1 前言

在工礦企業(yè)中．破碎系統(tǒng)是一個(gè)常見(jiàn)的工藝環(huán)節(jié)、各種具有工序進(jìn)行篩分處理。破碎機(jī)給料，一般采用人工調(diào)控閘門(mén)方式、這種調(diào)整方式存在的主要問(wèn)題是操作人員需頻繁操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、而且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載波動(dòng)的實(shí)時(shí)有效控制，破碎系統(tǒng)工作效率低，對(duì)電氣和機(jī)械設(shè)備的使用壽命也很不利。

目前電力拖動(dòng)控制中較為先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，在國(guó)內(nèi)已有成功的應(yīng)用，取得了較好的效果。本文結(jié)合首鋼礦業(yè)公司燒結(jié)廠破碎機(jī)采用的模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒功率控制進(jìn)行分析、論證。

2 控制系統(tǒng)總體方案論證

2.1 破碎系統(tǒng)工礦分析

燒結(jié)廠破碎系統(tǒng)的工作任務(wù)是：將來(lái)自原料系統(tǒng)（灰石等）各種物料由皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送至料倉(cāng)，料倉(cāng)下設(shè)熔字號(hào)皮帶給料機(jī)，向破碎機(jī)下料，物料在破碎機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)破碎后經(jīng)皮帶輸送至下一道工序，其工藝流程如圖1所示。

熔字號(hào)皮帶(熔l—熔4皮帶)給料采用人工手動(dòng)調(diào)整料倉(cāng)下料口機(jī)械閘門(mén)開(kāi)度的方式進(jìn)行控制。

由于受外部供料條件的限制，原料系統(tǒng)上料成分變化較大，造成錘子負(fù)荷波動(dòng)很大，表現(xiàn)在運(yùn)行電流大幅度擺動(dòng)．而且經(jīng)常處于超載狀態(tài)，影響電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)械的正常運(yùn)行，電機(jī)燒損故障時(shí)有發(fā)生。崗位操作難度很大，靠人工調(diào)節(jié)大法準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)的控制到最佳下料量，有時(shí)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被迫將閘門(mén)調(diào)至很小，負(fù)荷雖然是控制住了，但是下料量小，生產(chǎn)效率低下，常常無(wú)法滿足供料需要，使下道丁序出現(xiàn)待科，延長(zhǎng)了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，浪費(fèi)了能源。

以前，我們對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部分進(jìn)行了多次改進(jìn)以及對(duì)上道工序物料的質(zhì)量穩(wěn)定方面也進(jìn)行了侖效控制，有一定效果，但是仍不能從根本上解決問(wèn)題，特別是從企業(yè)提高效益和提高科技水平的角度看，建立起科學(xué)有效的自動(dòng)緒料控制系統(tǒng)，已成為一個(gè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.2 不同控制方式的分析論證

從對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制的角度看，控制給料量一般有三種方式可供選擇、即人工控制方式、PID控制方式和模糊控制方式。

2.2.1 人工調(diào)整控制方式

此方式是燒結(jié)廠以前采用的方式，采用傳統(tǒng)的調(diào)整給料閘門(mén)的方式近行控制點(diǎn)作崗位要隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整閘門(mén)開(kāi)度，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在滯后現(xiàn)象。

2.2.2 PID控制方式

帶有比例(P)、積分(I)和微分(D)控制的調(diào)節(jié)器，一般能實(shí)現(xiàn)有效的閉環(huán)控制，獲得比較滿意的控制效果。但是PID控制系統(tǒng)要求被控制對(duì)象要相對(duì)穩(wěn)定，控制變量不宜過(guò)大，在不同的擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出值應(yīng)能保持在給定值附近。但在破碎系統(tǒng)中，由丁負(fù)荷波動(dòng)的頻率和幅度均較大，這樣被控對(duì)象的模型參數(shù)是一個(gè)隨時(shí)變化且有隨機(jī)擾動(dòng)影響的過(guò)程，所以無(wú)法建立具體的自動(dòng)控制模型．從現(xiàn)場(chǎng)條件和技術(shù)角度看，不具備府用的條件。

2.2.3 模糊邏輯拄制方式

模糊邏輯控制方式采用20世紀(jì)90年代模糊智能控制技術(shù)，是智能Fuzzy理論的發(fā)展，自20世紀(jì)60年代模糊理論的提出，至今已在自動(dòng)控制、人工智能、圖像識(shí)別、農(nóng)作物培育等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)那些非線性的、影響因素多、難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

應(yīng)用模糊理論，可將人工經(jīng)驗(yàn)上升為數(shù)值運(yùn)算，使以往憑操作者經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的手動(dòng)控制，通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。模糊控制器的設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)根據(jù)輸人信息，按照總結(jié)于手動(dòng)控制的策略取得的語(yǔ)言控制進(jìn)行推理，給出輸出判斷，并且將其轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確量反饋到控制對(duì)象，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制。這種控制過(guò)程可以不具備數(shù)學(xué)模型，把一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程以語(yǔ)言形式定性描述，并實(shí)現(xiàn)對(duì)控制設(shè)備的可靠輸出。

基于上述分析，我們不難發(fā)現(xiàn)模糊控制技術(shù)能夠適應(yīng)破碎機(jī)系統(tǒng)參數(shù)變化頻繁以及調(diào)節(jié)量大的工況需要，可設(shè)定由理論和經(jīng)驗(yàn)得來(lái)的最佳運(yùn)行功率值。控制器呵根據(jù)模糊邏輯推理，追蹤破碎機(jī)電機(jī)電流的變化，調(diào)節(jié)給料皮帶轉(zhuǎn)速，時(shí)時(shí)地改變下料量，使破碎機(jī)的工作電流控制在設(shè)定的最佳值附近，實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)保持恒功率高效運(yùn)行。

2.2.4 總體方案設(shè)計(jì)

決定破碎機(jī)電機(jī)保持恒功率使之處于理想范圍下的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)改善給料條件，調(diào)節(jié)皮帶給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)下料量，控制破碎機(jī)運(yùn)行電流。基于上述控制思路，采用模糊控制技術(shù)、設(shè)計(jì)出以下總體方案，如圖2所示。

其基本工作方式是：根據(jù)破碎機(jī)電機(jī)主回路側(cè)電流互感器采集的電流值，經(jīng)霍爾變送器傳人模糊控制器，經(jīng)過(guò)模糊推理作出判斷、并發(fā)出指令．給變頻器輸出信號(hào)、調(diào)镕皮帶給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種采集一判斷一輸出一控制的過(guò)程在反復(fù)和連續(xù)不斷地進(jìn)行，使破碎機(jī)的工作始終保持在理想恒功率狀態(tài)下。

此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)可根據(jù)生產(chǎn)需要和實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)沒(méi)定，模糊智能控制的結(jié)果是在保護(hù)電機(jī)及傳動(dòng)設(shè)備的前提下，可最大限度地提高設(shè)備利用率以提高生產(chǎn)效率；

(2)可設(shè)計(jì)具備多種聯(lián)鎖控制和保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停控制．可有效防止設(shè)備埋料、堵轉(zhuǎn)等惡性故障的發(fā)生；

(3)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)給料方式，便于特殊情況下維持設(shè)備運(yùn)行，及便于檢修和其他操作；

(4)實(shí)現(xiàn)了控制智能化，操作簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，維護(hù)量很小。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

從系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖上．我們呵看出系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)破碎機(jī)電機(jī)的電流采集和轉(zhuǎn)換部分、包括電機(jī)主凹路側(cè)的電流互感器和霍爾變送器；

(2)模糊邏輯控制器；

(3)三相交流變頻器；

(4)電機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)附加控制部分。

以下對(duì)系統(tǒng)中主要元器件的工作原理進(jìn)行分別說(shuō)明。

3.1 霍爾變送器

霍爾變送器主要用于特檢測(cè)到的電機(jī)負(fù)荷電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模糊控制器可接受的標(biāo)準(zhǔn)毫安級(jí)電信號(hào)，霍爾變送器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的。所謂霍爾效應(yīng)，即霍爾元件在電磁力的作用下，其內(nèi)部的自由電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受格倫茲力的作用，使電子向垂直于磁場(chǎng)和自由電子運(yùn)動(dòng)的方向移動(dòng)，并在端面上產(chǎn)生電荷積累，而此時(shí)霍爾元件兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流J和磁場(chǎng)磁通5乘積成正比例的電勢(shì)UH，其公式為：

單位電流、單位磁場(chǎng)作用下，開(kāi)路的霍爾電勢(shì)輸出值，產(chǎn)生的電勢(shì)叫霍爾電勢(shì)。霍爾變迭器就是由霍爾元件組成的，具有在靜止?fàn)顟B(tài)下感受磁場(chǎng)從而糧較大電流轉(zhuǎn)換成一定的微電壓信號(hào)的能力，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)．其原理如圖3所示。

破碎機(jī)電機(jī)主回路側(cè)的電流互感器二次側(cè)電流范圍是0-5A，而模糊控制器要求的輸入電流為毫安級(jí)，根據(jù)霍爾變送器的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)選擇型號(hào)為：LM型，變換比為1000∶1。

3.2 模糊邏輯控制器

設(shè)計(jì)一個(gè)Fuzzy模糊邏輯控制器，必須解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)準(zhǔn)確量的Fuzzy化，把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值轉(zhuǎn)換為某適當(dāng)?shù)恼撚蛏系腇uzzy子集；

(2)Fuzzy控制算法的設(shè)計(jì)，通過(guò)一組Fuzzy條件語(yǔ)句構(gòu)成控制規(guī)則、并計(jì)算控制規(guī)則決定的Fuzzy關(guān)系；

(3)輸出信息的Fuzzy判斷，完成由Fuzzy量到相確量的轉(zhuǎn)化。所渭Fuzzy控制只是在所采用的控制方法上使用了Fuzzy即數(shù)學(xué)理論．但它所進(jìn)行的完全是定性的工作。

但Fuzzy控制器的設(shè)計(jì)也存在—些有待解決的問(wèn)題：如怎樣更實(shí)用、有效地判別控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何選取確定采樣時(shí)間量化等級(jí)以及Fuzzy條件語(yǔ)條數(shù)的優(yōu)化語(yǔ)控制規(guī)則的修正有無(wú)普通方法，如何規(guī)定所使用語(yǔ)言值的辭義的定義，如何減少對(duì)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)量的要求等等，還有待進(jìn)一步的探索、研究和完善。

本系統(tǒng)具體應(yīng)用時(shí)，考慮到破碎系統(tǒng)具有頻繁的隨機(jī)變化情況和較強(qiáng)的時(shí)滯特性、采用基本的Fu研控制器難以取得滿意的控制效果，因此選擇了通過(guò)測(cè)量、控制量校正和控制規(guī)則修正，實(shí)現(xiàn)在線修正和改善控制規(guī)則的智能模糊控制方案。

模糊控制器是本系統(tǒng)的核心部分，破碎機(jī)負(fù)荷及狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器模糊推理之后發(fā)出指令，傳送到交流變頻器控制其輸出。

模糊控制器的控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

原理說(shuō)明：設(shè)W為當(dāng)前設(shè)定值；en為當(dāng)前誤差；M1、M2為控制模式切換界面，M2＜M1。

(1)當(dāng)誤差｜en｜≥M1時(shí)，用二位式控制模式．只有當(dāng)｜en｜≤M1時(shí)，才考慮其他特征值，并用相應(yīng)的模式控制以減少動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間；

(2)當(dāng)誤差M2≤｜en｜＜M1時(shí)，若誤差有增大趨勢(shì)或保持不變，應(yīng)加上一個(gè)較大的統(tǒng)制量，以盡快糾正誤差。如果此時(shí)誤差具有收斂趨勢(shì)，顯然這個(gè)控制是合適的，應(yīng)保持它。而控制量en改變的大小取決于歷史數(shù)據(jù)對(duì)誤差變化的速度等參數(shù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行在線推測(cè)，以得到相應(yīng)的控制規(guī)則；

(3)當(dāng)｜en｜＜M2此時(shí)，系統(tǒng)誤差很小，控制量應(yīng)謹(jǐn)慎，因?yàn)榇藭r(shí)控制對(duì)象已趨于設(shè)定位并正在穩(wěn)定下降，這時(shí)只能在原來(lái)的控制值上加一個(gè)很小的糾正量，以便逐漸趨于設(shè)定值，特別是誤差收斂時(shí)，還應(yīng)及時(shí)盡早減少控制量，在規(guī)則中應(yīng)保持模式參數(shù)來(lái)控制該提前量的大小。

3.3 變額器

變頻控制技術(shù)是目前交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制中一種較先進(jìn)和值得推廣的一項(xiàng)技術(shù)。變頻器通過(guò)改變電機(jī)的輸人頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，對(duì)其工作原理在此不作過(guò)多的論述。破碎機(jī)上料系統(tǒng)皮帶電機(jī)采用了變頻調(diào)速控制，變頻器選用的是日本東芝生產(chǎn)的VF—A5系列變頻器，型號(hào)為VF—A5—4055P。

4 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)功能

本系統(tǒng)中破碎機(jī)主電機(jī)的額定電流為46A，額定電壓為6kv，功率380kw。根據(jù)實(shí)際情況，取定的設(shè)定值為42A，第一上限值為37A，第二上限值為48A，下限報(bào)警值為34A。

4.1 控制器的主要控制功能

破碎機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)：在控制器上可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定最優(yōu)負(fù)荷電流值(設(shè)定值)、負(fù)荷電流上限(第一、第二兩級(jí))報(bào)警值和下限報(bào)警使。

(1)在正常情況下(報(bào)警值以內(nèi))，當(dāng)破碎機(jī)在一段時(shí)間的平均負(fù)荷低于設(shè)定值時(shí)，使給料電機(jī)加速，反之則使電機(jī)減速；

(2)當(dāng)破碎機(jī)在一段時(shí)間的平均負(fù)荷高于第一上限報(bào)警時(shí)，給料電機(jī)減速至低于報(bào)警值的10％消除報(bào)警，破碎機(jī)連續(xù)超出第一上限值達(dá)8s時(shí)使給料電機(jī)急劇陣至當(dāng)前速度的50％，當(dāng)連續(xù)超出第一上限值達(dá)12s時(shí)，給料電機(jī)速度急降至零；

(3)一旦破碎機(jī)的平均負(fù)荷高于第二上限報(bào)警值時(shí)，使給料電機(jī)速度急降至零，直至負(fù)荷降至低于第一上限報(bào)警值的10％時(shí)，給料電機(jī)方可加速，連續(xù)超過(guò)第二上限值達(dá)8s時(shí)全系統(tǒng)停機(jī)。

4.2 聯(lián)鎖功能

控制器與主電機(jī)設(shè)計(jì)有聯(lián)鎖啟動(dòng)功能，即只有當(dāng)主電機(jī)正常工作信號(hào)到達(dá)控制器，才能啟動(dòng)給料電機(jī)，正常運(yùn)行中一旦得到主電動(dòng)機(jī)故障信號(hào)、立即停止給料，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4.3 機(jī)旁停機(jī)

在日常巡撿時(shí)，若發(fā)現(xiàn)進(jìn)料中有異物或其他緊急情況，會(huì)對(duì)人身和設(shè)備造成不良后果時(shí)，可進(jìn)行機(jī)旁停機(jī)，模糊控制器停止工作，給料機(jī)隨之停機(jī)。

5 系統(tǒng)總體調(diào)試

系統(tǒng)安裝全部完成后，在正式投人生產(chǎn)前，需要對(duì)系統(tǒng)的功能和工作過(guò)程進(jìn)行全面調(diào)試，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否按要求正常工作。

5.1 系統(tǒng)調(diào)試工作過(guò)程和攝作步驟

系統(tǒng)調(diào)試工作過(guò)程和操作步驟如下：

(1)檢查控制柜上元件及儀表接線是否正確，檢查破碎機(jī)電機(jī)互感器電流端子回路是否連接可靠；

(2)合上控制器電源開(kāi)關(guān)，相應(yīng)的指示燈亮；

(3)將選擇開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)位置，將控制器的給料開(kāi)關(guān)合上，系統(tǒng)進(jìn)人工作準(zhǔn)備狀態(tài)；

(4)啟動(dòng)破碎機(jī)電機(jī)及以下流程聯(lián)鎖皮帶，可由電氣聯(lián)鎖集中控制方式進(jìn)行；

(5)控制器得到聯(lián)鎖起車指令后，立即進(jìn)入工作狀態(tài)，控制給料電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，并進(jìn)人自動(dòng)控制狀態(tài)；

(6)停機(jī)時(shí)可由集中控制實(shí)現(xiàn)，也可按操作箱上停機(jī)按鈕，并將選擇開(kāi)關(guān)打至零位；

(7)當(dāng)采用手動(dòng)控制即選擇開(kāi)關(guān)打至手動(dòng)位置時(shí)，模糊控制器停止工作，由手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)停機(jī)和調(diào)速控制；

(8)當(dāng)操作系統(tǒng)斷電、破碎機(jī)故障停機(jī)或破碎機(jī)電流過(guò)小系統(tǒng)判斷為主機(jī)聯(lián)軸節(jié)脫開(kāi)等情況發(fā)生時(shí)，控制器進(jìn)行保護(hù)性停機(jī)。

5.2 系統(tǒng)調(diào)試

前面我們已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行了介紹，在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中要進(jìn)一步確認(rèn)控制功能是否完全滿足預(yù)設(shè)的控制給料電機(jī)的調(diào)速規(guī)則。我們采用人為形成負(fù)荷波動(dòng)即人為變化料倉(cāng)閘門(mén)開(kāi)度的方法，實(shí)際觀察并檢驗(yàn)了系統(tǒng)對(duì)給料電機(jī)的速度調(diào)節(jié)情況和主電機(jī)電流變化情況。

(1)使全系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，并開(kāi)始下料；

(2)調(diào)節(jié)料倉(cāng)閘門(mén)開(kāi)口度的大小，增大開(kāi)口度，使主電機(jī)電流增加，觀察給料電機(jī)速度及主電機(jī)電流的變化；

(3)繼續(xù)加大閘門(mén)開(kāi)口度，使破碎機(jī)電機(jī)電流增大，觀察給料電機(jī)速度是否急劇下降，以及主電機(jī)電流的變化；

(4)繼續(xù)加大閘門(mén)開(kāi)口度，使破碎機(jī)電機(jī)電流快速達(dá)到47A以上，觀察給料電機(jī)是否停止運(yùn)行；

(5)減小閘門(mén)的開(kāi)口度，使破碎機(jī)電機(jī)工作電流小于42A，觀察給料電機(jī)運(yùn)行速度及主電機(jī)電流變化情況。

如上述每一步調(diào)試過(guò)程中，與預(yù)定的規(guī)則不符，則需檢查硬件和軟件系統(tǒng)存在的問(wèn)題，如發(fā)現(xiàn)破碎機(jī)生產(chǎn)效率比人工調(diào)節(jié)時(shí)低，可適當(dāng)調(diào)整設(shè)定值、如果破碎機(jī)運(yùn)行到上限值時(shí)發(fā)生了壓料、堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，則需適當(dāng)調(diào)低上限電流值，上述調(diào)整可通過(guò)模徹控制器的操作鋌盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，確認(rèn)好最優(yōu)負(fù)荷電流值(設(shè)定值)、負(fù)荷電流上限(第一、第二兩級(jí))報(bào)警值和下限報(bào)警值后，即可將整個(gè)控制系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，使破碎機(jī)保持恒功率高效穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在首鋼礦業(yè)公司燒結(jié)廠4臺(tái)錘式破碎機(jī)給料控制中，效果顯著，一方面使破碎機(jī)一直滿負(fù)荷高效運(yùn)行，大大節(jié)約了電能消耗；另一方面又避免了電機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了電機(jī)燒損故障的發(fā)生，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。