基于現場總路線的模糊控制系統

　　Profibus-PA現場總線專為過程自動化而設計，標準的本質安全的傳輸技術，實現了IECl158-2中規定的通信規程，用于對安全性要求較高的場合即總線供電的站點。應用模糊控制技術與ProfHbus-PA現場總線，過程測控控制系統的實現大為簡化，并具有智能化、網絡化等特點，本文將模糊控制技術與現場總線相結合設計了水泥回轉窯溫度智能測控系統。

　　一、干法回轉窯智能模糊控制系統設計

　　1.1 干法回轉窯工況分析

　　新型干法水泥生產過程中，預分解回轉窯具有大慣性、純滯后、非線性等特點。根據生產工況分析，回轉窯燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度是影響水泥熟料質量的關鍵因素，因而這兩個溫度的穩定，能保持回轉窯具有好的燒成質量和節能效果，同時對回轉窯熱工穩定和穩定運行都很重要，因此將燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度作為受控變量，而將影響燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度的回轉窯速度、喂煤量作為控制變量。通過調整回轉窯的拖動電機轉速、給煤電機轉速和喂料電機轉速來調整給煤量和喂料量。由于回轉窯難以建立精確的數學模型，采用傳統的PID控制策略凹難以獲得滿意的控制品質。本文采用模糊控制器實現對燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度的控制。

　　1.2 回轉窯模糊控制器設計

　　設燒成帶溫度和尾氣溫度分別用BT與GT表示，并把BT和GT作為被控制量，用ks、CS和MS分別表示窯主電機轉速、喂料電機轉速和喂煤電機轉速并作為控制量。其中生料下料量與窯速、排風量與喂煤量在鍛燒過程中均保持一定比例關系，圖1為回轉窯溫度控制框圖?！　?/p>

　　1.2.1 被控制量與控制量模糊化

　　被控制量BT對應的語言值模糊子集選取為{VL，LL，L，N，H，LH，VH}其中VL=太低;LL=較低;L=低;N=正常設定;H=高;LH=較高;VH=太高，并確定BT整數論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。被控制量GT對應的語言值模糊子集選取為{VL，L，N，H，VH}，其中VL=太低;L=低;N=正常設定;H=高;VH=太高，并確定GT整數論域為{-2，-1，0，1，2}。

　　控制量KS對應的語言值模糊子集選取為{NM，NS，M，PS，PM}，其中NM=較低速;NS=低速(稍慢);M=中速;PS=高速(稍快);PM=較高速;并確定KS的整數論域為{-2,-1，0，1，2}。控制量CS對應的語言值模糊子集選取為{NM,NS,MK,PS,PM}，其中NM=較低速;NS=低速(稍慢);MK=中速保持;PS=高速(稍快);PM=較高速，確定CS的整數論域為{-2,-1，0，1，2}?？刂屏縈S對應的語言值模糊子集選取為{NS,MK,pS}，其中NS=低速(稍慢);MK=保持;

　　PS=高速(稍快);確定MS的整數論域為{-1，O，1}。

　　1.2.2 模糊規則庫建立

　　對被控量BT、GT的變化量eBT和eGT進行采樣(通過A/D轉換)，同時對窯轉速KS、喂料電機轉速CS和喂煤電機轉速MS進行采樣，得到系統的幾組輸入輸出數據對，采用三角形模糊器和直接合成推理法建立模糊規則庫。

　　根據回轉窯的工況要求和實際生產經驗，建立被控制量燒成帶溫度BT、窯尾溫度GT與控制量回轉窯主電機轉速朋的模糊控制規則如表1所示。　　

　　燒成帶溫度BT、窯尾溫度GT與控制量喂料電機轉速CS、喂煤電機轉速MS的模糊控制規則表可用同樣方法建立。

　　由表1可得IF BT是VL，且GT是VL，則KS為NM等模糊控制規則，結合模糊規則表可得模糊控制矩陣{Cij}。

　　采用組合推理，先求得模糊關系矩陣:　　

　　式中：Rij=Ai×Bj。

　　通過模糊關系矩陣計算輸出模糊控制量矩陣

　　C*=(A*×B*)ToR (2)

　　式中:"o"表示模糊矩陣的最大，即代數積合成運算。將上述過程編成程序，通過計算機求解控制器輸出C*的隸屬度;同樣可求得D*和E*的隸屬度。

　　1.2.3 解模糊

　　解模糊就是求出每一個模糊量輸出的精確值，即對模糊控制信號的隸屬函數圖形進行解模糊處理。在此采用質量中心法COG(center of gravity)，結合加權平均，計算模糊輸出量C*的精確值，其求解方法為:　　

　　由上式可分別計算得到對輸入論域中不同離散值的精確輸出控制量。

　　二、基于ProHbus-PA回轉窯溫度控制實現

　　2.l Profibus-PA總線硬件設計

　　2.1.1 總線通信接口電路

　　通信接口電路采用SIEMENS專用芯片SPC4和SIMl芯片實現，SPC4集成了ProfibuS-DP和PA的全部協議，SPC4可處理報文、地址碼及備份數據序列，可完全按照協議，完成Profibus-PA網絡上的數據通信。SIMl(SIEMENS IEC Hl介質連接單元)芯片與IEC Hl即Proflbus-PA信號兼容，作為SPC4的擴展芯片使用。Profibus-PA總線接口電路如圖2所示?！　?/p>

　　2.1.2 溫度控制與Profibus-PA總線通信接口電路

　　溫度檢測電路由紅外光電傳感器、放大器、A/D轉換器(D/A轉換器)、AT90S8515微處理器、LCD顯示器、報警電路等組成。紅外光電傳感器把水泥窯胴體表面溫度轉換為mV電壓信號，通過放大電路放大后輸出。紅外光電傳感器檢測窯胴體溫度，并轉換為電壓信號，通過OP07進行放大，送ADCO809由A/D轉換成數字信號，ADCO809的時鐘由AT90S8515的ALE信號經D觸發器4013二分頻后提供，AT90S8515的PA口決定了訪問ADCO809的地址，模數轉換結束后ADCO809的EOC送往AT90S8515產生中斷請求。

　　采用雙單片機完成回轉窯溫度測控與Profibus-PA總線信息交換，Profibus-PA總線接口電路單片機AT89S52和回轉窯溫度檢測導控制電路單片機AT90S8515通過讀取雙口RAMIDT7132完成數據交換，如圖3所示?！　?/p>

　　2.2 系統軟件設計

　　由于ASIC芯片SPC4內部集成了完整的Profibus-PA協議，因此AT89S52的主要任務是根據SPC4的產生的中斷對SPC4接收到的主站發出的數據轉存，組織要通過SPC4發給主站的數據，經過SIM1市制后，由耦合器發送給主站，并根據要求組織外部診斷。Profibus-PA接口程序包括SPC4初始化程序和具體的I/O應用程序，圖4為Profibus-PA總線與回轉窯溫度測控系統通信程序流程圖?！　?/p>

　　三、結束語

　　隨著生產過程自動化水平的不斷提高，自行開發基于總線的接口設備和各種智能設備將不斷出現，本文采用模糊控制技術，基于Profibus-PA現場總線、AT89S52和AT90S8515雙單片機設計了PA總線通信接口電路與回轉窯溫度測控系統，實際應用表明該系統通信可靠、便捷，具有廣泛的應用價值。