基于模糊控制的高炉止回阀逆流保护系统

骞 l 生止匐砷0 匕 基于模糊控制的高炉止回阀逆流保护系统 周俊 张桂香 湖南大学机械与汽车工程学院 长沙4 1 0 0 8 2 摘募为解决高炉轴流风机风道内由于止回阀打开不充分而造成的能耗问题 本文设计了高炉止回阀 逆流保护系统 该系统采用模糊控制器作为主控制器 P L C 作为副控制器 3 相交流电动机和 直流电磁铁作为动力 同时 为避免常规控制方式存在的计算周期长 反应速度慢等特点 本 系统中采用模糊控制算法 有效地实现了止回阀开度的自动调节 使止回阀开度及时跟随风道 中气流的变化 提高了风机的效率 降低了能耗 关键词 模糊控制 M C S 5 1 单片机 直流电磁铁 中图分类号 T P 2 7 3文献标识码 B文章编号 10 0 9 0 13 4 2 0 0 8 0 3 0 0 5 7 0 3 T h er e f l u e n tp r o t e c t i o ns y s t e mf o rc h e c kv a l v eb a s eo nf u z z yc o n t r o l Z H O UJ u n Z H A N GG u i x i a n g H u n a nU n i v e r s i t y C h a n g s h a4 10 0 8 2 C h i n a A b s t r a c t T os o l v et h ee n e m yc o n s u m p t i o nc a u s e db yi n c o m p l e t eo p e n i n go fC h e c kV a l v e T h i sp a p e r d e s i g n e dar e f l u e n c ep r o t e c t i o ns y s t e mf o rc h e c kv a l v e i nt h i ss y s t e m F u z z y C o n t r o l l e ri s u s e da St h em a i nc o n t r o l l e r P L Ca st h es e c o n d a r yc o n t r o l l e r w h i l et h r e ep h a s ea l t e r n a t i n g m o t o ra n dd i r e c te l e c t r o m a g n e ta sm o t i v i t y A n di no r d e rt oa v o i dl o n gt i m ec o m p u t a t i o na n d s o wr e a c t i o n i ta d o p IF 崎C o n 台吲A r f t h m e t i c oa j u s h ea n g l eo f c h e c kv a h ea u t o m a t i c a f y S Ot h ea n g l eo fC h e c kV a l v ec o u l df o l l o wt h ec h a n g eo ff l o w c u r r e n t i ti m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y o ft h eb l o w e r r e d u c e de n e r g yc o n s u m p t i o n K e yw o r d s f u z z yc o n t r o l M C S 5 1c h i pm i c r o p r o c e s s o r d i r e c tc u r r e n te l e c t r o m a g n e t 0 引言 蝶式缓冲止回阀是常用的高炉轴流风机系统的 断流装置 具有逆流保护的功能 止回阀的工作原 理是 利用风机的出口气流推开阀门 使气流通过 当高炉端出现异常情况时 风道气流受阻 压力升 高 阀门两侧压力减少 阀门自然关闭 阻止气流 的回灌 以达到保护轴流风机的作用 然而 止回 阀的开启和维持完全依靠风机风压 必然会在止回 阀位置处造成很大的风阻 导致能量的损失 针对 这种情况 本文设计了高炉止回阀逆流保护系统 使止回阀在正常情况下 通过外力作用 使阀门开 度达到最大值 以减少风阻 提高风机的效率 在 异常情况下 又能及时关闭止回阀 起保护轴流风 机的作用 但由于常规控制方式 存在计算耗费周 期长 反映速度慢等特点 采用常规控制方式易导 致止回阀的控制不能及时跟随风道中的气流变化 严重的情况会使止回阀失去保护作用 近年来 模 糊控制技术在国内外越来越受到人们的重视 因为 模糊控制不依赖于对象的精确数学模型 易于对不 确定的非线性系统进行控制 且抗干扰能力强 反 应速度快 具有较强的鲁棒性 在复杂的工业控制 领域应用广泛 本文利用模糊控制技术很好地解决 了止回阀的控制问题 1 系统总体方案设计 逆流保护系统是对高炉送风管道中原有的蝶式 缓冲止回阀进行控制 包含阀门位置的提升 维持 及释放3 个过程 在提升阶段 采用直流电磁铁提 升阀门 由于仅有电磁铁承受阀门的重力 需用具 有较大的吸合力的电磁铁 在阀门到达预定位置时 进入维持阶段 阀门的重力与风压和电磁铁的吸合 力相平衡 宜采用具有较小吸合力的电磁铁 当风 量波动时 势必会使止回阀晃动 甚至会使阀门跌 落 使保护系统失去作用 故需根据现场流量 及 时调整直流电磁铁的吸合力 使阀门开度始终维持 啦稿日 2 0 0 7 1 2 3 0 作者砑介 周俊 1 9 8 1 一 男 湖南长沙人 湖南大学机械与汽车工程学院研究生 研究方向为计算机控制与自动化 第3 0 卷第3 期2 0 0 8 0 31 5 7 万方数据 在最大开度 当高炉端出现异常情况时 风道内风 量超出警戒 系统应及时调整电磁铁的吸力 释放止 回阀 使其回复自由状态 达到保护轴流风机的作用 系统具有现场控制和远程监控功能 并且使用 流量传感器进行流量检测 实现流量过小或者逆流 时报警 保护系统只对阀门控制 不参与送风系统 其他方面的控制 保证在系统电控部分失效的情况 下 止回阀能回复到自由工作状态 防止逆流对风 机造成伤害 现场控制部分的作用 是在现场完成 对阀门的手动控制 而远程监控系统采用图形编程 语言L a b V I E W 进行编程 通过现场总线与现场控制 系统进行通信 能以可视数据的形式实时显示现场 的状况和控制系统本身的状态 方便操作人员进行 远程系统监视和控制 系统总体框图见图1 图l 系统总体框图 2 阀门控制方案的设计 系统中采用两套不同的直流电磁铁实现阀门的 位置提升和维持过程 在风道流量正常时 三相交 流异步电动机通过滚珠丝杆螺帽副 带动提升电磁 铁把阀门从提升位置提高到系统设定的开度位置 然后由电压可调的维持电磁铁对阀门进行维持 当 风道流量小于设定值或者系统要求释放阀门时 阀 门都可以被释放 回复到自由的工作状态 实现逆 流保护 其中提升电磁铁能够可靠地实现阀门的提升 而维持电磁铁则是励磁电压无级可调 有利于在线 调整 同时在送风管道中安装压差式流量传感器进 行管道流量检测 在风道流量发生波动时 及时地 调整维持电磁铁的吸合力 在此过程中 本系统采 用模糊控制算法 有效地实现了阀门开度的维持和 调整 降低系统中能量损失 提高能量的利用率 保护系统采用西门子公司的S 7 2 0 0 系列的 C P U 2 2 4 作为电源控制模块 P L C 主要完成电动机 的正反转控制 两个直流电磁铁的通断电控制以及 与模糊控制器通信等工作 并采用位置传感器实现 直流电磁铁和阀门位置检测 模糊控制器主要完成 1 5 8 第3 0 卷第3 期2 0 0 8 0 3 现场数据的采集 维持电磁铁的吸合力的维持以及 P L C 和远程控制系统的通信等工作 高炉止回阀保 护系统的组成如图2 所示 图2 高炉止回阀控制系统组成 3 模糊控制器硬件设计 该模糊控制器的硬件主要是现场数据采集模块 和控制执行模块的设计 各模块以8 9 S 5 2 单片机作 为核心 外围电路包括看门狗电路 信号调理电路 A D 和D A 转换电路 光电隔离电路及R S 4 8 5 通信 电路等 其系统结构如图3 所示 图3 模糊控制器硬件结构图 1 单片机电路 单片机采用A T M E L 公司的8 9 S 5 2 芯片 作为 整个电路的主处理器 由于执行模块要进行相应的 控制运算中 包含大量的浮点运算 所以程序的编 制是通过C 5 1 高级语言进行的 通过软件编程 除 了有效地实现对外围器件的操作 基本I O 功能外 主要实现了对数据的采集 软件滤波 模糊运算 以 及控制量的输出等操作l 2 A D 采样电路 A D 采样电路包含信号的调理及采样电路 信 号调理电路主要对来自位置传感器和流量传感器的 信号 进行滤波 放大以及限幅处理 电路中通过 专门的信号放大器A D 6 2 0 对微弱电压信号进行放 大 同时 利用低温漂 低噪声运放 女H O P 2 7 L M 3 5 8 等设计了2 阶有源低通滤波电路和限幅电路 而采 样部分A D 转换芯片选用M A X I M 公司的M A X l 9 7 它是一种并行输出 多量程的1 2 位高精度A D 转换 器 8 位数据总线 兼容1 1 1 叫O S 电平 仅需要单 一5 V 电源供电 且外围电路简单 易于微机进行接口 为了防止继电器等感性负载影响微处理器的工 作 电路中采用光电隔离电路隔离控制量的输出 万方数据 该部分电路主要实现当检测流量值小于报警设定值 时 及时释放电磁铁 使阀门达到自由状态 保证 风机的安全 系统要求在风道流量发生变化时 及时调整直 流电磁铁的吸合力 在本系统中利用晶闸管智能控 制模块对直流电磁铁的电压进行调节 将检测的流 量值与经验设定的最佳流量值进行比较 然后采用 模糊算法 对晶闸管智能控制模块的控制电压进行 调节 从而控制电磁铁的吸力 4 模糊控制算法 模糊逻辑是界于传统人工智能的符号推理和传 统控制理论的数值计算之间的方法 它不依赖于模 型 用语言来表示变量 用规则进行模糊推理 处 理事物 承认真值的中间过渡性 模糊控制主要是 将人的经验通过控制器实现 并通过模糊算法模糊 人的操作策略 从而实现自动控制1 2 1 模糊控制器常选取误差e 和误差变化率 e 作为 输入量 而选取模糊控制系统的输出u 作为系统的 控制量 模糊控制器的基本结构如图4 所示 图4 模糊控制器的基本结构 通过对当前风道流量的采样 与最佳流量值进 行比较并进行模糊化处理后 得到偏差E 同时计 算偏差变化率E C E E C 作为输入控制量 u 为输 出控制量 其中偏差E 对应的模糊子集语言值为 N B N S N L Z R P L P S P B 模糊论域为卜6 一5 4 一3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 l1 3 个元素 同理可对流量变化率 E C 及控制量U 做相应的模糊化处理 模糊控制规 则表l 如下 表1 模糊控制规则表 EE C N BN SZ RP SP B N BP BP BP SZ RZ R N SP BP SP SZ RN S N LP S P S Z RZ RN S Z RP SP SZ RN SN S P LP SZ RZ RN SN S P SZ RZ RN SN SN B P BZ RZ RN SN BN B 利用M a m d a n i 的m a x m i n 法可以得到每条控制 规则的关系 对于 的第一条模糊控制规则尺 的模 糊关系矩阵有 R l N B e XN B e c 同理可以求出不同偏差和不同偏差所有组合下 的变化下的所有模糊规则的子关系矩阵 按照下式 3 5 R U R i i 1 即可以得到一个总的关系矩阵R 在某一采样 时刻 根据偏差和偏差变化量化值代入下式即可得 到控制输出的模糊向量 C K E K E C K o R 上式得到的是控制输出的一个模糊向量 要得 到控制输出的精确量 还需对其进行反模糊化处理 反模糊化处理是模糊控制系统中的一个关键环 节 它是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量 此过程也称为解模糊 或模糊判决 常见的反模糊 化方法有以下几种 3 I 1 最大隶属度法 2 中 位数法 3 重心法 其中 重心法是一种比较实 用的反模糊化方法 它用模糊隶属度函数曲线与横 坐标围成面积的重心为模糊推理最终输出值 在输 出值离散的情况下 控制输出值可用下式求得 品 乙I t c q c f c 七 号 c q i 1 一 式中 m 输出量化等级数 m c 卜模糊 输出向量各点的隶属度 C 模糊控制量输出向 量各点的量化值 在模糊控制器的设计中 利用了查表法 首先 利用模糊控制理论和模糊控制逻辑 通过离线计算 获得模糊控制表 而在实际的应用中 以人的经验 修正控制表 存于系统R O M 中 在控制过程中 计 算机只需直接根据采样和论域变换得到的A e y 和 P 然后从控制表中由控制表的第i 行与第J 列找到 以论域元素形式表示的控制量A u z 乘以比例因 子 即可进行反模糊化处理 进而进行控制 达到 预期目的 这种模糊控制系统结构如图5 所示 髂 模糊 啦 控制袁 图5 模糊控制系统结构 图中k 为偏差E 的模糊化因子 k 为偏差变化 率E c 的模糊化因子 乞为控制量u 的反模糊化因子 第3 0 卷第3 期2 0 0 8 0 3 5 9 万方数据 下面给出利用M a t l a b 对模糊算法进行离线计 算 输出控制量计算子程序 f u n c t i o nc o n v a l u e c a l c o n v a l e s d e l t e s r u l e m a t r i x e s l e n l e n g t h e s d e l t e s l e n l e n g t h d e l t e s d e r n l e n e s l e n 4 d e l t e s l e n s w t e m p z e r o s d e m l e n 1 e e c R u l e R e e c e s d e l t e s 控制规则运算 r o w c 0 1 s i z e r u l e m a t r i x 一 u C v a l u e z e r o s 1 c 0 1 f o ri l c o l f o r j 1 d e m l e n s w t e m p j m i n e e c R u l e j r u l e m a t r i x j i e n d u C v a l u e i m a x s w t e m p e n d c o e f f m a t r i x 3 l 3 c o n v a l u e s u m u C v a l u e c o e f f m a t r i x s u m u C v a l u e 重心法解模糊 以上程序 为模糊控制算法中输出量解模糊子 程序 输出量即为控制量的变化量矩阵 在实际应 用中 宜根据实际情况 局部修改某些参数 使控 制表更能反映实际工况 5 结束语 该保护系统已被某钢铁集团采用 经过反复调 试 均已达到各项技术指标 既达到了节资增产的 目的 又使系统在异常情况下 能迅速做出反映 有 效地防止了风机的喘振现象 相对于常规P I D 控制 模糊控制具有强鲁棒性 响应快速 无静差等特点 因此 对于时变的 非线性的复杂系统 模糊控制 是一个非常好的选择 参考文献 1 薛钧义 武自芳 微机控制及其应用 M 西安 西安交通大 学出版社 2 0 0 3 2 廉小亲 模糊控制技术 M 北京 中国电力出版社 2 0 0 3 3 S t e p h e nY 模糊控制 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 5 4 丁元杰 单片微机原理及应用 M 上海 机械工业出版社 1 9 9 9 5 李士勇 模糊控制 神经网络和智能控制论 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1 9 9 8 蠢 蠡 蠢 矗 池 蠢 重 蠢 j 鼻 出 j 重 出 蠡 蠢 A 出 j 矗 如 鼻 妇 蠡 t 蠡 蠢 上接第5 1 页 特率的大小由定时寄存器B T R 0 B T R l 的内容决 地之间并联了2 个3 0 p F 的小电容 可以起到滤除总 线上的高频干扰 并具备一定的防电磁辐射能力 也可在两根总线输入端与地间分别接双向稳压管 通过放电可起到一定的保护作用 另外 8 2 C 2 5 0 的 R s 脚串接一个斜率电阻R 后再接地 用于控制上升 和下降斜率 以减少射频干扰 一般R 取值为 1 6 1 4 0 kQ 此外 为防止干扰出现死机现象 还可 采用看门狗电路等分布式实时控制措施 增加系统 的可靠性 看门狗芯片X 2 5 0 4 5 在正常情况下 在系 统加电时 提供单片机复位信号 而在程序执行中 单片机必须每隔一定时间提供给看门狗一个脉冲信 号 如果看门狗在一定的时间内没有接收到这个脉 冲 就认为单片机程序已经跑飞 立即提供给单片 机复位信号 迫使系统复位 3 1 2 C A N 总线节点软件设计 C A N 节点的软件设计主要包括C A N 节点初始 化 报文发送和报文接收3 部分 首先是单片机和 C A N 控制器的初始化 S J A l 0 0 0 的初始化只有在复 位模式下才可以进行 其中 对A C R A M R 寄存器 写入的内容要根据实际的网络系统和报文标志符来 确定 C A N 协议物理层中的同步跳转宽度和通信波 6 0 1第3 0 卷第3 期2 0 0 8 0 3 定 对于一个系统中的所有节点 这两个寄存器的 内容必须相同 否则将无法进行通信 初始化设置 完成后 将复位请求位置 0 S J A l 0 0 0 就可以进 行正常的通信任务 即完成数据采集和对执行机构 的控制功能 3 结束语 热处理分布式实时控制系统完成对各种炉型的 热处理实时参数进行采集 处理和控制 系统中控 节点监控软件采用组态王开发 现场节点采用单片 机和C A N 控制器实现 两级之间通过C A N 通信 基 于C A N 总线技术的热处理分布式实时控制系统经 试验调试表明数据传输速率最高可达3 2 0 k b p s 具 有较好的可靠性和抗干扰性 能更好地监控系统运 行状态和提供可靠 准确 实时的环境数据参数 参考文献 1 J 潘健生 张伟民 等 热处理信息化若干问题的思考 J 金 属热处理 2 0 0 4 2 9 1 1 3 1 6 2 饶运涛 邹继军 郑勇芸 现场总线C A N 原理与应用技 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 4 1 5 4 1 5 5 3 王立萍 吴黎明 单片机系统的抗干扰问题研究 J 石油矿 场机械 2 0 0 6 3 5 5 3 5 3 8 万方数据 基于模糊控制的高炉止回阀逆流保护系统基于模糊控制的高炉止回阀逆流保护系统 作者 周俊 张桂香 ZHOU Jun ZHANG Gui xiang 作者单位 湖南大学机械与汽车工程学院 长沙 410082 刊名 制造业自动化 英文刊名 MANUFACTURING AUTOMATION 年 卷 期 2008 30 3 引用次数 0次 参考文献 5条 参考文献 5条 1 薛钧义 武自芳 微机控制及其应用 2003 2 廉小亲 模糊控制技术 2003 3 Stephen Y 模糊控制 2005 4 丁元杰 单片微机原理及应用 1999 5 李士勇 模糊控制 神经网络和智能控制论 1998 相似文献 7条 相似文献 7条 1 期刊论文 贾贵玺 刘金涛 张方 模糊控制逆变弧焊电源 焊接学报2004 25 6 介绍了模糊控制逆变弧焊电源的基本工作原理 控制系统组成以及硬件实现方案 设计出了二输入一输出模糊控制器 模糊控制器以焊接电流偏差和偏 差变化率为输入量 输入量通过模糊化处理 模糊推理得出输出结果 再将其解模糊化 得到控制变量的精确输出值 实现电源的恒流外特性控制 研制出一 台模糊控制逆变弧焊电源样机 并对其外特性进行了测试 2 期刊论文 任秉银 倪泉斌 REN Bing yin NI Quan bin 基于模糊控制的直线型形状记忆合金驱动器控制系统设计 机械与电子2006 12 采用模糊控制的方法对一种直线型形状记忆合金驱动器的输出位移进行控制 整个控制系统采用MCS 51单片机作为核心 介绍了这个控制系统的设计 方法 并给出了能实现上述控制系统的硬件电路原理图以及软件程序流程图 其中的模糊控制器采用离线计算 在线查询决策的方法 易于工程实现 3 期刊论文 周聪 张桂香 赵泉明 ZHOU Cong ZHANG Gui xiang ZHAO Quan ming 一种基于模糊控制的中央空调智 能末端控制器的研制 机械与电子2005 9 介绍了一种中央空调智能末端控制器 其采用模糊控制技术实现了对房间温度的自动控制 并阐述了它的组成 硬件 软件以及模糊算法的设计 4 会议论文 杨光友 廖冬初 张铮 张道德 苏旭武 钟飞 工业洗衣机模糊控制系统研究 2002 根据工业洗衣机特点 探讨了模糊控制系统基本输入量的检测方法及模糊控制器的设计 研究了基于MCS51单片机的工业洗衣机模糊控制系统的实现 给出了控制系统的硬件解决方案 介绍了基于分时操作系统原理的工业洗衣机模糊控制系统软件设计 5 学位论文 孙涛 形状记忆合金计算机表征系统 2002 该文所介绍的功能材料特性评价装置的任务是用一台微机完成功能材料的特征性能参数 应力 应变和温度 采集 处理 显示和记录 并且可以按照 受力 受热规程 对实验的应力 应变或温度的变化进行智能化反馈控制 系统采用了工业控制中常用的MCS51单片机控制材料试验拉伸机构并且采集参数 再配上用于接收和处理数据的计算机