姚海軍

（西安航空職業(yè)技術學院計算機工程系，陜西西安710089）

隨著模糊數(shù)學的發(fā)展，模糊規(guī)劃、模糊邏輯、模糊語言、模糊控制[1]等一系列新學科、新技術也得到迅猛的發(fā)展，應用廣泛，大到航空航天，小到人工智能、醫(yī)療診斷、家電產(chǎn)品，滲透到工、農(nóng)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、金融經(jīng)濟、社會科學等各個領域，當然在工業(yè)造化方面的應用也相當普遍。

模糊理論的概念是在20世紀六十年代由美國加里福尼亞大學教授L.A.Zadeh首次提出的。它是與經(jīng)典的精確理論相對的，比如人的性別要么是男要么是女，其內(nèi)涵和外延是確定的；而許多概念的內(nèi)涵和外延是不明確的，如人個子的高低、胖瘦、美丑，氣溫的溫暖、炎熱、涼爽和寒冷，甚至“過去、現(xiàn)在、將來”之間也沒有一條截然分明的界限……，這就是模糊理論的概念。

模糊控制是相對與傳統(tǒng)的精確控制而言的。精確控制是點控制，而模糊控制則是區(qū)域（范圍）控制，最終通過點控制結(jié)束控制或聯(lián)動其他控制[2-3]。

1 問題的提出

在制造業(yè)生產(chǎn)過程中，從原理到成品，需要經(jīng)過許多環(huán)節(jié)，可能有中間產(chǎn)品，這些中間產(chǎn)品在等待進一步加工的過程中，通常存放在一個中間倉中，這個倉起著承前啟后的作用，不但有利于原料量的穩(wěn)定和均衡，而且可以提高生產(chǎn)的連續(xù)性，進而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。如圖1就是一個中間倉在生產(chǎn)線中的示意簡圖。為了簡單起見，以從“原料→中間倉→成品”這個簡單的生產(chǎn)工藝為例進行說明。

圖1 帶中間倉的生產(chǎn)工藝過程簡圖Fig.1A simple chart of production procedure with a proportioning bin

在通常情況下，原料從源頭通過輸送皮帶輸入中間倉中，同時又從中間倉卸出進行加工。一般地，入倉和出倉流量都是通過閥門調(diào)節(jié)來控制的，而且進倉和出倉的流量應保持相等。但是，由于物料的粒度、黏度、倉中物料堆積的時間、閥門機械部件等因素，有時還要考慮保證倉中有一定的倉位，使得入倉和出倉的流量存在著差異。如果輸入的量大于卸出的量，就有滿倉的可能，滿倉就必須斷掉輸送的原料供應；如果輸入的量小于卸出的量，就會有空倉的可能，空倉就必須終止生產(chǎn)加工，以保證設備的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量。

采用傳統(tǒng)的控制方式，即一有料位報警就聯(lián)鎖停車，如圖2所示。圖中的H和L分別表示料位高報警和低報警，并與進料和卸料電機聯(lián)鎖，這樣起停頻繁，不但對設備不利，更重要的是影響了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。所以如何保證合理的倉位，在料位報警時，有足夠的處理時間，以保證生產(chǎn)線能夠最大限度地連續(xù)運行，提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長設備壽命，顯得尤為重要。

圖2 簡單的料位高低報聯(lián)鎖控制Fig.2Simple interlock control with high/low alarm

2 分析與解決方案

在生產(chǎn)過程中，操作員起著很重要的作用。對于有經(jīng)驗的和責任心強的操作員，認真地觀察和分析數(shù)據(jù)，及時地調(diào)整參數(shù)，往往把隱患消滅在萌芽狀態(tài)；對于新手或經(jīng)驗不足的操作員，常常是頻繁地改變操作數(shù)據(jù)，遇到報警手忙腳亂，結(jié)果卻常常出事故。

如果采用區(qū)域控制，即模糊控制，如圖3所示，不但可以過濾掉大多數(shù)假信號、提高控制質(zhì)量，還可以減輕操作員和現(xiàn)場工作人員的勞動強度。

圖3 具有模糊概念的料位控制Fig.3Level control with fuzzy concept

在圖3中，HH和LL分別表示料位高高報警和低低報警，并與取料和卸料電機聯(lián)鎖，而H（高報）和L（低報）只負責提示。H~HH為料位高報警區(qū)，但是高而不溢；L~LL為料位低報警區(qū)，但是低而不空；L~H間為料位正常區(qū)。只有當料位達到HH或LL，就聯(lián)鎖停車，回歸到精確控制。

這樣設計的好處在于，當料位出現(xiàn)高報或低報，即處于H~HH區(qū)或L~LL區(qū)時，可以提示操作員料位高了或低了，操作員及時調(diào)整操作參數(shù)，不至于滿倉或空倉。因此在生產(chǎn)線和控制系統(tǒng)的設計中，要考慮倉容量及相關參數(shù)的設定。

假設原料輸送皮帶的總長為L（m）；皮帶的帶速為v（m/s）；原料喂料秤流量最大為W（t/s，）；物料的密度為ρ（t/m3）；倉深為D（m）；倉的截面積為S（m2）；入倉流量和出倉流量分別為Wi和Wo（t/s）。按照此假設，來設置各個參數(shù)的值。

1）倉容量容量要合適，一般要有幾個小時（一個工作班，如8小時）的容量。這個運算很簡單，就是：

通常略大于這個值就可以了。

2）HH的設定這個料位高高報直接聯(lián)鎖取料電機停車?？紤]到設備的起停過程要求空載，而整個過程是皮帶運輸，取料機停車之后，必須待皮帶上的料卸完才能停皮帶。要保證倉不溢，HH的值可以通過下面計算粗略得出。皮帶上的物料量最大為W（L/V+T）噸，這也是停車后可以向倉中輸入的最大物料量。這些物料在倉中的高度為WL/VρS米。這樣就可以粗略地計算出HH的值為D-WL/VρS米。計算這個參數(shù)值時，使用的都是常量，而且用的是皮帶喂料秤的最大值而不是平均值。用積分計算當然精確得多，但在此沒有這個必要。

3）LL的設定。這個聯(lián)鎖與下游設備無關，所以可以設定為料位計的下限值。

4）H和L的設定。這兩個參數(shù)的設置，是為了給操作員留出足夠的處理時間。倉中物料的變化量可以用下列的積分計算：

通常，當流量穩(wěn)定或波動不大時，這個變化量可以簡單地表示成：

其中t為時間。無論是多么先進的控制系統(tǒng)和多么優(yōu)秀的操作員，都存在著反應滯后的情況，所以這個時間是必須考慮的，假設操作員和計算機應反應平均滯后時間總共為T0（s），平均處理時間為T（s），則這個過程中，倉中物料的變化量為：

倉位高度變化量為：

這樣，H和L的值分別可設定為：

這種方法，還可以防止誤報警，也就是錯誤數(shù)據(jù)的采集或者瞬間數(shù)據(jù)的非常變化。這些參數(shù)的設定，提供量化的控制依據(jù)，所以需要通過比較精確的計算確定。但在生產(chǎn)實際中，經(jīng)驗數(shù)據(jù)也是非常重要的。事實上，在求H時，可以令W0取零；在求L時，可以令Wi取零。

另一方面，在軟件設計時，可以通過設置模擬量參數(shù)的死區(qū)，使得參數(shù)的變化由線性函數(shù)轉(zhuǎn)化成階梯函數(shù)，這樣可以過濾掉在報警區(qū)附近的干擾數(shù)據(jù)，保證控制的平穩(wěn)。

3 結(jié)論

對于簡單的控制，使用精確控制就足夠了。但在復雜的工藝控制過程中，往往要使用復雜的算法，比如對于閉環(huán)控制或PID控制回路[4-6]，使用簡單的精確控制是不夠的。把復雜的問題轉(zhuǎn)換為一個簡單的數(shù)學模型，并廣泛應用，已是當今科技發(fā)展的一個方向[7]。本文通過模糊控制和精確控制的結(jié)合，完成料位的自動控制就是一例。利用模糊控制理論，對參與過程控制的模擬量進行研究，設計出合理的報警區(qū)域，把精確的點控制擴展到區(qū)域控制，使得過程控制更加靈活多樣。

在生產(chǎn)過程中，不僅僅是中間倉料位的控制，包括溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等參與控制的模擬量參數(shù)，都可以用這個思想來處理（并不都是必須的）。在控制回路中，影響跳閘（停車）的是高高報（HH）或低低報（LL），這樣在遇到高報（H）或低報（L）時，使操作員有足夠的處理時間，從而保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，提高了設備的使用壽命，更重要的是保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。只是提高了編程的復雜度，要求編程人員要有一定的控制理論知識，而且還要有一定的實際生產(chǎn)經(jīng)驗。

[1]牛強，劉學平，向東，等.基于模糊控制的自動進料微控制器設計與實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器，2008，45（11）：93－95.NIU Qiang，LIU Xue-ping，XIANG Dong，et al.Design and implementation of automatic loading microcontroller with fuzzy control[J].Instrument Technique and Sensor，2008，45（11）：93－95.

[2]姚海軍.數(shù)學在自動控制中的應用[J].電子設計工程，2009，17（9 ）:114－115.YAO Hai-jun.Application of maths to automatic control[J].Electronic Design Engineering，2009，17（9）:114－115.

[3]祝愿博，劉振興，康曉晶，等.基于模糊控制的路徑識別智能小車設計[J].電氣電子教學學報，2009，31（5）:74－76.ZHU Yuan-bo，LIU Zhen-xing，KANG Xiao-jing，et al.A design of smart car of track recognition based on fuzzy control[J].Journal of EEE，2009，31（5）:74－76.

[4]楊海馬，劉瑾，吳文婕.基于模糊控制的恒壓供水智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學報，2006，27（6）:1870－1871.YANGHai-ma，LIUJin，WUWen-jie.Studyonthe intelligent detecting system for water supply of constant pressure based on the fuzzy control[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（6）:1870－1871.

[5]張維玲，趙亞明.基于模糊控制的居民小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)開發(fā)[J].蘭州工業(yè)高等專科學校學報，2008，15（1）:54－56.ZHANG Wei-ling，ZHAO Ya-ming.Development of constant pressure water-supply system in residential area based on fuzzy controller[J].Journal of Lanzhou Polytechnic College，2008，15（1）:54－56.

[6]吳斌，夏偉，湯勇，等.基于模糊理論和數(shù)據(jù)庫技術的材料切削加工性評價[J].機械設計與制造工程，2000，37（2）：12－15.WUBin，XIAWei，TANGYong，etal.Evaluationof machinability based on fuzzy and database technology[J].Machine Design and Manufacturing Engineering，2000，37（2）：12－15.

[7]薛曉明.筒式球磨機料位測量控制新技術[J].陜西電力，2007，35（5）:35－37.XUE Xiao-ming.New technology on measurement and control for material level in tumbling ball mill[J].Shaanxi Electric Power，2007，35（5）:35－37.