彭 琛,李曉峰

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基于模糊邏輯規(guī)則的雙重控制器在發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

彭 琛*,李曉峰

(湖南文理學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

分析了現(xiàn)有發(fā)泡機(jī)的工作原理、控制方法及優(yōu)缺點(diǎn). 針對(duì)以繼電—接觸器控制系統(tǒng)和單純PLC控制系統(tǒng)組成的發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)存在可靠性低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、系統(tǒng)升級(jí)困難等缺陷, 提出了采用基于模糊控制規(guī)則的PLC控制系統(tǒng)的改造方案. 對(duì)系統(tǒng)規(guī)則及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì). 仿真實(shí)驗(yàn)表明, 基于模糊控制的PLC多重控制系統(tǒng)可以克服原系統(tǒng)的缺陷, 滿足生產(chǎn)工藝質(zhì)量要求.

發(fā)泡機(jī); 模糊控制; PLC

發(fā)泡機(jī)是利用塑料顆粒作發(fā)泡包裝原料, 可對(duì)精密儀器、電子產(chǎn)品、工藝品、插花等多種怕震、怕壓的物品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡包裝. 發(fā)泡機(jī)作為一種機(jī)電一體化產(chǎn)品, 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制中占有重要的地位. 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外所用的聚氨酯發(fā)泡機(jī)基本上根據(jù)不同的功能分為幾種類型: 便攜式發(fā)泡機(jī)和大型發(fā)泡機(jī); 高壓發(fā)泡機(jī)和低壓發(fā)泡機(jī)等, 基本上能滿足產(chǎn)品包裝的需要. 其中發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)直接影響該產(chǎn)品的發(fā)泡倍數(shù)的穩(wěn)定, 從而影響了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力, 而發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)泡倍數(shù)受原料添加重量和發(fā)泡好后粒子的總量決定, 蒸汽壓力和氣壓不直接影響發(fā)泡倍數(shù). 因此, 為這類發(fā)泡機(jī)開發(fā)出一種可以保持穩(wěn)定的發(fā)泡倍數(shù)的控制系統(tǒng)是一個(gè)有著較大實(shí)際意義的課題.

對(duì)現(xiàn)在大量使用的發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)改造是必要的. 現(xiàn)有的發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)很大部分是采用老式的繼電器觸點(diǎn)控制, 系統(tǒng)故障率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、系統(tǒng)設(shè)備升級(jí)困難. 自從在系統(tǒng)中加入了PLC控制以后, 出現(xiàn)了便攜式、高壓和低壓不同要求的發(fā)泡機(jī)大量涌現(xiàn), 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、改善勞動(dòng)條件、克服人為的不穩(wěn)定因素, 在PLC控制的基礎(chǔ)上利用了先進(jìn)的模糊控制技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 以達(dá)到系統(tǒng)智能控制和系統(tǒng)升級(jí)的目的.

1 基于模糊控制的PLC系統(tǒng)

1.1 發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文利用模糊控制對(duì)發(fā)泡機(jī)內(nèi)溫度的控制以及PLC對(duì)發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)其他參數(shù)的控制, 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的各種功能, 使發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)得到最優(yōu)控制.

發(fā)泡機(jī)的參數(shù)檢測(cè)有: 在添加原料階段檢測(cè)了物位傳感器的信號(hào), 并利用真空泵來(lái)進(jìn)行填料階段的控制; 在原料稱量階段, 由于影響發(fā)泡倍數(shù)穩(wěn)定的原因之一就是原料添加的重量, 所以運(yùn)用高精確儀器稱量鏟和稱量傳感器來(lái)進(jìn)行原料添加重量的精確檢測(cè); 在原料發(fā)泡階段檢測(cè)音叉水平傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器的信號(hào), 利用高溫加熱管、攪拌機(jī)、振蕩電機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)泡階段進(jìn)行控制, 其中音叉水平傳感器是關(guān)鍵所在, 用它來(lái)精確測(cè)量發(fā)泡粒子的體積大小達(dá)到控制發(fā)泡階段是否完成. 發(fā)泡機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖由圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)要工作原理如下: 發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)利用真空管把微小的塑料顆粒吸進(jìn)存放原料顆粒的吸料缸內(nèi), 真空管作為首個(gè)傳送系統(tǒng), 把等待發(fā)泡的塑料顆粒吸入一定量后停止工作. 然后進(jìn)行下一步檢測(cè), 判斷稱料缸內(nèi)是否為“空”, 如果是空的, 就把吸料缸內(nèi)的原料顆粒吹進(jìn)稱料缸內(nèi); 如果不是空的, 則繼續(xù)等待. 當(dāng)稱料缸內(nèi)檢測(cè)為空時(shí), 打開進(jìn)料閥門, 讓吸料缸內(nèi)的原料顆粒落入稱料缸的稱量鏟, 當(dāng)稱量鏟顯示為已達(dá)到所需重量時(shí), 關(guān)閉進(jìn)料閥門, 停止進(jìn)料. 在經(jīng)過(guò)稱料缸中精確稱量后, 再把原料顆粒放進(jìn)預(yù)發(fā)缸, 等待發(fā)泡缸準(zhǔn)備好. 當(dāng)原料顆粒進(jìn)入發(fā)泡缸后, 發(fā)動(dòng)攪拌機(jī), 通過(guò)電阻絲開始升溫并使發(fā)泡缸內(nèi)的溫度達(dá)到所需的高溫, 便進(jìn)行發(fā)泡動(dòng)作, 過(guò)程中用溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度變化, 并用模糊控制器對(duì)溫度變化進(jìn)行控制使缸內(nèi)溫度維持發(fā)泡所需溫度不變, 直到音叉式水平傳感器檢測(cè)出發(fā)泡粒子已達(dá)到所需大小便停止攪拌和加熱, 然后把發(fā)好的粒子推出發(fā)泡缸, 整個(gè)發(fā)泡過(guò)程結(jié)束. 在每次發(fā)泡過(guò)程完成后都自動(dòng)對(duì)發(fā)泡缸進(jìn)行除殘動(dòng)作, 以避免出現(xiàn)不必要的誤差. 在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中, 都有光電開關(guān)檢測(cè)是否發(fā)生了故障. 一旦發(fā)現(xiàn)有故障, 可通過(guò)硬、軟件兩種方式來(lái)強(qiáng)制系統(tǒng)的暫?；蛲C(jī), 進(jìn)行故障檢測(cè)并報(bào)警. 在整個(gè)系統(tǒng)中, 添加原料階段、原料稱量階段和發(fā)泡階段3個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立但工作又必須協(xié)調(diào)一致.

1.2 模糊控制及算法

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制(Fuzzy Control), 是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法, 是智能控制領(lǐng)域的重要分支[1—2]. 模糊控制不但有系統(tǒng)化的理論, 而且有大量的實(shí)際應(yīng)用. 由于簡(jiǎn)單易用、控制效果好等特點(diǎn), 模糊控制廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng), 特別是模型不確定、非線性、大時(shí)滯控制系統(tǒng)[3]. 模糊控制可以通過(guò)改變控制規(guī)則、隸屬度函數(shù)、推理方法及決策方法來(lái)修正系統(tǒng)特性. 模糊控制基于控制規(guī)則, 對(duì)某一規(guī)則的變化不敏感, 系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng), 既可以用于簡(jiǎn)單的控制對(duì)象, 也可以用于復(fù)雜的過(guò)程. 對(duì)于一般的控制問(wèn)題, 模糊控制器的控制效果在快速性和魯棒性方面都優(yōu)于常規(guī)控制器[4—5].

模糊控制從屬于智能控制的范疇. 模糊控制基本思想實(shí)質(zhì)上是一種利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)則, 也是一種基于規(guī)則的控制, 它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則, 在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型, 因而使得控制機(jī)理和策略設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用. 對(duì)于恒壓供水系統(tǒng)而言, 其本身就是一個(gè)非線性、動(dòng)態(tài)特性不易被掌握、實(shí)時(shí)復(fù)雜的一個(gè)控制過(guò)程. 控制系統(tǒng)性能將更加穩(wěn)定可靠. 從理論上講, 模糊控制器的維數(shù)越高, 控制越精細(xì). 但是維數(shù)越高, 模糊控制規(guī)則變的越復(fù)雜, 控制算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)越困難[6—8]. 本文的模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 模糊控制系統(tǒng)框圖

圖2中輸入量是系統(tǒng)給定溫度的設(shè)定值, 輸出量為系統(tǒng)輸出的實(shí)際溫度, 過(guò)程量和是模糊控制器的輸入信號(hào), 過(guò)程量為模糊控制器輸出的控制信號(hào), 過(guò)程量、、為相對(duì)應(yīng)溫度的模糊量.

1.3 基于模糊邏輯控制的多重控制器方案研究

通常, PLC通過(guò)提取離散并簡(jiǎn)化的PID運(yùn)算公式中的必要參數(shù), 設(shè)置運(yùn)算回路表來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制. 雖然常規(guī)PID算法在一般控制任務(wù)中具有較好的效果, 但是卻難以滿足復(fù)雜控制任務(wù)的要求. 因此, 引入智能控制特別是模糊控制來(lái)提高PLC控制性能, 是PLC的發(fā)展趨勢(shì)之一. 雖然有PLC廠家推出了模糊控制模塊來(lái)增強(qiáng)PLC系統(tǒng)的控制能力, 但是這些系統(tǒng)存在著技術(shù)封閉、缺乏靈活性、通用性差、價(jià)格昂貴等不足. 而軟件方法實(shí)現(xiàn)模糊控制具有通用性好、靈活開放、成本低等優(yōu)點(diǎn). 因此, 研究PLC上軟件實(shí)現(xiàn)的通用模糊控制器具有實(shí)際意義. 軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制對(duì)PLC軟硬件性能要求較高, 隨著PLC性能提升、功能增強(qiáng), 已能滿足要求, 研究開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)PLC通用模糊控制器成為可能.

在本文中模糊控制是以軟件的方式實(shí)現(xiàn). 采用了基于IF-THEN(條件-結(jié)果)的產(chǎn)生式規(guī)則. 這種規(guī)則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于修改、易于掌握, 是目前模糊規(guī)則主要表示方法.

2 系統(tǒng)仿真

在本文中用三菱電機(jī)生產(chǎn)的小型PLC產(chǎn)品FX2N系列對(duì)發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真, FX2N系列是能夠在線對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試的一項(xiàng)產(chǎn)品.對(duì)FX2N系列PLC參數(shù)設(shè)置中的軟元件進(jìn)行設(shè)計(jì)見圖3, 基于模糊邏輯控制規(guī)則的PLC控制系統(tǒng)的梯形圖程序和對(duì)各個(gè)運(yùn)行步驟進(jìn)行仿真的結(jié)果見圖4至圖9.

圖3 FX參數(shù)設(shè)置中的軟元件設(shè)計(jì)

通過(guò)啟動(dòng)按鈕X0, 使初始狀態(tài)M1動(dòng)作, 接著通過(guò)判斷手動(dòng)/自動(dòng)按鈕是否關(guān)閉, YV1、YV6、急停按鈕是否關(guān)閉, 物位計(jì)量到位是否關(guān)閉, 決定是否啟動(dòng)真空泵. 真空泵運(yùn)行狀態(tài)見圖4.

圖4 真空泵運(yùn)行狀態(tài)

從吸料階段到稱量階段的放料過(guò)程仿真見圖5和圖6. 原料顆粒通過(guò)真空管從原料缸內(nèi)被吸入到吸料缸后, 便準(zhǔn)備好落入稱量缸, 此時(shí)要檢測(cè)稱量缸內(nèi)各閥門是否處于關(guān)閉狀態(tài), 且稱量缸是否準(zhǔn)備好, 若準(zhǔn)備好, 也用定時(shí)器延時(shí)了3 s再打開閥門, 確保動(dòng)作準(zhǔn)確, 不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作.

圖5 吸料階段

圖6 定時(shí)等待

首先通過(guò)PLC程序中發(fā)泡溫度選擇(見圖7), 選擇本次發(fā)泡所需的溫度檔位, 然后通過(guò)檢測(cè)溫度是否計(jì)量到位, 開始啟動(dòng)模糊控制器, 實(shí)現(xiàn)模糊控制溫度變化, 并同時(shí)啟動(dòng)變頻器和攪拌機(jī), 可以通過(guò)圖8看出攪拌機(jī)已動(dòng)作，攪拌機(jī)開始高速運(yùn)行, 進(jìn)行顆粒發(fā)泡而發(fā)泡階段則由圖9可示.

圖7 發(fā)泡溫度選擇

圖8 攪拌機(jī)動(dòng)作

圖9 發(fā)泡階段

檢測(cè)音叉是否計(jì)量到位, 若滿足情況, 則通過(guò)變頻器使攪拌機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn), 打開YV10使發(fā)泡好的顆粒被攪拌機(jī)送去料倉(cāng), 同時(shí)打開真空泵開始下一輪發(fā)泡準(zhǔn)備.

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 基于模糊邏輯控制的發(fā)泡機(jī)PLC控制系統(tǒng)基本能夠滿足控制要求, 但在傳感器檢測(cè)方面仍需要進(jìn)一步提高, 可用儀表界面來(lái)進(jìn)行控制, 但在系統(tǒng)各報(bào)警功能上尚缺乏更好的控制.

3 結(jié)論

將模糊控制與PLC控制相結(jié)合的雙重控制系統(tǒng), 可利用PLC軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制, 既保留了PLC的可靠、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn), 又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度. 應(yīng)用模糊邏輯控制規(guī)則的PLC控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 只要規(guī)則設(shè)置合理, 可以給系統(tǒng)提供更好的性能, 并縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期. 利用可編程序控制器和模糊控制器, 克服了人為的不穩(wěn)定因素.

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Fuzzy logic rules of dual controller in the control system based on the foaming machine

PENG Chen, LI XiaoFeng

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The existing foaming machine working principle, control method and the advantages and disadvantages were analyzed. According to the relay contactor control system and PLC control system consists of control system in the presence of low reliability, high labor intensity, upgrading the system deficiencies, the fuzzy control rules of the PLC control system.Rules of the system and structure werere analyzed and designed, the simulation shows that PLC computerized control system based on Fuzzy control can overcome the defects of the original system, meet the production process quality requirements.

spongy machine; fuzzy control; PLC

TP 391

1672-6146(2014)01-0053-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.01.012

通訊作者email: 108350759@qq.com.

2013-12-12

湖南文理學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)科研課題“智能控制在發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用”(JJZD1202)

(責(zé)任編校:劉剛毅)