■ 李夢輝 鐘 珂 胡新路

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南 鄭州450004〕

模糊控制在軋花機控制中的應(yīng)用探討

■ 李夢輝 鐘 珂 胡新路

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南 鄭州450004〕

1 軋花機控制的現(xiàn)狀

在棉花加工過程中，軋花機工作性能的優(yōu)劣直接影響著棉花加工能否正常進(jìn)行，為此，軋花機的控制在整個棉花加工過程中就顯得尤為重要。

在軋花過程中，影響軋花質(zhì)量的因素很多，比如籽棉的含雜等級、回潮率、加工機械的工況等等。軋花企業(yè)一般采用加快軋花機鋸軸轉(zhuǎn)速，增加單位時間內(nèi)鋸齒鉤拉纖維的次數(shù)來提高產(chǎn)量。但是，鋸軸轉(zhuǎn)速過快，會因鋸齒對籽棉的沖擊力過大而產(chǎn)生大量的破籽、帶纖維籽屑及籽皮，影響皮棉的質(zhì)量。通過鋸齒軋花的原理可以知道，軋花機鋸軸轉(zhuǎn)速的快慢對軋花產(chǎn)質(zhì)量影響很大，應(yīng)根據(jù)籽棉含雜等級、回潮率等因素確定鋸軸的轉(zhuǎn)速，以盡可能地取得較高的產(chǎn)量和較低的皮棉含雜率。

在國內(nèi)，對于軋花機的控制，軋花機鋸軸電機基本上仍采用△-Y啟動控制，鋸軸電機在工頻下工作，電機的轉(zhuǎn)速都大于軋花機良好工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，影響了軋花的產(chǎn)量和質(zhì)量。雖然軋花機喂花電機的控制采用變頻器控制的方式，但是變頻器工作頻率輸入方式上又有所不同。大多數(shù)軋花機喂花電機的工作頻率輸入都是軋花工人通過觀察籽棉含雜等級、回潮率、加工機械的工況等因素，選擇合適的工作頻率手動輸入。這種輸入方式能夠取得較理想的軋花效果，但卻嚴(yán)重依賴于軋花工人的工作經(jīng)驗，如果有經(jīng)驗的軋花工人流失，就會嚴(yán)重影響棉花加工的正常進(jìn)行。另外，也有部分廠家喂花電機的工作頻率輸入是根據(jù)軋花機鋸軸電機工作電流大小進(jìn)行調(diào)整，這種控制方式雖然降低了對加工人員的依賴程度，但是因影響棉花加工的因素比較多，單一考慮軋花機鋸軸電機的電流大小而確定工作頻率的方式也是不合適的。

針對目前軋花機控制的現(xiàn)狀，需要選擇一種理想的控制方式，以解決軋花機工作過程中存在的問題。在眾多的先進(jìn)控制方式中，模糊控制是一種比較適合軋花機控制的智能控制方式。

2 模糊控制的分析

模糊控制是智能控制的一個重要分支，在控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。模糊控制的核心是模糊控制器的設(shè)計，而設(shè)計模糊控制器的關(guān)鍵是模糊控制規(guī)則的確定，即模糊控制規(guī)則表的確定。模糊控制表一般由兩種方法獲得，一種是采用離線算法，以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行合成推理，根據(jù)采樣得到的誤差e、誤差的變化率c，計算出相應(yīng)的控制量變化U。另一種是以操作人員的經(jīng)驗為依據(jù)，由人工經(jīng)驗總結(jié)得到模糊控制表。

由于軋花生產(chǎn)的過程具有多參數(shù)、時變性、參數(shù)非線性等特點，因此，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難，很難通過建立數(shù)學(xué)模型的方式對其進(jìn)行精確控制。但在長期的生產(chǎn)過程中，軋花生產(chǎn)又具有一定的規(guī)律性，有經(jīng)驗的車間主任、軋花工人或者相關(guān)專家通過長時間的生產(chǎn)實踐能夠總結(jié)出一定的控制規(guī)律。采用模糊控制方式，通過軋花工人或者相關(guān)專家的經(jīng)驗制定一定的控制規(guī)則，對軋花機的主軸電機及喂花電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻控制，能夠取得理想的控制效果。

3 模糊控制在軋花過程中的應(yīng)用探討

對于軋花過程中的模糊控制，可以采用對軋花機鋸軸電機的模糊控制和對軋花機喂花電機的模糊控制。

3.1 軋花機鋸軸電機模糊控制

在軋花過程中，影響軋花機鋸軸電機工作頻率的因素有很多，主要的是籽棉含雜等級和回潮率。根據(jù)棉花加工廠工作人員對于這兩個因素的經(jīng)驗判斷，制定模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 主軸電機工作頻率的模糊控制表（單位：H z）

其中，籽棉含雜等級需要棉花加工廠工作人員根據(jù)加工籽棉的含雜情況進(jìn)行判斷，含雜等級手動輸入。籽棉回潮率采用籽棉在線回潮檢測裝置實時檢測加工籽棉的回潮率，自動輸入模糊控制器。軋花機鋸軸電機模糊控制器根據(jù)所制定的模糊控制規(guī)則表，給軋花機鋸軸電機實時地輸入工作頻率。

例如，當(dāng)籽棉含雜等級為三級、回潮率為中時，模糊控制器通過查表確定軋花機主軸電機理想的工作頻率是40 Hz，也就是說控制器要在40 Hz的工作頻率下通過變頻器控制鋸軸電機工作。

這種模糊控制規(guī)則是基于加工質(zhì)量優(yōu)先的要求，而如果是產(chǎn)量優(yōu)先的要求，那么在不同條件下的工作頻率可根據(jù)加工經(jīng)驗進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.2 軋花機喂花電機模糊控制

軋花機喂花電機工作頻率的高低決定著喂花量的大小，當(dāng)喂花電機工作頻率升高時，喂花量就隨之增大；工作頻率降低時，喂花量也隨之減小。喂花量的大小還直接影響軋花機籽棉卷的密度。在只增加喂花量而不改變其他工作條件時，籽棉卷的密度增加。在一定范圍內(nèi)，籽棉卷的密度增加，籽棉卷對鋸片輥筒的壓力增加，鋸齒對籽棉卷的勾拉牽引作用也得以加強，籽棉卷速度增加。但若籽棉卷密度過于大，則籽棉箱壁對籽棉卷運動所產(chǎn)生的阻力矩迅速增加，會造成籽棉卷速度降低甚至停轉(zhuǎn)，影響棉花加工效率。

為了確保軋花機處于良好的工作狀態(tài)，應(yīng)該根據(jù)籽棉卷的密度實時調(diào)整喂花電機的工作頻率。由于在加工過程中籽棉卷的密度很難實時地檢測，因此，軋花機籽棉卷的密度大小一般通過軋花機鋸軸電機的工作電流大小來間接反映。籽棉卷密度增大時，負(fù)載增大，鋸軸電機工作電流也隨之增大；而籽棉卷密度減小時，負(fù)載減小，鋸軸電機工作電流也隨之減小。確定了鋸軸電機的工作頻率后，可以根據(jù)軋花機鋸軸電機電流的大小實時地調(diào)整喂花電機的工作頻率。

由于鋸軸電機受干擾、電源質(zhì)量等其他因素的影響，電流大小具有一定的波動性，因此，精確地依靠電流大小實時調(diào)整喂花電機工作頻率未必能夠取得良好的控制效果。喂花電機的控制采用模糊PID控制的方法較好。

喂花電機模糊PID控制方法，即根據(jù)軋花機鋸軸電機工作電流的大小與設(shè)定值之間的偏差大小進(jìn)行控制。當(dāng)電流偏差e在e1范圍內(nèi)時，喂花電機恒定頻率工作；當(dāng)電流偏差在e2范圍內(nèi)時，喂花電機工作頻率采用PID控制方式進(jìn)行調(diào)整，控制喂花量的大小，使得鋸軸電機的工作電流處于設(shè)定范圍之內(nèi)。該模糊PID控制的方框圖如圖1所示。

4 軋花機采用模糊控制的優(yōu)點

通過對軋花機鋸軸電機和喂花電機進(jìn)行變頻控制，采用模糊控制的方法可以提高軋花產(chǎn)質(zhì)量和節(jié)能效率。

4.1 軋花產(chǎn)質(zhì)量的提高

隨著模糊控制在軋花機控制中的應(yīng)用，軋花機鋸軸電機的工作頻率可以根據(jù)籽棉的含雜等級和回潮率進(jìn)行實時的調(diào)整。模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者有經(jīng)驗的軋花工人的實踐經(jīng)驗所建立的，在此規(guī)則控制下，可以使軋花機鋸軸電機始終在最優(yōu)的頻率下工作，以此來平衡軋花產(chǎn)質(zhì)量之間的矛盾。

另外，隨著軋花機鋸軸電機工作頻率的實時變化，通過對軋花機喂花電機工作頻率的模糊控制，可以使軋花機喂花電機根據(jù)鋸軸電機在不同工作頻率下的電流變化進(jìn)行工作頻率的調(diào)整，確保軋花機籽棉卷的密度處于最優(yōu)的加工范圍之內(nèi)。

由以上分析可知，軋花機鋸軸電機的模糊控制可使軋花機根據(jù)籽棉的質(zhì)量情況進(jìn)行工作頻率的調(diào)整；軋花機喂花電機的模糊控制確保了軋花機的籽棉卷密度。通過對軋花機兩方面的模糊控制，能夠綜合影響軋花產(chǎn)質(zhì)量的因素，達(dá)到最優(yōu)的加工效果。

4.2 軋花節(jié)能效率的提高

軋花機的鋸軸電機功率一般都比較大，例如168型軋花機和171型軋花機的主軸電機功率均為75 kW，而喂花電機一般在0.75 kW~1.5 kW之間。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研可知，一般軋花機鋸軸電機工作頻率在40 Hz左右，喂花電機的工作頻率在25 Hz左右，另外，在軋花生產(chǎn)過程中會因為各種原因軋花機時常處于開箱狀態(tài)，而此時軋花機的鋸軸電機為空轉(zhuǎn)運行，浪費了大量的電能。使用該模糊控制器后，控制器能實時檢測軋花機開合箱電機的工作狀態(tài)，當(dāng)軋花機處于開箱工作狀態(tài)時，控制器控制軋花機鋸軸電機進(jìn)行低頻工作，可以節(jié)省不少的電能?？傮w而言，通過使用模糊控制方法設(shè)計的控制器，可使軋花機的節(jié)能效率達(dá)到20%~40%，節(jié)能效果十分明顯。

5 結(jié)束語

本文分析了軋花機在棉花加工過程中存在的影響軋花產(chǎn)質(zhì)量的問題，針對軋花過程中存在的多變量、強耦合、參數(shù)具有時變性、非線性的特點，探討了一種針對軋花機工作特點而設(shè)計的模糊控制方法，通過對軋花機鋸軸電機和喂花電機進(jìn)行模糊控制，能夠很好地提高軋花機的產(chǎn)量和質(zhì)量。