模糊控制技术在破碎机自控系统中的应用

1 前言

在工矿企业中．破碎系统是一个常见的工艺环节、各种具有工序进行筛分处理。破碎机给料，一般采用人工调控闸门方式、这种调整方式存在的主要问题是操作人员需频繁操作，劳动强度大、而且难以实现对负载波动的实时有效控制，破碎系统工作效率低，对电气和机械设备的使用寿命也很不利。

目前电力拖动控制中较为先进的模糊控制技术，在国内已有成功的应用，取得了较好的效果。本文结合首钢矿业公司烧结厂破碎机采用的模糊控制系统，实现恒功率控制进行分析、论证。

2 控制系统总体方案论证

2.1 破碎系统工矿分析

烧结厂破碎系统的工作任务是：将来自原料系统（灰石等）各种物料由皮带运输机输送至料仓，料仓下设熔字号皮带给料机，向破碎机下料，物料在破碎机内部经过旋转破碎后经皮带输送至下一道工序，其工艺流程如图1所示。

熔字号皮带(熔l—熔4皮带)给料采用人工手动调整料仓下料口机械闸门开度的方式进行控制。

由于受外部供料条件的限制，原料系统上料成分变化较大，造成锤子负荷波动很大，表现在运行电流大幅度摆动．而且经常处于超载状态，影响电机及传动机械的正常运行，电机烧损故障时有发生。岗位操作难度很大，靠人工调节大法准确和动态的控制到最佳下料量，有时很长一段时间内被迫将闸门调至很小，负荷虽然是控制住了，但是下料量小，生产效率低下，常常无法满足供料需要，使下道丁序出现待科，延长了设备运转时间，浪费了能源。

以前，我们对机械传动部分进行了多次改进以及对上道工序物料的质量稳定方面也进行了仑效控制，有一定效果，但是仍不能从根本上解决问题，特别是从企业提高效益和提高科技水平的角度看，建立起科学有效的自动绪料控制系统，已成为一个发展的必然趋势。

2.2 不同控制方式的分析论证

从对电力拖动系统进行控制的角度看，控制给料量一般有三种方式可供选择、即人工控制方式、PID控制方式和模糊控制方式。

2.2.1 人工调整控制方式

此方式是烧结厂以前采用的方式，采用传统的调整给料闸门的方式近行控制点作岗位要随时根据现场负荷变化及时调整闸门开度，工人的劳动强度大，而且存在滞后现象。

2.2.2 PID控制方式

带有比例(P)、积分(I)和微分(D)控制的调节器，一般能实现有效的闭环控制，获得比较满意的控制效果。但是PID控制系统要求被控制对象要相对稳定，控制变量不宜过大，在不同的扰动下系统的输出值应能保持在给定值附近。但在破碎系统中，由丁负荷波动的频率和幅度均较大，这样被控对象的模型参数是一个随时变化且有随机扰动影响的过程，所以无法建立具体的自动控制模型．从现场条件和技术角度看，不具备府用的条件。

2.2.3 模糊逻辑拄制方式

模糊逻辑控制方式采用20世纪90年代模糊智能控制技术，是智能Fuzzy理论的发展，自20世纪60年代模糊理论的提出，至今已在自动控制、人工智能、图像识别、农作物培育等诸多领域得到广泛应用，特别是对那些非线性的、影响因素多、难以建立准确数学模型的复杂系统，有着无可比拟的优越性。

应用模糊理论，可将人工经验上升为数值运算，使以往凭操作者经验实现的手动控制，通过控制器来实现自动控制。模糊控制器的设计通过单片机根据输人信息，按照总结于手动控制的策略取得的语言控制进行推理，给出输出判断，并且将其转化为准确量反馈到控制对象，从而达到实时控制。这种控制过程可以不具备数学模型，把一个复杂的过程以语言形式定性描述，并实现对控制设备的可靠输出。

基于上述分析，我们不难发现模糊控制技术能够适应破碎机系统参数变化频繁以及调节量大的工况需要，可设定由理论和经验得来的最佳运行功率值。控制器呵根据模糊逻辑推理，追踪破碎机电机电流的变化，调节给料皮带转速，时时地改变下料量，使破碎机的工作电流控制在设定的最佳值附近，实现破碎机保持恒功率高效运行。

2.2.4 总体方案设计

决定破碎机电机保持恒功率使之处于理想范围下的关键是实时改善给料条件，调节皮带给料机的转速，从而调节下料量，控制破碎机运行电流。基于上述控制思路，采用模糊控制技术、设计出以下总体方案，如图2所示。

其基本工作方式是：根据破碎机电机主回路侧电流互感器采集的电流值，经霍尔变送器传人模糊控制器，经过模糊推理作出判断、并发出指令．给变频器输出信号、调镕皮带给料机的转速，这种采集一判断一输出一控制的过程在反复和连续不断地进行，使破碎机的工作始终保持在理想恒功率状态下。

此系统可实现如下功能：

(1)可根据生产需要和实际情况进行参数没定，模糊智能控制的结果是在保护电机及传动设备的前提下，可最大限度地提高设备利用率以提高生产效率；

(2)可设计具备多种联锁控制和保护功能，实现自动起停控制．可有效防止设备埋料、堵转等恶性故障的发生；

(3)设计了手动、自动给料方式，便于特殊情况下维持设备运行，及便于检修和其他操作；

(4)实现了控制智能化，操作简单，可靠性强，维护量很小。

3 系统组成及工作原理

从系统原理简图上．我们呵看出系统主要由以下几部分组成：

(1)破碎机电机的电流采集和转换部分、包括电机主凹路侧的电流互感器和霍尔变送器；

(2)模糊逻辑控制器；

(3)三相交流变频器；

(4)电机及现场附加控制部分。

以下对系统中主要元器件的工作原理进行分别说明。

3.1 霍尔变送器

霍尔变送器主要用于特检测到的电机负荷电流信号转换成模糊控制器可接受的标准毫安级电信号，霍尔变送器是利用霍尔元件的霍尔效应来进行工作的。所谓霍尔效应，即霍尔元件在电磁力的作用下，其内部的自由电子在磁场中运动受格伦兹力的作用，使电子向垂直于磁场和自由电子运动的方向移动，并在端面上产生电荷积累，而此时霍尔元件两侧会产生一个与控制电流J和磁场磁通5乘积成正比例的电势UH，其公式为：

单位电流、单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值，产生的电势叫霍尔电势。霍尔变迭器就是由霍尔元件组成的，具有在静止状态下感受磁场从而粮较大电流转换成一定的微电压信号的能力，其具有结构简单、频率响应宽、动态范围大、使用寿命长等特点．其原理如图3所示。

破碎机电机主回路侧的电流互感器二次侧电流范围是0-5A，而模糊控制器要求的输入电流为毫安级，根据霍尔变送器的规格标准选择型号为：LM型，变换比为1000∶1。

3.2 模糊逻辑控制器

设计一个Fuzzy模糊逻辑控制器，必须解决以下三个方面的问题：

(1)准确量的Fuzzy化，把语言变量的语言值转换为某适当的论域上的Fuzzy子集；

(2)Fuzzy控制算法的设计，通过一组Fuzzy条件语句构成控制规则、并计算控制规则决定的Fuzzy关系；

(3)输出信息的Fuzzy判断，完成由Fuzzy量到相确量的转化。所渭Fuzzy控制只是在所采用的控制方法上使用了Fuzzy即数学理论．但它所进行的完全是定性的工作。

但Fuzzy控制器的设计也存在—些有待解决的问题：如怎样更实用、有效地判别控制系统的稳定性，如何选取确定采样时间量化等级以及Fuzzy条件语条数的优化语控制规则的修正有无普通方法，如何规定所使用语言值的辞义的定义，如何减少对计算机储量的要求等等，还有待进一步的探索、研究和完善。

本系统具体应用时，考虑到破碎系统具有频繁的随机变化情况和较强的时滞特性、采用基本的Fu研控制器难以取得满意的控制效果，因此选择了通过测量、控制量校正和控制规则修正，实现在线修正和改善控制规则的智能模糊控制方案。

模糊控制器是本系统的核心部分，破碎机负荷及状态信号经过控制器模糊推理之后发出指令，传送到交流变频器控制其输出。

模糊控制器的控制结构，如图4所示。

原理说明：设W为当前设定值；en为当前误差；M1、M2为控制模式切换界面，M2＜M1。

(1)当误差｜en｜≥M1时，用二位式控制模式．只有当｜en｜≤M1时，才考虑其他特征值，并用相应的模式控制以减少动态过程时间；

(2)当误差M2≤｜en｜＜M1时，若误差有增大趋势或保持不变，应加上一个较大的统制量，以尽快纠正误差。如果此时误差具有收敛趋势，显然这个控制是合适的，应保持它。而控制量en改变的大小取决于历史数据对误差变化的速度等参数，根据这些数据进行在线推测，以得到相应的控制规则；

(3)当｜en｜＜M2此时，系统误差很小，控制量应谨慎，因为此时控制对象已趋于设定位并正在稳定下降，这时只能在原来的控制值上加一个很小的纠正量，以便逐渐趋于设定值，特别是误差收敛时，还应及时尽早减少控制量，在规则中应保持模式参数来控制该提前量的大小。

3.3 变额器

变频控制技术是目前交流异步电动机调速控制中一种较先进和值得推广的一项技术。变频器通过改变电机的输人频率，来实现对交流异步电动机的无极调速，对其工作原理在此不作过多的论述。破碎机上料系统皮带电机采用了变频调速控制，变频器选用的是日本东芝生产的VF—A5系列变频器，型号为VF—A5—4055P。

4 系统具体实现功能

本系统中破碎机主电机的额定电流为46A，额定电压为6kv，功率380kw。根据实际情况，取定的设定值为42A，第一上限值为37A，第二上限值为48A，下限报警值为34A。

4.1 控制器的主要控制功能

破碎机的负荷调节：在控制器上可通过键盘设定最优负荷电流值(设定值)、负荷电流上限(第一、第二两级)报警值和下限报警使。

(1)在正常情况下(报警值以内)，当破碎机在一段时间的平均负荷低于设定值时，使给料电机加速，反之则使电机减速；

(2)当破碎机在一段时间的平均负荷高于第一上限报警时，给料电机减速至低于报警值的10％消除报警，破碎机连续超出第一上限值达8s时使给料电机急剧阵至当前速度的50％，当连续超出第一上限值达12s时，给料电机速度急降至零；

(3)一旦破碎机的平均负荷高于第二上限报警值时，使给料电机速度急降至零，直至负荷降至低于第一上限报警值的10％时，给料电机方可加速，连续超过第二上限值达8s时全系统停机。

4.2 联锁功能

控制器与主电机设计有联锁启动功能，即只有当主电机正常工作信号到达控制器，才能启动给料电机，正常运行中一旦得到主电动机故障信号、立即停止给料，防止事故进一步扩大。

4.3 机旁停机

在日常巡捡时，若发现进料中有异物或其他紧急情况，会对人身和设备造成不良后果时，可进行机旁停机，模糊控制器停止工作，给料机随之停机。

5 系统总体调试

系统安装全部完成后，在正式投人生产前，需要对系统的功能和工作过程进行全面调试，检验系统是否按要求正常工作。

5.1 系统调试工作过程和摄作步骤

系统调试工作过程和操作步骤如下：

(1)检查控制柜上元件及仪表接线是否正确，检查破碎机电机互感器电流端子回路是否连接可靠；

(2)合上控制器电源开关，相应的指示灯亮；

(3)将选择开关打到自动位置，将控制器的给料开关合上，系统进人工作准备状态；

(4)启动破碎机电机及以下流程联锁皮带，可由电气联锁集中控制方式进行；

(5)控制器得到联锁起车指令后，立即进入工作状态，控制给料电机开始运转，并进人自动控制状态；

(6)停机时可由集中控制实现，也可按操作箱上停机按钮，并将选择开关打至零位；

(7)当采用手动控制即选择开关打至手动位置时，模糊控制器停止工作，由手动进行开停机和调速控制；

(8)当操作系统断电、破碎机故障停机或破碎机电流过小系统判断为主机联轴节脱开等情况发生时，控制器进行保护性停机。

5.2 系统调试

前面我们已经对系统的控制功能进行了介绍，在系统调试过程中要进一步确认控制功能是否完全满足预设的控制给料电机的调速规则。我们采用人为形成负荷波动即人为变化料仓闸门开度的方法，实际观察并检验了系统对给料电机的速度调节情况和主电机电流变化情况。

(1)使全系统进入自动工作状态，并开始下料；

(2)调节料仓闸门开口度的大小，增大开口度，使主电机电流增加，观察给料电机速度及主电机电流的变化；

(3)继续加大闸门开口度，使破碎机电机电流增大，观察给料电机速度是否急剧下降，以及主电机电流的变化；

(4)继续加大闸门开口度，使破碎机电机电流快速达到47A以上，观察给料电机是否停止运行；

(5)减小闸门的开口度，使破碎机电机工作电流小于42A，观察给料电机运行速度及主电机电流变化情况。

如上述每一步调试过程中，与预定的规则不符，则需检查硬件和软件系统存在的问题，如发现破碎机生产效率比人工调节时低，可适当调整设定值、如果破碎机运行到上限值时发生了压料、堵转等现象，则需适当调低上限电流值，上述调整可通过模彻控制器的操作铤盘来实现。

通过现场实际运行调试，确认好最优负荷电流值(设定值)、负荷电流上限(第一、第二两级)报警值和下限报警值后，即可将整个控制系统投入自动运行状态，使破碎机保持恒功率高效稳定运行。

6 结语

该控制系统已成功应用在首钢矿业公司烧结厂4台锤式破碎机给料控制中，效果显著，一方面使破碎机一直满负荷高效运行，大大节约了电能消耗；另一方面又避免了电机过负荷运转，降低了电机烧损故障的发生，具有广泛的推广应用价值。