陳仁祥,邱天然,劉建剛,潘流平

(1.重慶交通大學 交通工程應用機器人重慶市工程實驗室, 重慶 400074;2.貴陽市智能制造技術(shù)研究院, 貴陽 550000)

0 引言

鋁及鋁合金因密度小、比強度高、耐腐蝕、易加工成形等優(yōu)點,被廣泛應用于航空航天、建筑交通、電子通信和國防軍工等領域[1]。鋁產(chǎn)業(yè)是材料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[2]。鋁液溫度為660.4 ℃,在鋁板生產(chǎn)過程中,須保持高溫鋁液液面穩(wěn)定,才能安全地生產(chǎn)出高質(zhì)量鋁板。在傳統(tǒng)鋁板生產(chǎn)中,依靠人工觀察浮標判斷液面情況并進行手動調(diào)節(jié),實時性差,且需要依靠經(jīng)驗,還存在危險性。因此,實現(xiàn)自動鋁液控流十分必要。

國內(nèi)外鋁液控制設備中多采用傳統(tǒng)PID控制。但因熔爐壓強具有時變性、滯后性,難以建立精確的數(shù)學模型,PID控制效果往往難以滿足要求。黃卓超等[3]用粒子群算法整定PID參數(shù),對PID算法進行改進,使超調(diào)減小、響應速度變快。劉曄等[4]提出預估器和專家規(guī)則整定PID參數(shù)的方法,提高了調(diào)節(jié)精度。這些方法控制效果良好,但難以適應動態(tài)變化的模型特性。相關(guān)學者[5-8]提出用模糊PID控制流量,控制效果良好。但模糊規(guī)則依賴經(jīng)驗,受主觀因素影響大,缺乏自學習能力。

針對上述問題,設計鋁液液面控制系統(tǒng),提出自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的控制策略,該策略既具備良好的控制調(diào)節(jié)能力,又具備自適應和學習能力,在對比測試中控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。同時設計合理的機械結(jié)構(gòu),通過PLC控制,使控制系統(tǒng)能夠精確控制高溫鋁液液面。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件選擇

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

融化鋁液儲存在熔爐中,通過鋁液流出口,流入溶液槽。在調(diào)節(jié)時,PLC控制電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,通過減速機,帶動執(zhí)行裝置,控制控流釬調(diào)節(jié)鋁液流出口大小,對鋁液流量進行控制。對該設備的機械結(jié)構(gòu)進行設計,包括控流釬、圓周動力輸出組、控流釬快速夾緊機構(gòu)和激光液位監(jiān)測機構(gòu)。設備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.控制系統(tǒng),2.鑄鋁溶液槽,3.鋁溶液,4.控流釬,5.控流釬快速夾緊機構(gòu),6.圓周動力輸出組,7.激光液位監(jiān)測機構(gòu),8.熔爐墻及熔爐

設計可調(diào)懸架把激光測距儀器置于鋁液槽正上方。控流釬快速夾緊裝置可實現(xiàn)控流釬與圓周動力輸出組的快速拆裝,為設備維護和調(diào)試提供便捷。

液面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。設備啟動后,由PLC接收液位情況,并把液位信息實時顯示在組態(tài)屏上[9],在組態(tài)屏中設置了對應按鈕,可以通過手動和自動2種方式對液面高度進行調(diào)節(jié)。

圖2 液面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件選擇

PLC控制器。通過分析設備控制需求、輸入輸出信號的種類、數(shù)量,綜合考慮經(jīng)濟性和穩(wěn)定性等因素,選擇西門子1200系列PLC。在本設備中,PLC控制模塊型號為S7-1212DC/DC/DC,該PLC具有運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)外形緊湊、處理高效等特點,可適應40～50 ℃的工作環(huán)境,同時額外配有CM 1241信號接收模塊,用于接收RS485通信數(shù)據(jù)。PLC編程使用了博圖V15軟件對設備的PLC程序進行設計和編寫。程序負責處理設備信號以及控制設備的運作流程。

傳感器。在鋁液加工槽上方,設置激光測距單元,該單元可以測出鋁液當前的液位情況,數(shù)據(jù)信息通過RS485通訊,傳輸?shù)絇LC的接收模塊,在輸入程序中進行液位情況監(jiān)控。設備還配有接近開關(guān),接近開關(guān)負責發(fā)送控流釬到達正負限位的信號給PLC,方便系統(tǒng)程序判斷控流釬的位置。

HMI組態(tài)屏。使用了MT8102iE,在實現(xiàn)人機交互的過程中,組態(tài)屏在鋁液生產(chǎn)現(xiàn)場的抗干擾性和耐高溫性相對于計算機控制系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢[10]。方便使用者更好地對液面情況進行監(jiān)控和對設備動作進行控制。

供電與散熱。設備配有UPS電源。在停電情況下,還可以持續(xù)給設備供電1 h左右。同時工作環(huán)境溫度較高,電器柜配有2臺散熱風扇,保證工作溫度良好。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 PLC與人機交互系統(tǒng)設計

PLC的控制程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)的控制包括組態(tài)屏和PLC程序。組態(tài)屏通過Modbus TCP/IP以太網(wǎng)與PLC通訊,直接訪問PLC寄存器中的變量[11]。通過點擊組態(tài)屏上按鈕,可以對系統(tǒng)進行操控和管理。

圖3 PLC控制程序流程框圖

在手動模式調(diào)節(jié)過程中,現(xiàn)場操作人員可以實時監(jiān)控當前鋁液的液位情況。通過點擊組態(tài)屏上的按鈕,可直接對控流釬位置進行調(diào)節(jié)。在自動模式調(diào)節(jié)過程中,如果熔爐中鋁液存量過少,自動液面控制過程中液面持續(xù)過低。PLC程序會檢測到并且報警,驅(qū)動報警器蜂鳴并且亮紅燈,提示生產(chǎn)現(xiàn)場工人熔爐中鋁液存量異常[12]。另外,程序?qū)νㄓ崰顟B(tài)異常、電機狀態(tài)異常等情況設置了自查功能,一旦出現(xiàn)異常情況,程序便會報警提醒,增加了設備可靠性。組態(tài)屏界面如圖4所示。

圖4 人機交互界面

設備的I/O點位匯總?cè)绫?所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O分配

在鋁板生產(chǎn)過程中,如停電,鋁板生產(chǎn)線會停止工作,但鑄鋁溶液槽中的鋁液還在不斷外流,如果不及時處理,高溫鋁液會溢出鋁溶液槽,從而引發(fā)危險。為解決這個問題,加裝UPS電源,該電源具有蓄電功能,在停電的瞬間,轉(zhuǎn)為UPS電源供電,此時PLC接到停電信號后,驅(qū)動電機反向運動,直到控流釬把熔爐口堵死,使流量減小到最低。這樣最大程度上保證了停電后的生產(chǎn)安全問題。

2.2 ANFIS-PID控制器設計

自適應模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)將模糊推理系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合。該算法根據(jù)輸入輸出信息提取模糊規(guī)則,從而獲得更合適的隸屬度函數(shù)。自適應模糊推理系統(tǒng)具有依據(jù)經(jīng)驗獲得更好控制效果的優(yōu)勢,并具有神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力[13]。因此,采用ANFIS方法,實現(xiàn)對PID參數(shù)的自動調(diào)節(jié),使控制的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)速度得到提高。設計的ANFIS-PID控制器結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 ANFIS-PID結(jié)構(gòu)原理圖

設計的ANFIS結(jié)構(gòu)有5層,結(jié)構(gòu)的輸入為誤差e及其變化率ec,第1層計算隸屬度,其表達式為

(1)

式中:x為輸入變量;i為輸入變量的數(shù)量;j為模糊變量的個數(shù);hij(xi)為輸入變量對應的模糊變量值;h為模糊變量值;cij為高斯函數(shù)的中心值;σij為高斯函數(shù)的寬度。

第2層用于模糊推理層每個節(jié)點表示模糊規(guī)則庫中的一條規(guī)則,該層可以確定每個模糊規(guī)則的適應情況,用于進行模糊規(guī)則的匹配[14]。

wk=hij(x1)hij(x2)hij(x3)hij(x4)

(2)

式中,wk為第k個節(jié)點的權(quán)重參數(shù)。

第3層用于將各個節(jié)點的模糊規(guī)則的觸發(fā)強度歸一化。該層的節(jié)點數(shù)與上層相同。

(3)

第4層用于得到每個規(guī)則的輸出。

(4)

第5層用于解模糊后最后計算系統(tǒng)的總輸出。

(5)

ANFIS網(wǎng)絡的經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 ANFIS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)仿真與測試

3.1 Matlab仿真實驗

為驗證ANFIS-PID控制器的有效性,在Matlab中搭建Simulink聯(lián)合仿真模型進行仿真。首先建立被控對象的數(shù)學模型。工業(yè)過程控制中,連續(xù)變化的參數(shù)可簡化為一階慣性純滯后的數(shù)學模型來描述,傳遞函數(shù)模型簡化表示為:

(6)

式中:k為系統(tǒng)增益;T為系統(tǒng)時間常數(shù);τ為延遲時間;s為傳遞函數(shù)中的變量。

記錄調(diào)節(jié)過程中液面高度數(shù)據(jù)與控制器輸出數(shù)據(jù),導入Matlab系統(tǒng)辨識工具箱,得到該控制模型近似傳遞函數(shù)為:

(7)

根據(jù)ANFIS結(jié)構(gòu)與傳遞函數(shù),創(chuàng)建基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 Simulink仿真模型

模型給定階躍信號,采用傳統(tǒng)PID、線性自抗擾控制(LADRC)、ANFIS-PID模型分別進行仿真,仿真結(jié)果如圖8所示。曲線調(diào)節(jié)至目標值且后續(xù)調(diào)節(jié)中偏離目標值均小于0.1時,可認為調(diào)節(jié)完成,以此為調(diào)節(jié)時間。控制方法的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果分析

該模型相較于實際模型,調(diào)節(jié)時所用方法一致。實際調(diào)節(jié)過程中,鋁液液面影響因素更加復雜,但該仿真模型可以較為準確模擬實際模型的調(diào)節(jié)過程。結(jié)果顯示ANFIS-PID方法在調(diào)節(jié)過程中峰值為1.046,超調(diào)量為4.6%,上升時間為27 s,均小于傳統(tǒng)PID方法與LADRC方法。ANFIS-PID調(diào)節(jié)至穩(wěn)定所用時間為40 s,與LADRC方法相同且小于傳統(tǒng)PID控制方法。

仿真結(jié)果顯示,ANFIS-PID控制方法曲線更平滑,峰值、超調(diào)量、上升時間在3種方法中最小,調(diào)節(jié)時間與LADRC方法相同,調(diào)節(jié)精度有所提高。由此可見,ANFIS-PID算法總體控制效果最好。

圖8 階躍響應曲線

3.2 液面控制實驗

為進一步驗證控制算法的合理性,在生產(chǎn)過程中分別采用傳統(tǒng)PID與ANFIS-PID方法對高溫鋁液液面進行調(diào)節(jié)。由于實驗條件限制,在仿真測試中對比的LADRC方法未參與液面控制實驗。圖9為測試現(xiàn)場以及生產(chǎn)現(xiàn)場情況圖。

圖9 測試及生產(chǎn)現(xiàn)場圖

為保證正常生產(chǎn),液面從開始調(diào)節(jié)到液面穩(wěn)定在目標高度所耗時間不宜過長,且須保證2種控制方法測試初值相同,所以在測試前將液位調(diào)節(jié)到接近目標液位附近。將液面高度用手動模式調(diào)節(jié)到9.0 cm,穩(wěn)定30 s后。將目標液面高度設置為12.10 cm,開啟自動調(diào)節(jié)模式后開始測試。分別使用2種調(diào)節(jié)算法進行測試,測試時間設定為 110 s,測試結(jié)果如圖10所示。結(jié)果曲線調(diào)節(jié)至目標值且后續(xù)調(diào)節(jié)中偏離目標值均小于0.1 cm時,可認為調(diào)節(jié)完成,以此為調(diào)節(jié)時間。

圖10 液面調(diào)節(jié)曲線

觀察圖10可知,普通PID控制在調(diào)節(jié)過程超調(diào)量較大。液位峰值上升到12.64 cm,超調(diào)量達到了4.46%,且較難達到穩(wěn)定狀態(tài)。

傳統(tǒng)PID算法上升時間為40 s,液面穩(wěn)定在目標高度所用時間為85 s。而超調(diào)量過大和調(diào)節(jié)時間過長會導致液面長時間處在不適合生產(chǎn)的位置。可能導致產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至出現(xiàn)廢品,采用ANFIS-PID后,超調(diào)量下降為2.39%,且上升時間縮短5 s,高溫鋁液液面高度穩(wěn)定在目標液面高度所用時間縮短35 s。液面調(diào)節(jié)情況如表3所示。

表3 鋁液液面調(diào)節(jié)結(jié)果分析

實驗表明,在傳統(tǒng)PID控制下,超調(diào)量較大且調(diào)節(jié)所需時間長,當采用ANFIS-PID控制時,調(diào)節(jié)峰值較小,超調(diào)量下降且上升時間、調(diào)節(jié)時間明顯縮短,證明該高溫鋁液液面控制系統(tǒng)能快速有效地對鋁液液面進行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

提出ANFIS-PID高溫鋁液液面控制方法,并對控制系統(tǒng)進行設計,通過仿真實驗和現(xiàn)場實驗結(jié)果表明,提出的ANFIS-PID控制方法對比傳統(tǒng)PID控制方法,穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)速度提升。同時,針對現(xiàn)場生產(chǎn)流程,合理設計機械結(jié)構(gòu)及人機交互模塊?？刂葡到y(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場使用情況良好,進一步證明了該系統(tǒng)的合理性。