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基于模糊控制的粗钛白粉粉碎系统的研究与设计
发布时间：2013-06-12 15:30 来源：未知
0、前言
硫酸法生产锐钛型钛白粉，是将购进的钛矿砂用雷蒙机或者风扫磨等粉碎成符合工艺要求的钛矿粉，并送到储存和计量钛矿粉的料仓。经过酸解、沉降、洗渣、结晶、钛液压滤、浓缩、水解、水洗、漂白、盐处理、煅烧后进入粉碎和包装过程，此步骤是将煅烧后的有些粘结的物料进行破碎。物料在雷蒙机内，经过高速旋转的磨辊和磨环的撞击，迅速被粉碎，再经过分级叶轮的分级，粗料返回粉碎室，细料进入袋滤器，经星型下料器进入螺旋送料器，送至成品料仓，进行包装后即为成品。为实现粉碎包装工艺的自动化，更好的控制雷蒙磨的转速，达到粉碎颗粒满足成品钛白粉颗粒大小，做到精度高，无杂质，定时、定量加入有机物，设计了PLC加组态王上位机监控的形式对磨粉包装工艺进行自动化改造。即以PLC作为下位机控制变频器驱动雷蒙磨工作，上位机以IPC配以组态王Kingview 6.52实现对各系统的监控，通过PLC和IPC的数据交换，使系统达到预期的控制目的。
1、PLC系统结构
1.1硬件系统设计
PLC直接对设备进行控制。IPC是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为工业控制器在工业环境中可靠运行，完成对相关模型的复杂计算，现场实时画面的监控。对于钛白粉粉碎系统，采用两级控制方式。用一台IPC作为上位机配以组态王Kingview 6.52进行远程监控，根据工作状态和钛白粉工艺模型调整参数，将现场的工况以良好的画面显示，并且能接受管理员的控制指令。下位机选用SIEMENS S7 - 300用作现场数据的采集和反馈，根据参数反馈对设备进行直接控制。IPC与PLC之间由各自的通讯单元进行数据交换，系统框图如图1所示。在钛白粉生产过程中，在分级机达到一定转速的情况下，开启主风机，将雷蒙磨碾磨之后的钛白粉吹过分级机，由于分级机转速已调整至钛白粉成品颗粒精度才能通过的状态，因此产量受到雷蒙磨碾磨精度的影响，如碾磨精度过高，则产量下降；如碾磨精度过低，粗颗粒无法经过分级机到达滤袋器，亦会影响产量。因此，在本系统中，依靠PLC加变频器对雷蒙磨转速进行PID控制，从而达到在满足加工精度的同时，使产量最大化。
1.2软件系统设计
1.2.1上位机软件设计
用IPC作为上位机，监控软件使用亚控公司组态王Kingview 6.52作为开发元件，对控制电路及生产过程进行仿真的二次开发，建立钛白粉粉碎系统的监控系统，生成的组态画面如图2所示。组态王Kingview 6.52提供丰富的图库集图形开发工具，用户可根据具体的工况，运用控件在画面上自由搭配，并为每个控件和画面提供方便的数据连接，使界面设计变得轻松。上位机软件主要设计了主监控画面、磨机参数设置画面、碱添加设置画面、运行技术器画面、报警信息查询画面、设备状态画面、监控曲线查询画面等。主画面仿真了各设备运行的状态，通过监控温度、流量、压力等参数，使工作人员很容易掌握系统的运行情况。各分画面主要用于参数的设置及曲线图形显示，帮助工作人员对系统进行精确控制。
1.2.2下位机软件设计
下位机主要依靠PLC对主风机和雷蒙磨进行精确控制，并辅以各状态之间的联锁报警装置实现对系统的保护。软件采用�？榛杓�，可实现数据的实时采集、与上位机通信、A/D转换、磨机电流控制、主风机空气流量控制、参数设置、内部公式计算等控制计算功能。根据工艺流程可知，加工的精度跟产量，与主风机的转速和雷蒙磨的转速有直接的关系，所以在设计下位机软件时，主要要考虑磨机的控制。其次，为了避免磨机空转以及有机物的适量添加，根据保护原则设计了紧急停车控制和有机物添加计算程序。
2、模糊PID控制算法的实现
自动控制理论中的设计方法主要是建立在被控对象的线性定常数学模型中，在实际设计过程中很难被运用。传统PID控制对参数的整定过程中，整定值有一定局限性的优化值，而不是全局性的最优值，无法从根本上解决动态品质及稳态精度的矛盾。模糊控制是一种适合于工业生产过程和大系统控制方法，特别是在纯滞后、大惯性的非线性不确定分布参数系统中，模糊控制能取得令人满意的效果。因此在磨机系统具有非线性、滞后性的钛白粉粉碎系统中，加入了模糊PID控制算法，富通新能源销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
2.1模糊控制的原理
如图3所示，y为系统设定值，y为系统输出值，它们都是清晰量，和传统的控制结构大致相同，只是用模糊控制器代替传统的数字控制器。
2.2模糊PID算法的实现
在粗钛白粉粉碎系统的主风机转速PID控制中，由于系统的非线性和时变性因素，采用模糊控制时，为了获得良好的控制效果，必须要求模糊控制器拥有较完善的控制规则和相对合适的参数。这些控制规则和参数是人们对控制过程认识的模糊信息的归纳和经验的总结。然而，在通常情况下，一个模糊控制器设计完成后，其语言规则和参数是确定的。由于受控过程的高阶次、时变性以及随机干扰等因素影响，造成模糊控制规则和参数不够完善，会不同程度地影响控制效果。为了弥补其不足，可以通过自适应的模糊控制技术，使模糊控制规则和其参数在控制过程中自动调整和完善，进而使系统的控制性能不断完善。
在S7 -300编程软件STEP7中编写用户程序，用模糊PID控制器代替传统的PID控制器，采用中断方式执行模糊PID控制算法。用STEP7实现智能算法选择适当的PID参数，通过改变PID�？橹械牟问迪窒低晨刂�，这样使PLC集成的PID�？橛锞浜椭悄芸刂平岷希岣吡四セ低车目刂凭群退俣�。
2.3仿真及效果分析
利用MATLAB的模糊逻辑工具箱，按照上面介绍的模糊PID控制器的设计方法，完成基于模糊逻辑工具箱的模糊控制器的仿真设计。图4为系统建立的仿真模型。
在忽略耦合等因素的条件下，可将模糊控制器的广义控制对象降阶，并近似用二阶系统拟合。故以下对典型的二阶系统进行仿真，并对比分析常规PID和模糊PID的控制效果，仿真效果图如图5所示。
从仿真结果可以看出，采用模糊自整定PID算法后，系统的超调量由原来的46%下降到15%，调节时间也比采用常规PID算法提前了1.4秒，系统的稳态误差也基本消除了。
3、结论
IPC用组态王与PLC进行实时通讯，具有速度快、可靠性高、调节方便灵活等优点。系统人机界面友好，参数易于调整，系统易于扩展。本文结合钛白粉粉碎系统，运用了模糊PID控制算法，采用西门子S7 - 300编写模糊PID程序，用其设定实时P、I、D参数，利用组态王Kingview 6.52监控磨机系统的运行情况，实现了系统的智能控制，具有控制精度高，稳定性好的优点，为智能控制算法的运用提供了新的思路。
