配量、原料的重量、砂石的含水率和含泥量、骨料的體積大小、水泥及其他粉狀材料的粘結程度等組成輸入變量矩陣；經過性能測量環節后形成第一級控制量，再送入第一級模糊控制器；模糊控制器結合重量偏差反饋和過程狀態判斷規則，經過第一次模糊判斷后，輸出第二級控制量；同時控制量校正模塊輸出校正量；再經過第二級模糊控制器進行控制規則修正，最后輸出新的控制規則，該規則就是經過自學習后的自適應模糊控制規則，控制原理如圖1所示。

圖1 自適應模糊控制原理

本系統采用的自適應模糊控制器增加了3個功能模塊，即：性能測量模塊、控制量校正模塊和控制規則修正模塊[5]。

設系統時滯為Δt，當前采樣時刻為nT。e(nT-Δt)、ec(nT-Δt)分別為過去時刻的偏差和偏差變化量。由性能測量后得到第一級控制量u(nT-Δt)，再經過兩級模糊化處理，最后可得到自適應模糊控制量。

其中:F表示模糊化過程；r(nT)為校正量。r(nT)可以用下式求得：

(1)

其中：H為表示輸出量與輸入量關系的矩陣[1]。

上述偏差、偏差變化量與控制量的關系為：

(2)

(3)

自適應模糊控制器修正控制規則的方法為：

(4)

經過多次反復的模糊化判斷和修正，控制規則從建立到修正到再建立的適應過程，使得設定的提前量逐步逼近真實值，最后可將配料誤差控制在允許范圍之內。

3 配料系統自適應模糊控制器設計

在混凝土產品中，以商混爐的控制精度要求最高。該產品原材料一般包括碎石、砂石、水泥、水、堿水劑、及礦石粉等。每種原料的下料速度受到多種不同因素的影響，除了前述原因以外，粉狀原料、砂石尤其是細磨砂容易粘結成塊狀，有時會在取料門的開口處形成拱狀(俗稱“起拱”)，這不僅影響下料速度，極端情況下還可能堵住取料門。在配料系統的實際運行過程中發現，骨料和砂石的下料速度和提前量隨機性最大，是控制難點。配料中的水和堿水劑屬于液體，流量容易控制；水泥和礦石粉屬于粉狀物，但因為所占比例不大，可由螺旋機從密封的容器擠壓至配料斗中，輸送速度比較容易控制。

在改變產品配方或級配量時，要輸入新的配料參數，系統必須經過學習才能獲得最佳的控制規則[5]。包括對配料速度、取料門的開度、電振機振動頻率等的控制和提前量的設定。本節以砂石的取料環節為例，說明系統的自適應過程。

3.1 輸入、輸出變量定義

設當次配方的砂石給定重量為Gg，提前量參考值為ΔGq。輸入、輸出量定義如下。

1)輸入量：

(1)重量偏差

Ek=(Gg-ΔGq)-Gf(k)

(2)偏差變化量

ECk=Ek-Ek-1=

[(Gg-ΔGq)-Gf(k)]-[(Gg-ΔGq)-Gf(k-1)]=

Gf(k-1)-Gf(k)

其中:k=1,2,…,為采樣次數；Gf(k)、Gf(k-1)分別為當前和前次采樣時刻的砂石重量。

(3)輸入變量矩陣。包括配方參數、級配量以及砂石的粗細程度、含泥量、含水率等。輸入變量矩陣是決定控制規則的主要因素，而重量偏差和偏差變化作為反饋量，參與控制規則的修正。

擱淺分為操縱性擱淺和漂移性擱淺兩類。操縱性擱淺是由于人為錯誤或者船員缺乏警惕性造成的(第I類)；漂移性擱淺是由于操作或者推進裝置失效，船舶失去自航能力造成的(第II類)。水域內的預計擱淺事件或與固定物體碰撞的預計次數的模型見圖3。

2)輸出量：電振機振動頻率Y1及取料門開度Y2。輸出量的大小直接關系到下料速度和下料時間，對提前量的設定值起主要作用。

從控制過程分析，輸入輸出量之間可以形成以下模糊關系:

R(E，EC，Y1，Y2)

這是一個雙輸入雙輸出的模糊控制關系。通過模糊解耦[6]，可將它分解為兩個雙輸入單輸出的模糊關系，即:

R1(E，EC，Y1)和R2(E，EC，Y2)。

設重量偏差劃分為：正大、正中、正小、零、負小等5個模糊狀態[7]，分別對應模糊語言值PB、PM、PS、0、NS；偏差變化量、電振機振動頻率和配料門開度分別劃分為：正大、正中、正小、零等4個模糊狀態，分別對應模糊語言值PB、PM、PS、0。

3.2 模糊控制規則的建立

將系統分為粗調和精調兩段模糊控制。在取料初期，當實測值Gf(k)較小時，重量偏差大，主要是保證給料速度，采用粗調方式，即將電振機振動頻率Y1和取料門開度Y2都置于最大值，以最快的速度下料，提高工作效率；當實測值Gf(k)增大時，重量偏差減小，此時改為精調方式，即將Y1和Y2適當減小來降低配料速度，以保證控制精度和限制超調量。這樣既滿足了動態性能的要求，又能達到良好的靜態性能。據此可以形成粗調和精調兩段多規則集結構[6]，模糊控制規則如表1所示，Y1和Y2均適用。

表1 模糊控制規則

粗調控制規則為:

ifEisBthenY1isBandY2isB；

ifECisSthenY1isSandY2isS；

ifEis 0 thenY1is 0 andY2is 0 。

當E>0且EC>0時，說明下料正常，料斗內的砂石重量還沒有到提前量的設定值，Y1、Y2的大小分別按照粗調和精調兩段模糊控制規則輸出；

當E≤0而EC≠0時，說明重量偏差已經小于或等于提前量，但砂石重量還未達到給定值Gg，此時應關閉配料門和電振機，使Y1=0、Y2=0，等待ΔGq落入配料斗；

特殊情況下，當重量偏差E>0 ，而偏差變化量EC= 0時，說明下料門已被堵住，系統應發出報警信號，并根據控制規則調節Y1、Y2。

3.3 參數自適應過程

系統開始運行時，按照給定的參考規則進行模糊控制，之后每一步的控制量和測量值都被存于存儲器中，作為生成新規則的依據[8]。通過性能測量和控制量校正環節，得到經過校正后的控制量，再對控制規則進行修改，并存于規則生成器[8]。

3.3.1 速度規則的建立和適應

取料過程中原料的動態出料量、取料門開度和電振機頻率與取料時間的關系，可用圖2所示的配料曲線表示。

圖2 混凝土配料曲線

圖中0～t1、t1～t2、t2～t3分別為粗調(快速配料)時間段、精調(低速配料)時間段和提前量落差時間段；G1、G2分別對應t1、t2時刻的實測取料重量，G3為配方設定的取料量；ΔGq(=G3-G2)則為按剩余量原則給定的提前量。粗調過程Y1、Y2不變；精調過程中，Y1、Y2隨著重量偏差的減小而減小；Y1q、Y2q分別對應精調完成后的電振機頻率和取料門開度。Δtq=t3-t2為按時間原則給定的提前量，與ΔGq對應。到配料重量達到G2時，即對應t2時刻，關閉電振機和取料門。經過一個落差時間后，ΔGq進入配料斗，重量顯示為G3，本次取料過程完成。

首先要確定參數G1，在Gf(k)≤G1時，Y1、Y2應為最大值，為快速配料過程。設G1=k1Gg，系統運行后，如果t2-t1≥k2t1，說明精調時間太長，則在下一次配料時加大k1值；如果t2-t1≤k3t1，說明精調時間太短，則在下一次配料時減小k1值(其中k3

3.3.2 提前量的修正

設本次配料設定的提前量參考值為ΔGqk，配料完成后實際配料誤差為e=G3-Gg。如果誤差e超出了允許范圍，需要對誤差進行在線處理[1]。

1)當配料不足，且e≤-5%Gg時，則按精調控制規則繼續配料，直到e>-5%Gg。下一次配料時加大G2，使提前量減小。

2)當配料過量，且e>5%Gg時，需要對配料斗的卸料過程進行控制。將超出部分留于斗內，待下次配料之用。且在下一次配料時減小G2，使提前量增加。

經過以上參數的自適應過程，對砂石的配料速度和提前量參考值，逐步建立起新的規則。

3.3.3 混凝土試塊測試結果

本控制系統已經在多條大型水泥管樁生產線的配料系統以及商混站中應用。用于澆筑的混凝土產品由當地質檢部門授權的建筑材料檢測站隨機抽樣檢測。為了確保混凝土檢測結果的真實性和唯一性，在混凝土試塊中植入了RFID(無線射頻識別)芯片，以供抗壓強度檢測溯源。送檢的立方體試件規格為100 mm×100 mm×100 mm，從成型到試壓，經過了一周期標準養護，即齡期為28 d的試塊[10]，抗壓試驗結果如表2所示。

表2 混凝土抗壓強度檢測報告

大量的現場檢測結果表明，該系統控制效果良好。各批次混凝土試塊強度性能均高于設計要求，強度指標較一般控制方法穩定。

4 結束語

本文分析了自適應模糊控制理論在混凝土自動配料系統中的應用，以及建立和修改控制規則的原理和方法，并對兩個主要參數：配料速度和提前量的設定進行了研究。采用分段模糊控制規則，既滿足了快速配料的動態性能要求，

又能達到較高的配料精度。從系統的運行情況看，自適應模糊控制方法較之一般的模糊控制，更加適應不同配方參數對控制系統的要求，使產品合格率得到了保證。