（测试计量技术及仪器专业论文）汽车采制样机监控系统的应用研究.pdf

摘要 汽车采制样机监控系统的应用研究 作者简介：马厚雪，男，1 9 7 7 年6 月生，2 0 0 4 年从师于李宏穆副教授，于2 0 0 7 年6 月毕业于成都理工大学核技术及自动化工程学院测试技术技术及仪器专 业。 摘要 本文首先介绍了火力发电厂中的入场煤汽车采制样机的产生背景和应用 意义。结合四川叙永煤业有限公司的汽车采制样项目，对原有的采样产品进行 了分析和改进，分析了汽车采制机采样部分的运动规律，并找出了相对运动关 系。并对当今智能控制算法中的热门领域模糊和神经控制进行了探讨，介绍了 模糊控制理论，及其在控制领域中的应用，介绍了神经网络控制理论，及其的 控制领域中的应用；特别地结合经典的p i d 算法，在回转定位控制中介绍了模 糊p i d 控制和神经网络p i d 控制的思路、模型。详细介绍了汽车采制样机的组 成及工作原理，并给出工作原理示意图，工作流程图。概括了采制样机电气系 统的总体方案设计，讲述了采制样机电控系统，p l c 控制系统，并给出了p l c 与工控机通讯的实现代码，并且这部分代码被写成一个独立的单元文件，其它 应用程序可以直接调用。最后详细介绍了上位机监控系统控制界面设计，读卡 器程序设计，视频采集卡程序设计。此外，文中对本系统整体的设计思想和一 些关键的技术以及所获得的经验都进行了介绍和讨论。本设计中综合运用了工 控机、可编程控制器( p l c ) 、读卡器等控制部件，所做的研究和开发工作对同 类设备以及一般的工业控制都有参考价值。 关键词：采制样机p i d 控制p l c 运动控制d e l p h i 远程监 成都理工大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns t u d yo ns u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o r v e h i c l es a m p l i n gm a c h i n e a u t h o ri n t r o d u c t i o n ：h o u x u e m a ，w a sb o r no nj u n ，1 9 7 7 u n d e rt h eg u i d a n c eo f p r o f h o n g m u l i ，t h ea u t h o rw a sg r a d u a t e df r o mc o l l e g eo fa p p l i e dn u c l e a r t e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne n g i n e e r i n ga tc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb i r t hb a c k g r o u n da n dt h es e n s eo ft h ec o a l s a m p l i n gm a c h i n e f o rp o w e rp l a n t s a n a l y s e sa n di m p r o v e m e n t st h eo l dp r o d u c t s p e r f o r m a n c e st h r o u g hf u l t m lt h ep r o j e c to fv e h i c l es a m p l i n gm a c h i n ef o rs i c h u a n x u y o n gc o a lc o m p a n y a n a l y s e st h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es a m p l i n gp a r to f t h em a c h i n e ，a n df i n do u tt h er e l a t i v em o t i o nr e l a t i o n s h i p a n dd i s c u s e st h ef u z z t h e o r ya n di t su s ei nc o n t r o ls y s t e m ，d i s c u s st h en e u r a ln e tw o r kt h e o r ya n di t su s e i nc o n t r o ls y s t e m ，a n ds p e c i a l l yi n t r o d u c et h ef u z zp i da n dn e u r a ln e tw o r kp i d m e t h o da n dm o d e l st o g e t h e rw i t ht h ec l a s s i c a lp i dc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h e p a p e rg e n e r a l i z e st h es t u d yo ft h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls y s t e m si nb r i e f t h e n i n t r o d u c et h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma n dp l cc o n t r o ls y s t e mo ft h es a m p l i n g m a c h i n ei nd e t a i l ，a n dg i v e st h ea v a i l a b l ec o d ef o rc o m m u n i c a t ep l cw i t hi n d u s t r y c o m p u t e rb e c a u s et h e s ec o d ei sd e s i g n e di no n es e p a r a t et i l e a tl a s ti n t r o d u c et h e i n t e r f a c eo ft h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o g r a md e s i g nf o ri cc a r da n df o r v i d e oc o l l e c t i o n i na d d i t i o n , t h ep a p e ri n t r o d u c e sa n dd i s c u s s e st h ew h o l ed e s i g n i d e a , k e yt e c h n i q u e sa n dt h ee x p e r i e n c eo b t a i n e di nt h ep r o c e s s t h i sd e s i g n i n t e g r a t e ss o m em o d e mc o n t r o ld e v i c e s ，s u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , p l c ， i cc a r dr e a d e r , v i d e oc o l l e c t i o n a 1 lo ft h e s ea r eo fs o m er e f e r e n c ev a l u et ot h e d e s i g no f r e l a t i v em a c h i n e sa n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：s a m p l i n gm a c h i n e ，p i dc o n t r o l ，p l cm o t i o nc o n t r o l ，d e l p h i ， r e m o t es u p e r v i s e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：。 垫尹 名掣 学位论文作者签名：勺压亏 i 7 年岁旯西b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛叠堡工盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权盛签垄王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：朋留 年矿月) 丁日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车采制样机产生的背景 在大型火力发电厂中，每天都要消耗大量的煤用来发电，通常情况下这些 煤是用火车或汽车从各个煤矿运来，其特点是来源杂，分布广；而且即使是同 一煤矿运来的煤，也不能保证它们的发热量等参数完全相同，因此煤质的差异 很大；再加上经常出现个别煤炭经销商出于经济利益而向煤炭中掺杂虚假的行 为，按规定，各个火力发电厂都要对进厂的商品煤进行抽样检测，以此判断煤 质的优劣，并作为定价的依据。 尤其是近几年来，随着国家宏观经济政策的调整，煤炭作为燃煤发电厂最 主要的原材料之一，其价格一直居高不下，因此，燃煤的经济性成了国内各火 力发电厂的重点考核指标。现代燃煤电厂往往由多个供应商供应全厂的各种用 煤，而且，供应商多数采用汽车进煤。精确的确定煤的发热量、水份、灰份和 其他杂质尤其重要，因为即使是很小的差别也有可能在一段时间内造成很大的 损失。为了考评燃煤经济性，对入厂煤进行采样后以质论价几乎成了所有厂家 的最常用的控制措施。 现行的国家标准g b 4 7 5 1 9 9 6 商品煤样采取方法中详细规定了各种情况 下商品煤子样抽取的数目、子样的分布以及子样重量等一系列参数，为正确评 价煤的品质提供了科学的依据，现行抽样检测的方法都以该标准为准。 但现在大多数电厂中，煤样的抽取还主要是依靠人力，爬到车厢上一铲一 铲地去挖，既费时费力，又不能保证煤样选取的准确性，甚至还可能发生弄虚 作假的现象，这样不但影响了电厂的正常运行，而且很有可能损害电厂的经济 利益。所以，为实现煤炭取样的自动化以及增加透明度和可信度，降低劳动强 度，提高工作效率，因此这样一种能自动采煤，制样煤的汽车采制样机的要求 应用而生。目前国内的一些厂商开始纷纷加入研制此类设备的行列，且市场上 已有些成品出现。 1 2 采制样机系统简介及国内外发展现状 汽车采制样机是安装在入厂煤进厂通道旁边的专用采制样设备，它可以转 动塔臂使采样器自如的对到位的汽车载煤进行采样，并可随机选择采点，进行 全断面采取煤样，同时对采取的煤样进行自动缩分得到要求的煤样量“1 。 汽车采样装置一般分为塔式、升降式、吊臂式、桥式，应用最广泛的是塔 式汽车采样装置。塔臂式汽车采制样机由可调整的螺旋钻取式采样装置、给料 机、破碎机、缩分器、子样收集器、电气控制系统、余料返回装置等组成。其 工作过程如下： 成都理工大学硕士学位论文 当来煤汽车停稳后，人工启动采样系统的后级设备。操作员操纵大臂行进 到采样点的上方，升降机构向下推动螺旋钻进入车厢内的煤层进行采样，钻取 完样品后升降机构向上推动螺旋钻运彳亍；当螺旋钻提升到最高位时，此时操作 员可选取下一个采样点继续进行采样。当所需采样的点全部采取完成后，操作 采样头返回卸煤斗处卸煤。煤斗卸下的样品进入初级给煤机，由初级给煤机均 匀的将煤送入破碎机。为了防止样品在破碎机入口处堵塞，由疏通器定时动作， 以疏通进口溜槽。破碎后的样品进入往复式缩分器，由缩分器缩分缸往复运动 缩分取样，缩分得到的样器进入样品收集器装罐，这就是缩分的过程。其余的 煤进入到余煤返回系统。 1 2 1 国外发展现状 早在6 0 年代中期，美国即开展了煤炭生产及燃煤系统的采样研究。在制定 煤质标准的同时，对其采样方法、工具及煤的分析仪器也作了相应规定。 美国江比朗公司的入场煤采制样系统，为美国政府所认可，成为美国当今 煤炭生产，销售( 包括煤炭出口、国际商检s g s 等) 中的成熟定型装备，远销世 界2 0 多个国家和地区。目前，已累计生产3 0 0 多台套，经受了广泛的考验并获 得赞誉。 中国进口的第一台采样机是秦皇岛商检局于1 9 8 3 年从美国拉齐姆公司引 进的，它是按照i s o 的采样标准进行设计的，其整机是一种在落料处往复流槽 式的采样系统，具有定量采样和定时采样两种模式，由于定量采样等采样中的 各环节都需根据煤流的变化随时调整运行速度，所以系统设置比较复杂。 日照港和连云港商检局的采样机也是从美国拉齐姆公司分别于1 9 8 6 年和 1 9 8 7 年引进的，其机械结构几乎与秦皇岛港的完全相同，但黄岛港于1 9 9 4 年从 美国拉齐姆公司引进的采样系统由于增加了煤炭粒度的自动筛分功能。 秦皇岛煤四期工程的商检煤炭采制样系统则是由德国西伯公司 ( s i e b t e c h n i e ) 总承包引进的。于1 9 9 8 年投入使用。该采制样系统是按照最新 国际标准，在优化了整个采制样工艺流程的基础上生产的。其采样精度达到了 国际标准的要求。该采制样系统由包括装船采制样系统和卸车采制样系统2 大 部分，可分别在煤炭的装船和卸车过程中实施对煤样的采集和制备。 湖北青山电厂引进的是美国的p s i 螺旋煤样取样系统，丹东华能电厂采用 澳大利亚m c i 的全元素在线分析系统等。 总的说来进口设备功能较完善，先进可靠，但是也有其不足之处。首先进 口设备的功能设置一般按其自己国内功能需要而设计，往往不能很好地满足国 内的特殊需求，国外的采样设备存在功能多、造价昂贵、使用后浪费大量功能、 容易形成大马拉小车等弊端，尤其是其高昂的售价，也令一般电厂难以承受。 2 第1 章绪论 1 2 2 国内发展现状 目前国内自行设计的车辆采样装置主要分为龙门式和悬臂式两种，且国内 专利仅有两家。通过对多个厂家的考察，发现我国自制的采样装置普遍存在采 样深度不够，从而造成煤样含水量指标检测不准的缺陷“1 。 浙江某公司生产的b m c i i i 型摆臂式采制样机主要存在采样深度不够，存 在采样死角，破碎机振动过大，集样器的转盘感应器不灵敏，有时会空采和混 采。 湖南某公司生产的5 e c y q 型锥爪式采样机主要问题如下：采样头被大矸 石夹住，致使钢爪合不拢。 国内还有一些塔式取样机，取样时取样头需随同联接其的框架或横梁一起 上下运动，框架或横梁在上下运动时其外形与车辆冲突，影响了取样深度，出料 时需反转螺旋叶片从下端入口处出料，取样过程复杂，取样周期长、精度低，不 能连续取样。 如由黑色冶金设计院经过十几年的时间研制开发的商品煤采样机，前几年 曾在海勃湾和淮南等矿区使用过，但由于国内自行研制开发的一些采样机多半 因设计水平低或材质不过关，往往使用不了多长时问就需进行修理，因这种种 原因而没有在国内得到推广。 当然国内也有一些厂家的产品在不同的方面具有自己的特色。如：常州华 源电力技术开发有限公司的原煤自动采制样装置是针对燃煤电厂对控制入厂 煤的质量而研发的产品，可保证采样数据准确性，满足商业结算或正平衡计算 发电煤耗的要求。 江苏苏源电力装备有限公司研制的原煤自动采制样装置可分为：火车式采 制样装置、皮带式中部采制样装置以及塔架式汽车采制样装置三大类。 青岛三能电力设备有限公司开发研制的汽车车载式商品煤采样机，具有国 外同样产品，所不能适应我国电力系统不同煤种、多式煤块煤料采样、冰冻煤 破冰采样、不同煤样一条龙取样、输送、形成子样的多种特殊功能，它的问世， 解决了我国电力系统常年来在商品煤煤样复杂、地域环境多变等取样方面存在 的诸多难题，为我国煤炭、冶金、港口、电力等行业今后更好地采纳、购买高 品质的商品煤提供了一流的技术保障。 综上所述，国内市场上也有了一些成品出现，但总的来说都不十分令人满 意。在这些产品中，有的机械结构不合理，有的电气系统可靠性不高，或者是 功能不够完善。如果能够开发出适合国内电厂生产需求的，具有较高的可靠性 和适应性以及价格适中的煤炭取样设备，那将大大减轻电厂在煤炭取样上的工 作量，为准确评价煤的品质提供可靠的依据。并以可以替代进口设备。 成都理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究的内容和意义 本课题来源于徐州三原技术产业有限公司为四川叙永煤业有限公司设计 生产的汽车采制样机项目。由于原有设备主要是通过人工操作来完成采制样 的，采煤深度，采煤点数均是通过操作员根据现场情况人为选择的开环控制， 自动化程度不高，同时也没有远程监控系统，难以满足客户的使用要求。本文 就是在其要实现的功能基础上，分析采样头的运动规律，利用p i d 算法实现回 转定位控制；实现采样头的垂直向下运动，保证全断面子样的采集；同时，由 于原系统没有远程监控功能及读卡器功能故本设计中结合合同要求，增加了远 程监控系统设计及读卡器系统设计。本文主要内容如下： 1 分析螺旋采样头的垂直进给运动的轨迹，它是变幅与伸缩臂运动的合 成，通过分析它们之间的运动关系，并给出相应的控制算法，按照这种算法我 们就能实现垂直方向的运动，从而就能得到全断面的子样。 2 给出了模糊p i d 及神经网络p i d 控制的模型，利用过程控制领域的常 规p i d 控制算法实现了回转倒料自动控制。 3 完成电气控制部分电路设计，给出控制流程，完成可编程程序控制设 计，包括i o 口分配，串口通讯设置及实现。 4 利用m s c o m b l 控件实现了p l c 、p c 和视频采集读卡器之间的通讯，实现 了基于d e l p h i 上位机的监控应用系统；通过p c 来控制p l c ，实现自动控制。 本文针对目前汽车采样控制系统广泛采用目测手动、半自动的现状， 主要研究了基于p l c 运动控制器在两个相关运动协调控制方案中的应用，其基 本思想是分析变幅运动与大臂伸缩运动的规律，找出其运动的规律，然后利用 p l c 运动控制器去实现这种运动。最终使采样头垂直下降运动得以保证；并且 在这一过程中，充分利用p l c 与工业p c 的通讯功能，外接视频采集卡，完成 现场信号采集、工业p c 监视，基于d e l p h i 的上位机控制程序，对下位机p l c 运动控制器的控制。本项目在设计时所有关键部分采用的模块化设计思想，其 设计的成果也可以为其它类似的工业应用所借鉴。 4 第2 章模糊控制神经网络控制理论 第2 章模糊控制及神经网络控制理论 2 1 模糊控制理论基础及其应用 2 1 1 模糊集理论的产生与发展 美国教授查德1 9 6 5 年首先提出了模糊集合的概念，由此开创了模糊数学 及其应用的新纪元。模糊控制是模糊集理论应用的一个重要方面。1 9 7 4 年英 国教授马丹尼首先将模糊集合理论应用于加热器的控制，其后出现了许多应用 的例子，并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。模糊控制在一定程度上 模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型，因此是一种智能控制方法。 对大多数系统而言，其主要且重要的信息来源有两种：提供测量数据的 传感器和提供系统性能描述的专家。我们称来自传感器的信息为数据信息，来 自专家的信息为语言信息。数据信息常用数字来表示，而语言信息则用诸如 “大”、“小”、“中等”等文字来表达。传统的控制方法只能利用数据信息而无 法使用语言信息。然而，大家知道，人类在解决问题时所使用的大量知识是经 验性的，它们通常是用语言信息来描述的。因此，必须建立起一整套全新的方 法来充分利用语言信息和数据信息，从而达到更好地解决应用问题的目的。 模糊集理论为人类提供了能充分利用语言信息和数据信息的有效工具。 语言信息通常呈现经验性，是模糊的，其原因大致有三个： ( 1 ) 人们发现用模糊术语交流和表达知识既方便又有效； ( 2 ) 人们对许多问题的认识在本质上是模糊的； ( 3 ) 许多实际的应用系统通常很难用准确的术语来进行描述。例如“温度 很高”、“响应较快”等。虽然描述系统的语言信息未必十分准确，但却提供了 系统的重要信息，有时甚至是了解系统的唯一重要的信息来源。因此，我们很 有必要利用这些模糊信息。 8 0 年代以来，自动控制系统被控对象的复杂化，它不仅表现在控制系统具 有多输入多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性，更突出的 是从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少，以及与此相反地对控制性能 的要求却越来越高。然而查德教授的“不相容原理”指出了在多变量、非线性、 时变的大系统中，系统的复杂性与人类要求的精确性之间形成了尖锐矛盾。因 此，要想精确地描述复杂对象与系统地表达任何物理现象与运动状态，实际上 己经是不可能的。关键的是如何在准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述 具有实际意义。这种模糊的描述对问题的求解非但无害，而且能高效率地对复 杂事物做出正确无误的判断和处理。 模糊控制理论正是从上述思想出发而发展起来的，模糊控制是基于“专家 成都理工大学硕十学位论文 知识”、采用语言规则表示的一种人工控制策略，基于模糊逻辑、模糊控制中 知识表示以及模糊推理等建立于模糊数学基础之上的理论。模糊控制不仅适用 于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展，从己实 现的控制系统来看，它具有易于熟悉、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专 家操作的良好自动化效应等优点。模糊控制理论的研究和应用在现代控制领域 中有着重要的地位和意义”1 2 1 2 模糊控制系统和模糊控制器 模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的 规则推理为理论基础的自动控制系统，是采用计算机技术构成的一种具有反馈 通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器， 这也就是它与其它自动控制系统的不同之处。因此，模糊控制系统无疑是一种 智能控制系统。 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和 测量装置等五部分组成，如图2 - 1 所示： 图2 - 1 模糊控制器 ( 1 ) 被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产 的、自然的、社会的、生物的或其它各种的状态转移过程。这些被控对象可以 是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的 或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合和干扰等多种情况。对于那些 难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。 ( 2 ) 执行机构除了电气的以外，如各类交、直流电动机，伺服电动机等， 还有气动的和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。 ( 3 ) 控制器是各类自动控制系统中的核心部分。由于被控对象的不同，以 及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则( 或策略) 相异，可以构成 各种类型的控制器，如在经典控制理论中，用运算放大器加上阻容网络构成的 p i d 控制器和由前馈、反馈环节构成的各种串、并联校正器；在现代控制理论 中，设计的有状态观测器、自适应控制器、解耦控制器、鲁棒控制器等。而在 模糊控制理论中，则采用基于模糊知识表示和规则推理的语言型“模糊控制 6 第2 章模糊控制神经网络控制理论 器”，这也是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。 ( 4 ) 输入输出接口在实际系统中，由于多数被控对象的控制量及其可观测 状态量是模拟量。因此，模糊控制系统与通常的全数字控制系统或混合控制系 统一样，必须具有模数转换单元，不同的只是在模糊控制系统中，还应该有适 用于模糊逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”环节，这部分通常也被看作是 模糊控制器的输入输出接口。 ( 5 ) 检测装置是将被控对象的各种非电量，如流量、温度、压力、速度、 浓度等转换为电信号的一类装置。通常由各类数字的模拟的测量仪器、检测元 件或传感器等构成。它在模糊控制系统中占有重要地位。 由于在实际应用中，系统的输入和输出都是确定的值，要使用模糊控制算 法，那么模糊逻辑控制系统中的模糊控制器主要完成以下三个步骤的任务： ( 1 ) 通过传感器和模数转换器把要监测的物理量转换器成精确的数字量， 精确输入量输入模糊逻辑控制器后首先要转换成模糊集合的隶属函数，这一步 骤称为精确量的模糊化。 ( 2 ) 根据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模 糊逻辑推理，这一步骤称为模糊控制规则形成和推理。 ( 3 ) 根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具 有代表性的精确值作为控制量，称为模糊输出量的反模糊化，其目的是把分布 范围概括合并成单点的输出值，加到执行器上实现控制。 2 2 神经网络基本理论及其神经网络控制 2 2 1 神经网络基本理论 人工神经元网络系统是人类大脑和思维活动的数字模型，它也称为神经网 络、神经计算机、并行处理器。神经网络系统揭示了存在于大脑的大规模并行 处理及分布表征的特性，它的主要目的是探索并“复制”人类信息处理的过程， 如语言、视觉、嗅觉、触觉、知识处理及马达控制等，也用于数据压缩、模式 匹配、系统建模及函数近似等。 近年来人工神经元网络理论研究及其在各个学科领域中的应用特别引人 注目，并取得了可喜的成绩，理论方面的重要成果有：h o p f i e l d 网络模型的 提出及能量函数的引进、竞争与协作神经网络、玻尔兹曼及自组织特征映射网 络模型等。1 。 1 人工神经网络系统的定义和特征 由n i e l s o n 提出的人工神经元网络的定义为：神经网络系统是由过程处理 单元( 具有本地存储能力及执行本地信息处理操作) 组成的并行分布信息处理 结构，这些处理单元称为联结，由单向信号通道相连，每个处理单元有一个输 7 成都理工大学硕士学位论文 出联结并可任意多地分支与许多并联的联结相连( 每个只是携带相同的信号， 即处理单元的输出信号) ，处理单元的输出信号可以是任意的数学形式，每一 个处理单元的处理必须是完全本地的，即它必须仅仅依赖于通过联结到达处理 单元的输入信号的当前值和处理单元的本地储存值。 归纳起来，人工神经网络具有如下基本特征： ( i ) 并行处理性，网络的各单元可以同时进行类似的处理过程，整个网络 的信息处理方式是大规模并行的。 ( 2 ) 可塑性和自适应性神经元之间的连接具有多样性，各神经元问的连接 强度具有可塑性，网络可以通过学习与训练，以适应不同信息处理的要求。 ( 3 ) 分布存储和容错性神经网络内存储的信息类似于全息图的信息存储性 质，部分信息丢失仍可复原信息，因而使网络具有容错性和联想记忆功能。 ( 4 ) 层次性神经网络的信息处理过程是分层逐级进行加工、处理的过程。 ( 5 ) 极强的映射能力，单个神经元的输入一输出关系虽然较简单，但多个 和多层神经元构成的神经网络，其输入输出关系常常是复杂的，也就是说， 神经网络具有极强的映射能力。 2 人工神经网络处理单元 图2 - 2 处理单元的基本结构 处理单元就是人工神经元，也称其为节点，如图2 - 2 所示。处理单元的功 能是：对每个输入信号进行处理以确定其加权强度，确定所有输入信号的组合 效果，确定其输出( 转移特性) 。输入信号来自环境或其它处理单元的输出，它 们组成输入矢量爿= ( q ，a ：a 。) ，其中口，为第i 个处理单元的输出，或是该单 元的第i 个输入，与每一对相连的处理单元有关的是一个可调节的数值，称为 权重，与，个处理单元相连的所有权重的集合组成一个矢量 w y ( ，) ，这里肜。表示从处理单元a ，到6 ，之间的连接强度，有时 还存在一个附加的参量只经，作用后，也作为输入的一部分，这一项也可看 成是内部阀值。a 、w 、只用来计算输出值b ，该计算通常是将一与w ，点积， 减去阀值，并将此结果通过一个转移函数厂( ) 作用，在数学上表示为： b ，= f ( a w 一q )( 2 1 ) 或 h b ，= q q ) ( 2 2 ) i - l 8 第2 章模糊控制神经网络控制理论 转移函数r 也称作激励函数、传输函数、阀值函数或限值函数。其作用就 是将可能的无限域变换到指定范围内输出，几种常用的转移函数是线性函数、 斜坡函数、阶跃函数、符号函数和j 型函数。 3 人工神经网络的拓扑结构 虽然单个神经单元可以执行简单的处理功能，但更强的处理能力却来自多 个结点“连接”成的网络，也就是人工神经网络。 处理单元之间相互联结分为相互激励型和相互抑制型两种，相互激励的联 结增加处理单元的激发值，一般由正信号代表，相互抑制型的联结降低其激发 值，一般由负信号代表。 处理单元的互连方式又分为层内部连接、层之间连接、回归连接等三种。 层内部连接又称为顺序连接，它是同一层内处理单元之间的连接。层之间连接 是指不同层的处理单元之间的连接。层之间的连接信号可以前馈或反馈两种方 式进行传播。前馈信号只允许信号j 自、处理单元之间以一个方向流动，而反 馈信号允许信息在处理单元之间任何一个方向流动或循环流动。回归连接是返 回到原来相同出路单元的连接。 4 存储与回忆 存储是将信息存在某种存储器中，回忆则是将己存储的信息按某种方式恢 复出来。在人工神经网络中，存储分为空间模式和时空模式。空间模式是一个 空间映射，时空模式是一系列的空间模式。存储器分为内容寻址存储器和联想 存储器。 内容寻址存储器是在人工神经元网络训练过程中形成的，相当于通过训练 将信号存储到加权阵列中去了。训练一旦完成，数据就相当于变换到加权矩阵 的稳定状态中，所以也称这种存储器为长期存储器。联想存储器是在人工神经 元网络回忆操作的过程中出现的，当将网络输入激励时，作为回忆结果，网络 的输出给出一个响应状态。这一响应状态实际上也相当于一个所需的存储数据 ( 响应) ，所以也称这类存储为短期存储。 5 人工神经元网络的学习 人工神经元网络的最引入注意的特征之一就是学习。任何一个人工神经元 网络模型要实现某种功能的操作，就必须让它学会要做的事情，并把这些只是 记忆( 存储) 在网络的加权中。所以，学习的实质就是加权矩阵随外部激励( 环 境) 做自适应变化。用数学式表示为： 坐o 出 9 ( 2 3 ) 成都理工大学硕士学位论文 所有的学习方法可分为两类，有监督学习和无监督学习。有监督学习是包 括有外部教师和( 或) 全部信息的学习过程，有监督学习包括：决定何时关闭学 习，决定多长时间为学习提供每一相关信息，并提供误差信息。无监督学习， 也称为自组织，是没有外部教师的学习过程，仅依赖于本地信息和内部控制。 无监督学习自组织现有的数据，并找出其特性。 目前应用的学习算法很多，常见的有h e b b 算法，s 训练算法、梯度下降算 法等。然而，对于生物学习是如何进行的，目前了解甚少，而且实验的证据又 难以获得。但是可以确定，真正的生物学习训练肯定比目前常用的学习训练算 法要复杂得多。 2 2 2 神经网络在控制系统中的应用 神经网络控制的研究工作很早就开始了，可以追溯到6 0 年代初。今天神 经网络的应用己经渗透到各个领域，并在信号处理、智能控制、模式识别、机 器视觉、非线性优化、自动目标识别、知识处理、传感技术等方面得到了实际 应用并取得了令人鼓舞的进展。 从近几年国内国际的情况来看，神经网络的应用领域达到了前所未有的广 度。除了研究较早的机器人行动及手眼协调控制外，一些新生长的应用领域如 语音识别等给人以深刻的印象。 由于神经网络具有如下特点，引起了控制界的浓厚兴趣： ( 1 ) 神经网络能够充分逼近任意复杂的非线性关系； ( 2 ) 能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性； ( 3 ) 所有定量或定性的信息都能等势分布储存于网络内的各神经元，具有 很强的鲁棒性和容错性，采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为 可能。这些特点显示了神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制 方面的巨大潜力。 1 0 第3 章汽车采制样机组成及控制算法 第3 章汽车采制样机组成及控制算法 3 1 采制机工作原理及机械部分简介 3 1 1 采制机工作原理 螺旋采样器从汽车车厢内采取一定量的子样，该子样被抛入料槽，并导入 初级给料机，给料机以给定的速度均匀地将子样送入破碎机，破碎机将子样破 碎到所需粒度( 3 1 3 m m ) 后，再经过导料管进入缩分器，经过缩分器所采得的 予样通过进入密闭的样品收集器，即为留样。余料则输出给斗式提升机返回汽 车。如图3 - 1 示： l j 图3 1 采制机工作流程图 3 1 2 机械部分简介 1 螺旋钻采样器 螺旋钻采样机主要由吊架，液压马达，联轴器，传动轴总成，带液压缸的 集样斗，螺旋体及输送管等部分组成。当对汽车内的物料进行采样时，选定采 样点后启动液压马达，通过联轴器，传动轴总成带动螺旋体转动。此时将螺旋 钻采样器插入物料，采样器在自身重力及吊臂的作用下由上往下运动，依靠适 当的螺旋转速所引起的作用在物料颗粒上的离心力，以及由此对管壁所产生的 磨檫力，而使被采物料垂直向上输送。 当被采物料到达集料斗时，将有一部分物料自动排入车箱，另部分物料 成都理工大学硕士学位论文 储存在集料斗内作为子样( 此时完成一次缩分) 。然后通过液压缸控制，打开 料门将子样卸入下一级设备或样品罐中。 2 破碎机 环锤式破碎机由转子、机体、调节机构等主要部件组成。转子由主轴、端 板、隔板、锤销、旋锤等主要零件组成。旋锤吊挂在锤销上、锤销安装在端板 和隔板上、端板和隔板用平键和螺母固定在主轴上。 图3 2 破碎机 机体由机架、齿板、托板、衬板等主要零件组成。齿板安装在托板上，托 板的一端用轴悬挂在机架的轴座上，另一端与调节机构相连。衬板安装在机架 一侧的内壁上，用以保护机架不受磨损。齿扳与旋锤运动轨迹构成破碎腔。 调节机构由调节垫块、调节轴、螺杆等主要零件组成，用于调节齿板与旋 锤的间隙。从进料口中央落下的物料首先被旋锤击飞向破碎齿板，尔后又被破 碎齿板弹向飞锤或破碎齿板。物料在破碎腔中如此来回弹跳，并在弹跳过程中 相互碰幢，被进一步击碎，达到设计粒度后的物料从破碎机底部开口中排出。 出料粒度的调节，是通过调节齿板与旋锤之间的间隙来完成的。 3 缩分器 黟恿 图3 - 3 缩分器 缩分器采用液压缸为动力，主要由外壳，移动料斗，切割器等部分组成。 由p l c 及时间继电器控制液压缸的取样周期，限位开关安装在移动料斗的起始 和终点位置。移动料斗在初始位置时，液压缸开始工作，推动料斗往前移动。 第3 章汽车采制样机组成及控制算法 在料斗移动过程中经过切割器时被收取一定量的子样。当料斗移动到终点时触 及限位开关，油缸返回运动时切割器又被收取一定量的子样。余料由出料口排 入下级设备。由于间隔和切割口可调，移动料斗在起始和终点位置固定在料斗 上的密封装置均封住切割口。所以缩分比大、精度高。 4 样品收集器 图3 - 4 样品收集器 样品收集器主要用于最终样品的收集和储存，多罐式样品收集器主要由电 机，支撑框架，上下盘传动轴总成，样品罐，接近开关等组成。上下转盘与传 动轴组成一体，下盘安放样品罐，上盘装有活动式罐盖，由制动电机驱动其旋 转。 5 余料返回系统 图3 - 5 余料返回系统 ll l i l i l 斗式提升机在采制样系统中作为余料返回的主要设备。主要由驱动装置，料斗，导 轨，绞盘电机减速机等各部分组成等，整机运转平稳，卸料方便，快捷。 3 2 垂直运动规律分析 3 2 1 变幅机构组成 汽车采机的选点机构由主臂机构、变幅机构和回转机构组成，如图3 - 6 所 1 3 成都理工大学硕士学位论文 示。三者运动的最终合成决定的采样的点位置和采样的深度。 图3 6 取样机构 1 变幅机构 变幅机构用来调整主臂的仰角与辅臂伸缩机构配合确定工作幅度。变幅油 缸上装有平衡阀，以保证变幅运动的平稳，控制落臂时的变幅速度，防止下腔 管路破裂时发生意外事故。 2 辅臂及伸缩结构 辅臂与伸缩机构的油缸及活塞杆分别支撑于主臂的两端，用销轴浮动连 接。扳动操纵阀中伸缩油缸操纵杆( 按钮) 可推动辅臂伸缩。伸缩油缸上装有 平衡阀，它保证平稳的缩臂及当软管发生意外破裂时防止辅臂回缩而发生事 故。 3 回转支承及回转机构 回转机构由两个回转液压缸，齿条，刻有齿的主柱等组成，当压力油进入 两个回转液压缸时，两个回转油缸一推一拉，带动液压齿条水平运动，从而带 动主柱旋转，主柱旋转也带动了主臂，辅臂旋转。 3 2 2 机构运动分析 1 机构的运动分析内容 机构的运动分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行分析。这里研究 的内容是不考虑机构的外力及构件的弹性变形等影响，仅仅研究在已知原动件 的运动规律的条件下，分析机构中其余构件上各点的位移、轨迹、速度和加速 度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。有了这些运动参数，才能分 1 4 第3 章汽车采制样机组成及控制算法 析、评价现有机构的工作性能，同时它也是优化综合新机构的基本依据。 通过位移( 包括轨迹) 的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断它 们运动时是否发生相互干涉；还可以确定从动件的行程，考查构件或构件上某 点能否实现预定位置变化的要求。为了确定机壳的外廓尺寸，就必须知道机构 中外端点的运动轨迹和所需要的运动空间范围等等。 通过对速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要 求。例如牛头刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程中的速度接近等速，从而 提高加工质量和刀具寿命；而刨刀空行程时，又希望快速返回，提高生产效率， 节省能耗。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。 2 杆组的基本理论吲 任何机构都包含机架，原动件和从动件系统三部分。由于机构具有确定运 动的条件是原动件的数目等于机构的自由度数目，因此，如将机构的机架以及 和机架相连的原动件与从动件系统分开，则余下的从动件系统的自由度为零。 有时这种从动件系统还可分解为若干个更简单的，自由度为零的构件组。这种 最简单的，不可再分的，自由度为零的构件组称为基本杆组。 任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所 组成的系统，这就是机构的组成原理。 3 2 3 垂直运动实现 1 运动关系 由上述分析知，螺旋采样头的垂直向下运动是由变幅机构和大臂机构的合 成运动形成的。当螺旋采样器向下旋转采样时，变幅向下做收缩运动，此时水 平方向位置收缩，可简化出本机构的运动原理简图，为r r p 双杆组机械外加上 个移动副( 为了便于水平位置的分析，我作出这样的假设) 如图3 - 7 示： 图3 - 7 杆组分析图 1 5 成都理工大学硕士学位论文 本设计中已知、，：、，b e 初始状态在水平位置，主要分析、确定e 点位置。分析过程如下旧： 设滑块d 的运动速度为h ，e 的速度为v ：；由三角形运算定理有： 口= a t c c o $ ( 盟哥业p 。 p 叫钱鬻， 由d 运动引起的水平方向上的位移： x d = ( 1 3 + v 1 r ) s i n o 由e 运动引起的水平方向上的位移： x e = ( f 2 + v 2 t ) c o s 口 要保证采样头的垂直向下运动，必须满足 x d 2 x e 由式1 、式2 、式3 、式4 、式5 即可得出v 。与v ：的关系。 知条件很快找出它们之间的关系：v l = 1 2 2 5 v 2 。 2 垂直运动实现 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 实际运算时由已 由上小节得出的速度关系，就可以( 1 ) 通过调节液压系统中的调速阀， 去控制两者的速度，实现速度匹配。在p l c 控制程序中用同一个定肘器来控制 两者运行时问；( 2 ) 用两个定时控制但使它运行不同的时间。 3 3p i d 位置控制算法实现 3 3 1p i d 算法 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈的”1 。反馈理论包括三个基本要 素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来 纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在控制中应用的关键是：做出正确 的测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。p i d 控制也就是比例、积分、 微分控制在工业控制中得到的广泛的应用，p d 控制器由比例单元( p ) 、积分 单元( i ) 、微分单元( d ) 组成，基本的p i d 的控制规律可以描述为”1 ： q ( s ) ：k 。+ 笠+ 髟j ( 3 6 ) 1 6 第3 章汽车采制样机组成及控制算法 p i d 控制用途广泛，使用灵活，已有系列化的控制器产品，使用中只需要 设定三个参数足。，k ，k 。即可。 p i d 三个参数的作用如下”： ( 1 ) 比例系数k 。的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。k 。 越大，系统地响应速度越快，系统地调节精度越高，但易产生超调，甚至会导 致系统不稳定。k 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延 长调节时间，使系统静态，动态特性变坏。 ( 2 ) 积分系数置的作用是消除系统的稳态误差。k ，越大，系统地静态误差 消除越快，但k 过大，在响应过程的初期会差生积分饱和现象，从而引起响 应过程的较大超调，若k ，过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调 节精度。 ( 3 ) 微分系数髟的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程 中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但髟过大，会使 响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能“。 通过分析可知，适当设定p i d 的参数可以得到较好的控制效果，由于普通 p i d 控制器的参数是事先给定的，当工况变化时，参数不变，从而使控制效果 变差，结合模糊控制与神经网络控制本设计试图使用以下的控制方法。 1 模糊自整定p i d 控制器 利用模糊自整定p i d 控制器调节“”，控制器的结构原理图如图3 8 所示： 模糊自整定p i d 控制器以误差e 和误差变化d e 作