（機械工程專業(yè)論文）石膏石粉末干燥系統(tǒng)計算機控制技術的研究.pdf

華中科技大學碩士學位論文 摘要 紙面石膏板是我國新型建筑材料的重要組成部分，其生產過程綜合運用了機械、 自動化、計算機等多種技術。產品質量的穩(wěn)定性和生產效率主要取決于粉末干燥系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，因此開發(fā)石膏扳粉末干燥自動控制系統(tǒng)對提高石膏板的產品質 量和生產效率具有重要意義。智能化是石膏粉末干燥控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，目前， 國內對石膏粉末干燥智能化控制系統(tǒng)的研究還很少，因此很有必要對其設計方法進 行專門研究。 本文在分析石膏石粉末控制系統(tǒng)功能需求的基礎上，提出了石膏石粉術干燥控 制系統(tǒng)硬軟件的功能定義和主要技術參數(shù)，可靠性、適應性和易用性是該控制系統(tǒng) 的基本設計目標。據(jù)此，本文提出了一個石膏粉末干燥自學習p i d 控制系統(tǒng)模型。 本文對自學習p i d 控制系統(tǒng)的設計方法進行了詳細的討論，提出石膏粉末干燥自學 習p i d 控制系統(tǒng)的設計原則：在合理的成本控制下優(yōu)選工業(yè)標準的組件和部件進行 系統(tǒng)集成以保證可靠性。p l c 或計算機系統(tǒng)可以選作該控制系統(tǒng)的控制單元，對其 特性和適用條件論文也作了分析。此外，論文還討論了該控制系統(tǒng)工程實現(xiàn)中的一 些重要問題，包括：現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理、執(zhí)行機構的控制和動態(tài)數(shù)據(jù)的管理等。 最后，論文介紹了北新建材集團有限公司的工程實例作為前述研究的驗證。一 年來，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定表現(xiàn)出良好的可靠性和適應性，表明該系統(tǒng)達到了設 計目標。 關鍵詞；紙面石膏板粉末干燥智能化自學習控制 i 華中科技大學碩士學位論文 a b s t r a c t p l a s t e r b o a r d sa r ei m p o r t a n tt od o m e s t i cn e wb u i l d i n gm a t e r i a lm o d e r n i z a t i o n t o i m p r o v ep l a s t e r b o a r d sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , i t i s n e c e s s a r yt od e v e l o pa u t o m a t i c p l a s t e r b o a r dp o w d e rd r y i n gc o n t r o ls y s t e m s ，w h i c hn e e d si n t e g r a t i o no ft e c h n i q u e sf r o m d i f f e r e n t d i s c i p l i n e s , s u c h a sm e c h a n i s m ，a u t o m a t i o na n dc o m p u t e r , e t c t ob e i n t e l l i g e n t i z e di sad e v e l o p m e n tt r e n do ft h e a u t o m a t i cp l a s t e r b o a r dp o w d e rd r y i n g c o f l t r o is y s t e m u n t i ln o w , t h e r ea r ef e wd o m e s t i cr e s e a r c h e sc o n d u c t e df o rt h ea u t o m a t i c p l a s t e r b o a r dp o w d e rd r y i n gc o n t r o ls y s t e m ，s oi ti sn e c e s s a r y t os t u d yt h em e t h o d o l o g yo f d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gs e l f - l e a r n i n gc o n t r o ls y s t e m f o rt h em o d e ma u t o m a t i c p l a s t e r b o a r dp o w d e rd 咖n gc o n t r o ls y s t e m i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h ea u t o m a t i c p l a s t e r b o a r dp o w d e rd r y i n gc o n t r o ls y s t e m ，as e to fi m p o r t a n tf u n c t i o n sa n dt e c h n i c a l p a r a m e t e r so ft h el a n dp l a s t e rd e s i c c a t i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e f i n e da n ds u m m a r i z e d ， i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds 0 1 r a r ea s p e c t s r e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n do p e r a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e ms h o u l db ep r i m a r yd e s i g nt a r g e t s t h e n ，am o d e lo f t h el a n dp l a s t e rc o n t r o l s y s t e mi sp r o p o s e d b a s e do nt h i sm o d e l ，t h ed e s i g np r o c e s si sd i s c u s s e di nd e t a i l w i t h i n ar e a s o n a b l eb u d g e t ，i n d u s t r i a ls t a n d a r dc o m p o n e n t sa n ds u b - s y s t e m sa r ep r e f e r r e dt o e n s u r es y s t e mr e l i a b i l i t y e i t h e ran e t w o r k e dp l co rac o m p u t e rs y s t e mc a l lb eu s e da s t h ec o n t r o l l e ri nal a n dp l a s t e rc o n t r o ls y s t e m t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b i l i t ya r e a l s od i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，s o m ek e yi s s u e si n e n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n sa r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go nt h es p o t ，c o n t r o lo fa c t u a t o r s ， m a n a g e m e n to fd y n a m i cd a t a ，e t c f i n a l l y , o n ep r o j e c t si m p l e m e n t e di nb e i j i n gn e wb u i l d i n gm a t e r i a l sc o ，l t di s d e s c r i b e dt ov a l i d a t et h ea b o v er e s e a r c h t h el a n dp l a s t e ri nb e i j i n gh a sb e n e f i t e df r o m t h er e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m s u c c e s s f u lo p e r a t i o no v e ro n ey e a r i n d i c a t e dt h a tt h el a n dp l a s t e rc o n t r o ls y s t e mh a dr e a c h e di t sa n t i c i p a t e dd e s i g no b j e c t k e y w o r d s ：p l a s t e r b o a r d l a n dp l a s t e r i n t e u i g e n t i z e ds e l f - l e a r n i n gc o n t r o l h 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所星交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。盡我所知，除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含任何其他個 人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體， 均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名：扔棗 日期：塒反年，鉬；d 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有 權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱a 本人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密口， 在年解密后適用本授權書。 本論文屬于不保密4 ( 請在以上方框肉打“4 ”) 學位論文作者簽名： 塒璺 日期：- r 年o 月孑d 日 指捌嗽：參晏俊 日期：步砌哞，。月；0 日 華中科技大學碩士學位論文 1 1 課題來源 1 緒論 本課題是與北新集團建材股份有限公司石膏板廠第二條雙紙面石膏扳生產線的 石膏石粉末干燥系豌配套，根據(jù)現(xiàn)代控制理論的指導思想設計進行。旨在積極推進 現(xiàn)代控制理論在新型建材行業(yè)的應用，提高新型建材行業(yè)生產自動控制的整體水平。 1 2 石膏粉末干燥控制系統(tǒng)發(fā)展綜述 新型建材行業(yè)發(fā)展的歷史非常短暫，但是，新型建材行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊， 這類產品在工業(yè)和民用建筑中的應用日趨廣泛，其取代傳統(tǒng)建材產品的步伐也正在 加快，加之在高層建筑中不可被傳統(tǒng)建材產品取代的優(yōu)勢，新型建材產品博得了世 界人民的信賴與愛戴【l 】。我國從二十世紀七十年代才開始發(fā)展新型建材行業(yè)，到目 前為止，由于生產過程的自動化控制程度不高，加之其采用的控制策略均是建立在經 典控制理論之上，而經典控制理論對于隨機的、非線性的、復雜的生產過程控制有其 致命的缺陷，因此其控制精度全都差強人意。我國額型建材生產過程的自動化控制 水平與國外同期相比的差距，要比產品質量與國外同類產品質量相比的差距大的多。 因此，積極推進現(xiàn)代控制理論在新型建材行業(yè)中應用的任務迫在眉睫。早在5 0 年代 中期，人們就想借助神經系統(tǒng)模型研究一種通用的學習系統(tǒng)【2 棚。當時，基于這種樸 素的想法，如果給系統(tǒng)一組刺激，一個反饋源及修正自身組織的自由度，那么，系 統(tǒng)就會有組織地趨向最優(yōu)。由于當時計算機水平的限制，研究沒能取得預期的成功， 然而，這個領域的經驗導致了模式識別這一新學種以及決策理論方法的發(fā)展，并且， 一度促進模式識別與自動控制中的學習系統(tǒng)的研究，首次出現(xiàn)了學習控制這一思想。 1 9 6 0 年m m i n s k 與b d e p e r 揭示了這種“無認識”的感知器學習系統(tǒng)在理論上 的嚴重缺陷在當時加速了這個領域的研究隊伍的解體。與此同時，基于符號概念 的學習研究則蓬勃地開展起來。到了7 0 年代中期，出于專家系統(tǒng)的飛速發(fā)展，知識 獲取成了當務之急，各中學習策略相繼出現(xiàn)，機器學習由此得到了長足發(fā)展。機器 學習即是自動知識獲取，主要研究學習的計算理論和學習系統(tǒng)的構造方法，并不局 限于模仿人類的學習機制，而且工作重點集中在通用的學習方法的建立，性能描述 華中科技大學碩士學位論文 與分析之上。 控制系統(tǒng)的設計與調整自始至終都體現(xiàn)著人類的學習能力，如針對大型專業(yè)生 產系統(tǒng)設計計算機控制系統(tǒng)，首先就是要通過與專家交談及閱讀相關資料，即通過 指導學習與機械學習方式獲得被控對象的基本知識，通過觀察試驗建立對象的數(shù)學 模型，并構造相應控制系統(tǒng)。最后，通過類比學習，根據(jù)以往經驗來調整控制器參 數(shù)。 w i e n e r 從物種隨時間變異的現(xiàn)象給出了學習的最一般定義( w i e n e r ，1 9 6 5 ) ： 具有生存能力的動物，是那些在它的個體的一生中，能被它所經歷的環(huán)境所該造的 動物；一個能夠繁殖的動物，至少能夠產生與它自己大略相似的動物，雖然這種動 物不會完全相似到隨時間的推移而不再發(fā)生變化的程度：如果這種變化是自我遺傳 的，則就有了一種能夠受自然選擇的原料：如果這種變化以某種行為方式表現(xiàn)出來， 則只要該行為不是有害的，這種變化就會一代一代地繼續(xù)下去。這種一代到下一代 的變化形式就稱為種族學習或系統(tǒng)發(fā)育學習，而特定的個體中發(fā)生的行為變化或行 為學習，則稱為個體發(fā)育。 s h a n n o n 對于學習的定義考慮了所有可能的個體發(fā)育學習中的一個子集 ( r m g l o r i o s o ，1 9 5 7 ) ：假定一個有機體或一臺機器處于某一種環(huán)境中，或者跟 該類環(huán)境有聯(lián)系：而且假定存在一個對該環(huán)境是“成功”的量度或“自適應”的量 度；進一步假定，這種量度在時間上是比較局部的量度，即人們能夠在比該有機體 生命期為短的時間內，測定這個成功的量度【1 2 。如果對于所考慮的這類環(huán)境，這種 局部的成功量度有隨時間而改善的趨勢，那么就可以說，相對于所選擇的成功量度， 該有機體或機器正在為適應這類環(huán)境而學習著。 o s g o o d 從生理學角度表述了學習的定義( r m g l o r i o s o ，1 9 5 7 ) ：所謂學習 是指在同類特征的復雜環(huán)境中，有機體依靠自己的自適應性，使自己的行為在競爭 反應中的選擇不斷地改善、增強。這類選擇變異是由個體的經驗形成的。 上述定義對于學習本質的認識，有助于在工程控制系統(tǒng)中研究開發(fā)學習功能。 k s f u 詳細闡述了學習控制的意義，指出學習控制器的任務是在系統(tǒng)運行中 估計未知的信息并基于這種估計的信息確定最優(yōu)控制，逐步改進系統(tǒng)的性能 ( k s f u ，1 9 7 0 ) 。 y z t s y k i n 把系統(tǒng)中的學習一詞理解為一種過程，通過重復個輸入信號并從 外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對于特定的輸入信號具有特定的響應。而自學習就是 ， 華中科技大學碩士學位論文 不具有外來校正的學習，或即不具有懲罰和獎勵的學習y z t s y k i n ，1 9 6 6 ) 。 g n s a r i d i s 認為，如果一個系統(tǒng)能對一個過程或其環(huán)境的未知特征所固有的 信息進行學習，并將得到的經驗用于進步的估計、分類、決策或控制，從而使系 統(tǒng)的品質得到改善，那就稱此系統(tǒng)為學習系統(tǒng)。而學習系統(tǒng)將其得到的學習信息用 于控制具有未知特征的過程，就成為學習控制系統(tǒng)( g n s a r i d i s ，1 9 7 7 ) 。 1 3 課題的目的和意義 將現(xiàn)代控制理論的先進思想運用于新型建材產品的生產過程中，將使隨機的、 非線性的、復雜的生產過程的自動控制系統(tǒng)具有絕對穩(wěn)定性，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能 良好，即：響應動作快，動態(tài)過程平穩(wěn)，跟蹤值準確，具有較強的抗干擾能力【“?！?。 從而提高產品質量，提高產品合格率，提高勞動率，降低能源消耗，提高經濟效益。 根據(jù)石膏石的加工特性和工藝要求( 第三章中有詳細闡述) 可知，干燥后的石 膏粉末的質量好壞，主要研判依據(jù)就是石膏粉中c a s 0 4 1 2 h 2 0 ( 半水石膏) 的含 量，含量越高，質地越好。傳統(tǒng)石膏石粉磨干燥系統(tǒng)生產的產品中c a s 0 4 1 2 h 2 0 的含量比較穩(wěn)定，含量大約在7 5 ，但該系統(tǒng)存在的最大缺陷是生產效率受到了嚴 重的制約，因此，提高成品產量成為一種奢望。為了滿足現(xiàn)代化大工業(yè)生產的需要， 九十年代國外將磨粉與干燥一體的粉磨干燥系統(tǒng)引入到石膏石粉磨干燥過程中來， 這樣，石膏石加工的生產率的到了迅速提高，然而，由于改變了加工的工藝過程， 使得成品中c a s 0 4 1 2 h 2 0 的含量波動范圍較大，大約在1 8 4 5 ，遠遠達不到節(jié) 能降耗的目的。因此，本課題的主要目的就是利用現(xiàn)代控制理論，尋找種適合于 新型建材行業(yè)的新型控制策略，從而提高新型建材行業(yè)的整體控制水平。 1 4 本文主要研究工作 根據(jù)石膏板廠石膏粉末干燥系統(tǒng)過程控制現(xiàn)狀及控制方法，本課題提出并研究 了一種石膏板廠石膏粉末干燥系統(tǒng)干燥過程的自學習控制策略。該自學習控制策略 包括兩大部分：熱風機熱負荷系統(tǒng)的鼓風量熱煙溫度學習控制器和輸送系統(tǒng)的目 標信號優(yōu)化前饋學習控制。 熱負荷系統(tǒng)鼓風量一熱煙溫度學習控制器是個復合控制系統(tǒng)，它包括兩部分： 基本學習控制和比例積分控制，學習控制器的輸出等于兩分量之和?？ｋp?？刂破?華中科技大學碩士學位論文 用來實現(xiàn)熱風機出口煙溫的穩(wěn)定。采用基本學習控制系統(tǒng)對單元給定階躍響應獲得 滿意的特性，采用比例積分控制減少零點附近的擺動，提高了系統(tǒng)的精度，消除了 擾動帶來的誤差。 輸送系統(tǒng)的目標信號優(yōu)化前饋學習控制包括兩個控制回路：風( 鼓風量) 石膏 粉( 輸送量) 比的開環(huán)控制和煙氣混合量調節(jié)的閉環(huán)控制。風和石膏粉比的開環(huán)控 制是通過調節(jié)鏈條運行速度束控制喂料量。煙氣混合量調節(jié)的閉環(huán)控制是通過調節(jié) 熱風回收系統(tǒng)的鼓風量而使煙氣溫度保持在設定值上。 1 5 本文的研究目標 系統(tǒng)控制的目標是經過該系統(tǒng)的運行使干燥系統(tǒng)( 炒鍋) 的出口溫度控制出原 來的9 0 0 _ _ _ 5 。c 縮減到9 0 0 _ _ + 2 c 。從而使石膏板粉末干燥效率提高8 ，節(jié)約操作工 人力1 入，煤耗降低5 ，從而縮短生產周期。 4 華中科技大學碩士學位論文 2 石膏粉末千燥控制系統(tǒng)的功能需求分析 2 1 工藝分析 2 1 1 石膏石粉末干燥系統(tǒng)的工藝流程 石膏石粉磨干燥系統(tǒng)的工藝簡圖如圖2 1 ： 乍h 一生 ：i 倉 1 熱煙來臼熱煙爐；2 流量控制器：3 壓力傳感器；4 溫度傳感器：5生料傳輸控制器： 6 熟料去熟料倉；7 流量控制器；8 廢氣去煙囪；9 系統(tǒng)風機 圖2 1石膏石粉磨干燥系統(tǒng)的工藝簡圖 圖2 1 是石膏石粉末干燥系統(tǒng)的生產工藝流程示意圖，可以看到，系統(tǒng)的熱煙 氣是熱煙爐的熱煙和從系統(tǒng)風機后的熱煙重復利用裝置回收的熱煙通過熟煙混合室 混合后進入磨機的，混合后的熱煙溫度是由流量控制器控制調節(jié)。系統(tǒng)的生料是由 生料傳輸控制裝置直接輸送到磨機中。磨機中炒制好的熟石膏粉末是通過磨機中的 負壓作用被吸到電收塵中進行收集。 2 1 2 原材料加工的工藝要求 石膏石粉磨干燥系統(tǒng)是將石膏石磨粉與粉末干燥分開進行，即首先在磨機中將 石膏礦石加： 成粒度符合生產要求的粉術，然后，將石膏粉放入炒鍋中進行干燥， 5 華中科技大學碩士學位論文 直到符合要求。其檢測標準是檢測成品中c a s 0 4 i 2 h 2 0 ( 半水石膏) 的含量， c a , s 0 4 i 2 h 2 0 的含量越高，則該產品越符合要求。因為，就石膏的生產的工藝過 程麗言，是先將二水石膏煅燒成熟石膏( 熟石膏的成分包括：半水石膏，三相石膏， 二水石膏，死石膏和固體雜質) ，然后將熟石膏加水、添加劑制成毛坯，將毛坯干燥， 形成穩(wěn)定的不溶于水的石膏產品。其反應方程式如下： 11 c a s 0 4 h 2 d ! l c h s 0 4 2 0 ( ) 十尋h 2 0 一二 c a s 0 4 2 h 2 d 山。舳4 + h 2 0 該反應過程均為可逆反應，因此，從方程式中不難看出，如果熟石膏中半水石 膏的含量高，則每生產一單位的石膏產品，將節(jié)約1 ，2 單位的用水。而且在產品干 燥過程中，因為自由水少而使其需要的熱量和干燥時間減少，這樣，不僅節(jié)約了能 源，而且提高了勞動生產率，因此，在石膏的煅燒過程中，增加半水石膏的含量是 節(jié)能降耗的關鍵。 熟石膏加熱、攪拌、凝結時的變種形式如圖2 2 所示： c a o s 0 3h 2 0 一 蒿 c a s 0 42 h 2 0 c 8 0 s o ， h 1 0 如o l 1 v r f 惹拌 c a s 0 41 2 h 2 01 5 h 2 0 失去 c a o s 0 3h 2 0 7 c a s 0 4n 2 h 2 0 苦 c a o s 0 3h z oh 2 0 、 蒸發(fā)山士 圖2 2 熟靠青掘熱、攪拌、凝結時的變種形式陶 6 華中科技大學碩士學位論文 加工過程的溫度直接影響半水石膏的形成。因此，溫度目標值的實現(xiàn)是解決問 題的關鍵。 半水石膏( c a s 0 4 1 2 h 2 0 ) 是二水石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 在脫水過程中的一 個初級產物，二水石膏在液體中或蒸汽壓下脫水，則生成a 型半水石膏；若在常壓 下脫水，則生成b 型半水石膏。目前生產使用的即為1 3 型半水石膏，而b 型半水石 膏的生成主要受加工溫度的影響，其生成過程的化學方程式為： 11 c a s 0 4 2 h 2 d + c 矗5 q 日2 d ( ) + 吾何2 0 z 二 加熱溫度過低則生成的b 型半水石膏少，若加熱溫度較高，則生成物中三帽石 膏含量就會增加：若溫度過高則生成無水石膏c a s 0 4 ( 俗稱死石膏) ，這種石膏是毫 無利用價值的。1 3 型半水石膏轉變成無水石膏的放熱峰值在8 5 0 。c 。因此，控制石 膏加工過程的溫度是加工質量的關鍵。但是石膏的煅燒過程是一個隨機的、非線性 的、復雜的生產過程。 2 2 系統(tǒng)的控制要求 2 2 1 國內外現(xiàn)狀概況 到目前為止的粉磨設備有：擺式磨粉機( 雷蒙磨) ，高速粉碎機，連續(xù)震動磨， 立式磨機，無球磨機等。但是，由于石膏特性的限制，目前國內使用最多的是4 r 擺式磨粉機，美國燃燒公司的雷蒙分公司研制出了雷蒙磨，用圓柱形的磨輥和帶有 1 5 0 傾斜研磨表面的磨盤加工石膏，產品細度可調范圍大，但磨輥形狀不對稱，不能 調換使用，壽命短，其產量一般在每小時2 3 噸，效率低，產量??；高速粉碎機對 于脆性材料較為合適，但對于柔性材料生產能力同樣低；連續(xù)震動磨由于石膏粉易 粘于滾棒或滾球表面和內桶表面，維修工作量大，長時間連續(xù)生產的產量明顯下降， 并且生產時噪音大，不太適合現(xiàn)代工廠生產的需要；立式磨機和無球磨機原本用于 水泥生產，無球磨機在國內石膏板行業(yè)剛剛使用，而立式磨機國內只有北新集團建 材股份有限公司一家使用。國外除了德國的可耐夫公司仍然使用傳統(tǒng)的雷蒙磨生產 石膏板外，其它公司多數(shù)都采用立式磨機生產石膏板。實際應用情況表明，使用立 式磨生產石膏粉，基本解決了石膏粉磨中的技術難題，做到了減少設備，降低了能 源消耗，使產量提高了2 0 5 0 。存在的問題就是溫度目標值的實現(xiàn)較為困難。 目前，我國使用的立式磨是德國生產的彼特斯磨，該磨基本上由粉磨室、選粉 7 華中科技大學碩士學位論文 機和傳動機械組成，用可調節(jié)的鋼簧裝置向上磨圈施加壓力，使磨球象滾珠軸承中 的滾珠一樣在上下磨圈之間滾動，喂料機把石膏石從磨套側面送入粉磨室，在那里 被離心力投入磨球下面。已粉磨的石膏從磨球的周邊離開粉磨室，被上升氣流送入 選粉機中，從選粉機中出來的粗粉回到粉磨室，而細粉隨氣流一起離開磨機。在磨 粉的同時，生石膏由適當溫度的熱煙氣煅燒成熟石膏。然而，送料機送入生石膏的 速度和熱煙閘扳的開度控制都直接影響磨機內熱煙的溫度，加之送入生石膏的品位 和自由水的含量是一個隨機量，因此，溫度的檢測值相對于目標值有5 c 的波動， 這已經是目前控制策略下的最小波動范圍，也是新的控制策略所要解決的主要閥題。 2 , 2 2 預測與展望 與傳統(tǒng)的雷蒙磨相比，我們目前采用的立式磨采用厚床原理，能量消耗較少， 整個系統(tǒng)的電能降低1 0 左右：烘干能力大，由于熱風從環(huán)縫中進入風速可達 6 0 8 0 m s ，因此烘干效率高：入磨粒度大，最大粒度可達磨輥直徑的5 ，因此可以 降低對破碎系統(tǒng)的要求；生料化學成分和顆粒級配均齊，生料在磨內停留時間僅2 3 分鐘，因此，該粉磨系統(tǒng)中的化學成分可以很快地得到測定，為采用自動分析和計 算機控制提供了良好的條件；占地面積小，占用空間小，噪音低，減少了獨立的干 燥系統(tǒng)，節(jié)約了能源。因此，該系統(tǒng)在石膏行業(yè)將得到迅速的發(fā)展。不久，隨著現(xiàn) 代控制理論發(fā)展和應用，粉磨煅燒體盼立式磨將成為新型建材行業(yè)的主流。 2 2 3 系統(tǒng)分析 在上述的生產過程中，系統(tǒng)的目標值、測量值、控制量分別是： r 廢氣回收閘板的轉動角度中 該系統(tǒng)的控制量是| l 熱煙爐進口閘板的轉動角度中 廣磨機出口溫度t 該系統(tǒng)的測量值是 磨機內上下兩層的壓力差p l 系統(tǒng)風機的流量u 廣磨機出口溫度t 0 浚系統(tǒng)的目標值是j 系統(tǒng)風機的流量u o 【磨機內上下兩層的壓力茬p 。 _ - 一 一 8 華中科技大學碩士學位論文 從生產過程的工藝流程圖中大家可以推斷出控制量對測量值的影響是： 中增大，將使t 減小，p 減小，u 增大： o 減小，將使t 增大，p 增大，u 減?。?中。增大將使t 增大，p 減小，u 增大： 巾。減小將使t 減小，p 增大，u 減小。 這是一個隨機的、非線性的、復雜的生產過程，若使該系統(tǒng)的測量值形成一個 準目標值，一般p 控制系統(tǒng)不能取得良好的控制效果，原因如下： 由于石膏工業(yè)的特點，對磨機采用傳統(tǒng)的控制調節(jié)方法不能滿足工藝要求，一 些重要工藝參數(shù)的檢測技術級未解決，數(shù)學描述建成數(shù)學模型困難，增加了實現(xiàn)自 動控制的難度。 石膏生產控制有其特殊性，粉磨的主機控制是時變的多參數(shù)控制，滯后的時間 長，容量大，反應物為粉狀的物料，其工藝參數(shù)難于直接測取，而只能利用間接參 數(shù)來推斷其工藝過程。又無形中增加了控制難度。 國內石膏板廠已經應用集散控制系統(tǒng)作為生產控制的主要手段，測控和管理生 產過程，設有不少控制回路以穩(wěn)定溫度控制，但仍未能綜合控制充分發(fā)揮自動化 的功能，最大限度地提高控制精度，從而提高經濟效益和勞動生產率，其主要原因 是控制策略的研究和應用方面仍然存在一些有待解決的技術難點。 2 3 控制方案的選擇及其分析 究竟選用那一種控制方案最優(yōu)呢? 以奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)為核心的頻率分析法 和根軌跡分析法兩大系統(tǒng)分析工具配以數(shù)學解析方法的時域分析法，構成了經典控 制理論的基礎【2 0 - 2 2 。所用的數(shù)學工具主要是線性方程和基于拉普拉斯變換的傳遞函 數(shù)，研究對象基本是單輸入單輸出系統(tǒng)，以線性定常系統(tǒng)為主。 現(xiàn)代控制理論研究所用的數(shù)學工具主要是狀態(tài)空間法?，F(xiàn)代控制理論誕生與五 十年代術六十年代初，它的形成標志是貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃，龐特里雅金的最大值原 理以及卡爾曼濾波器和能控能觀概念的提出。現(xiàn)代控制理論的主要分支包括：線性 多變量控制系統(tǒng)，隨機控制( 包括估計、預測和濾波) ，最優(yōu)控制，系統(tǒng)辨識，自適 應控制，非線性控制，分布函數(shù)系統(tǒng)，大系統(tǒng)和近些年形成的自學習控制。其中自 學習控制和自適應控制是解決系統(tǒng)不確定問題較為理想的方法。 自適應控制電簡單地說。自適應控制系統(tǒng)能適應系統(tǒng)的環(huán)境或對象特性的變化， 0 華中科技大學碩士學位論文 它根據(jù)對可達的輸入輸出量的在線觀測信息，自動校正或調整控制器的參數(shù)和性能， 使系統(tǒng)保持在最優(yōu)的或滿意的工作狀態(tài)i 2 。 學習控制和自適應控制處理不確定性問題都是基于在線的參數(shù)調整算法，都要 使用與環(huán)境、對象閉環(huán)交互得到的實驗信息。但二者對不確定問題處理的程度、著 重點和目的存在著重要的區(qū)別。 自適應控制著眼于瞬時觀點，它的目標是針對干擾和動態(tài)特性隨時間變化的情 況，維持某種期望的閉環(huán)性能【2 4 - 2 5 1 。實際中當系統(tǒng)的工作點出現(xiàn)變化時，動態(tài)特性 隨時間變化的現(xiàn)象可能是由于非線性引起的。大多數(shù)自適應控制的規(guī)律一般都不能 在很廣的范圍內將控制作用表示為當前運行狀態(tài)的函數(shù)，因此它的控制器是缺乏記 憶的，即使是時不變的非線性特性，而且是以前經歷過的特性，它也要重新適應， 補償所有的瞬時變化。進一步，甚至在理想的環(huán)境下，每當對象特性變化時，自適 應過程的動態(tài)性還會引起期望控制作用的滯后。這就意味著不合適的控制作用也可 能要維持一段時間。對于不變的非線性對象特性，不合適的控制作用會導致不必要 的過渡過程，從而造成控制性能的下降。而對于線性的動態(tài)特性，如果變化非?？欤?僅依靠自適應作用也可能無法維持期望的控制性能。 相比之下，自學習控制要求把過去的經驗與過去的控制局勢相聯(lián)系，能針對一 定的控制局勢調用適當?shù)慕涷?。學習控制強調記憶，而且記憶的是控制作用表示為 運行狀態(tài)的函數(shù)的經驗信息。因此，學習控制對于那些單純依賴于運動狀態(tài)的對象 特性變化具有較快的反應。這種情況典型地表現(xiàn)為非線性特性。 小結：本章主要分析了石膏粉末干燥系統(tǒng)的特性和工藝及控制要求，同時對這些要 求進行了具體分析，在分析結果的基礎上來尋找一種現(xiàn)代控制方法，來實現(xiàn)控制目 的。 一 l o 華中科技大學碩士學位論文 3 系統(tǒng)控制方法的探討 3 1 自學習概念 自學習控制的基本思想 2 3 - 2 8 1 是這樣的，選定某個性能指標如 j ( o ) = e f ( y ( t ，p ) ，u ( t ，( 口) ) j 式中，y 為輸出，u 為控制輸入，0 為調節(jié)器的可調參數(shù)，e f 】表示取數(shù)學期望。 用性能指標達到極小的方法來修正調節(jié)器的參數(shù)。 采用該控制系統(tǒng)后，預計使生產的熟石膏中半水石膏的含量大于6 0 。技術指 標是使目前系統(tǒng)的溫度波動范圍從5 降低到l ，節(jié)能大約2 8 。 自學習控制系統(tǒng)簡易框圖如圖3 1 所示： t 0 圖3 1自學習控制系統(tǒng)簡易框圖 ( 1 ) 自學習控制理論的發(fā)展背景 學習這一概念在臼常生活中使用非常廣泛，非常通俗，目前沒有統(tǒng)一的定義。 人們從不同的學科角度、不同的理解層次來表述學習、學習控制和學習控制系統(tǒng)。 有一種比較完整、規(guī)范的學習控制表述是值得推薦的： 個學習控制系統(tǒng)是具有這樣一種能力的系統(tǒng)它能通過與控制對象和環(huán)境的 閉環(huán)交互作用，根據(jù)過去獲得的經驗信息，逐步改善系統(tǒng)自身的未來性能阻3 2 j 。 這種表述說明了學習控制的一般特點： 有一定的自主性。學習控制系統(tǒng)的性能是自我改進的： 是一種動態(tài)過程。學習控制系統(tǒng)的性能隨時間而變，性能的改進在與外界反 復作用的過程中進行； _ - _ _ _ - 。_ _ - - _ _ - _ _ - - - _ - _ - - - - _ _ _ _ ，_ _ - - 一一 華中科技大學碩士學位論文 有記憶功能。學習控制系統(tǒng)需要積累經驗，用以改進其性能： 有性能反饋。學習控制系統(tǒng)需要明確它的當前性能與某個目標性能之間的差 距，施加改進操作。 ( 2 ) 自學習控制的分類 工程上對于學習的研究起源于人工智能中對學習機制的模擬。一條途徑是基于 人腦結構模型來模擬入的形象思維。4 0 年代初，m c c u l l o c h 和p i t t s 就提出了一種最 基本的神經元突觸模型。5 0 多年來，已經有數(shù)百種神經元模型和神經網絡模型被發(fā) 表。這些學習模型具有聯(lián)想和分布記憶的特征，與非線性動力學關系密切，導致了 非線性問題的學習控制的發(fā)展。另一條途徑是通過基于人腦外部功能來模擬人的邏 輯思維。5 0 年代末，s a m u e l 研制了能與人對弈而且能積累經驗的跳棋程序。6 0 年 代f e i g e n b a u m 的語言學習模型表明從參數(shù)學習到概念學習的發(fā)展。7 0 年代中 b u c h a n a n 和m i t c h e l l 的m e t a d e n d d d r a l 系統(tǒng)等研究表明，從孤立概念的符號學 習到知識系統(tǒng)的結構學習的跳躍。8 0 年代以來，示例式、觀察式、發(fā)現(xiàn)式、類比式 等多種學習機制被深入研究，一些工具式學習系統(tǒng)可供應用。以上階段的研究形成 了“機器學習”的人工智能學科分支，它以知識為中心，綜合應用知識的表達、存 儲、推理等技術，是自動知識獲取的重要手段。 人工智能對于學習的研究有力地推動了學習控制理論的發(fā)展。6 0 年代以來，學 習控制的研究方向主要有3 類。 3 1 1 基于模式識別的學習控制 這一方向主要起源于人工神經元的研究，采用的方法基本上是模式識別，著重 于參數(shù)的自學習控制。 k s n a r e n d r a 等最先研究了基于性能反饋進行校正的方法( 1 9 6 2 年) ：其后， 由f w s m i t h 提出了一種利用自適應模式識別技術的開關控制方法( 1 9 6 4 年) ； a r b u t e 推出學習b a n g - b a n g 調節(jié)器( 1 9 6 4 年) ；a m m e n d e l 等進一步將模 式分類器方法用于控制系統(tǒng)( 1 9 6 8 年) 。 m d w a l t z 和k s f u 將線性再激勵技術引入學習控制系統(tǒng)，被認為是在 控制系統(tǒng)中最早應用了人工智能啟發(fā)式方法。這類研究是基于模式識別的學習控制 的另一個思路。j m m e n d e l 將根據(jù)這類方法研究了一個衛(wèi)星的精確姿態(tài)控制問題 ( 1 9 6 6 年) 。 砭s f u 還首先提出了利用b a y e s 學習估計的方法( 1 9 6 5 年) 。對于這類自學 華中科技大學碩士學位論文 習控制系統(tǒng)y z t s y p k i n 等還研究了隨機逼近方法，并利用隨機自動機構成學習 系統(tǒng)的模型，j s r i o r d o 討論了m a r k o v 學習模型( 1 9 6 9 年) 。 總之，隨著基于模式識別的參數(shù)自學習控制方法的發(fā)展，出現(xiàn)了利用模式分類 器、再激勵學習、b a y e s 學習、逼近學習、隨機自動機、學習自動機和語義學方法 的各種學習控制系統(tǒng)。 3 1 2 基于迭代和重復的學習控制 這一方向主要針對于在一周期內作重復運動的系統(tǒng)，它不但與傳統(tǒng)的控制理論 相聯(lián)系，而且可導出易于工程實現(xiàn)的簡單的學 - j 控制規(guī)律【3 ”。 這類方法最早見于日本日本學者內山的一篇有關機器人控制的論文( 1 9 7 8 年) 。 其后，井上和中野等人從頻域角度將其發(fā)展為重復自學習控制( 1 9 8 0 年) ：有本、 川村和宮欹等又將內山的初步研究成果理論化為時域的迭代自學習控制。自此，這 種方法主要從時域、頻域兩方面開始得到獨立的研究和發(fā)展。 主要在時域中發(fā)展的迭代自學習控制應用較廣，成果較多。由我國學者鄧志東 等研究了迭代自學習控制與逆系統(tǒng)，有界性、靈敏度和最優(yōu)調節(jié)等問題的關系，深 刻地指出這種自學習過程實質是逼近逆系統(tǒng)的過程。一些研究者隨后又提出了多變 量系統(tǒng)的最優(yōu)迭代自學習控制一、離散時間系統(tǒng)的迭代自學習控制，自適應迭代自 學習控制以及非線性系統(tǒng)的迭代自學習控制等方法。 主要在頻域中發(fā)展的重復自學習控制只適用于有界連續(xù)周期性期望輸出的精確 伺服跟蹤系統(tǒng)，應用面較窄，研究不夠深入。這類方法實際上是圍繞穩(wěn)定條件的逐 步放寬和學習控制系統(tǒng)的綜合這兩方面問題展開的，有關在多變量系統(tǒng)、離散時間 系統(tǒng)中的運用問題也得到了研究。 迭代與重復自學習控制分別在時域、頻域中研究，但基本思想是一致的，都是基 于系統(tǒng)不變性的假設、基于記憶系統(tǒng)的間斷的重復訓練過程。鑒于此，我國的鄧志東 將這兩種方法統(tǒng)一起來，提出了一種異步自學習控制理論，建立了包含更多新內容的 體系和框架( 算子描述、l 2 穩(wěn)定與漸進穩(wěn)定，系統(tǒng)周期不變的約束等) 。有關方法已 針對三軸運動模擬臺正弦振動失真的補償問題進行了仿真實騷- 3 1 3 聯(lián)合主義學習控制 主要基于人工神經元網絡機制的聯(lián)結主義學習控制系統(tǒng)是人工智能學科領域近 年來蓬勃發(fā)展的一大學派。聯(lián)結主義與學習控制的結合已被認為是一種新型的學 - j 控 3 華中科技大學碩士學位論文 制方法，它與基于知識積累推理的符號主義學習方法( 機器學習) 相比，更具有效性。 w l b a k e r 和j a f a n e l l 在1 9 9 0 年前后提出了聯(lián)結主義學習控制系統(tǒng) ( c o l a r l e c t i o n i s tl e a r n i n gc o n t r o ls y s t e m s ) 的概念，論述了它的理論方法。這種方法把 控制系統(tǒng)看作是從對象輸出和控制目標到控制作用的映射，學習就是一種自動的綜 合多變量函數(shù)映射的過程，而學習過程的根據(jù)則是某種優(yōu)化原則以及在運行中逐步 積累的經驗信息，學習過程的實現(xiàn)是通過系統(tǒng)參數(shù)和結構的選擇調整完成的。 聯(lián)結主義的學習機制源于生物學，和行為科學，在神經元網絡等方面的研究中 也得到了大量的實踐。 3 2p i d 控制 一般p d 控制系統(tǒng)階躍響應曲線如圖3 2 所示： 圖3 2 一般p i d 控制系統(tǒng)階躍響應曲線圖 一般調節(jié)器增益參數(shù)是固定的，而用這種固定參數(shù)調節(jié)器設計控制系統(tǒng)常存在 快速性和超調節(jié)量之間的矛盾，使得控制系統(tǒng)難以達到滿意的控制效果。 常規(guī)p i d 控制方法是通過合理調整誤差信號的比例、微分、積分增益大小來對 系統(tǒng)實施有效控制的。設計中增大比例調節(jié)量能夠提高響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差， 但過大又會導致超調震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。加入微分量，可抑制超調，但又會 使響應速度變慢。大的積分增益有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會使系統(tǒng)過度過程變長。 當對系統(tǒng)動念特性要求不高時，可以從上述矛盾關系中找到一組折中的固定增益參 數(shù)來作為p f d 調節(jié)器的參數(shù)，但當對系統(tǒng)動態(tài)特性要求較高時，就不得不考慮用增 1 4 華中科技大學碩士學位論文 益參數(shù)的非線性變化特性來解決這一問題。即采用現(xiàn)代控制理論與p i d 相結合的方 式柬設計控制系統(tǒng)，以求將現(xiàn)代控制的動態(tài)性與p i d 的穩(wěn)態(tài)特性相結合，從而達到 滿意的控制效果。 目前在工業(yè)領域，特別是在過程控制領域，大量使用p i d 控制算法，它是在不知 道系統(tǒng)數(shù)學模型的情況下，通過在線的調整比例、積分、微分三個參數(shù)對系統(tǒng)進行控制。 常規(guī)連續(xù)系統(tǒng)p i _ d 控制規(guī)律為： 啪，= 印+ ( ) 出+ 五警0 其中，u ( t ) 為t 時刻系統(tǒng)的輸入，e ( t ) 為t 時刻系統(tǒng)期望輸出值與實際輸出值之差， k p 、t 。t d 分別為系統(tǒng)的比例系數(shù)和積分、微分時間常數(shù)。 用于計算機控制系統(tǒng)的離散形式的p i d 控制算法為： u ( i ) = k p e ( i ) + ( t s t i ) e ( k ) 罷【e ( i ) 。( i 1 ) 其中，u ( i ) 為t = i l 時系統(tǒng)的輸入，t s 為系統(tǒng)的采樣周期，它的選用必滿足s h a n n o n 采樣定理，即 ( 1 t ) ( 2 - 3 ) 其中，f m 。為被采樣信號的最高頻率。 事實上，s h a n n o n 采樣定理只給出了采樣頻率的基本原則，就抗干擾能力而言， 高性能連續(xù)控制系統(tǒng)能達到誤差下界一定小于數(shù)字控制系統(tǒng)，所以，提高采樣頻率 可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但從工程實際出發(fā)，對較高的采樣頻率，應該有較長 的計算機字長，最少要在最低有效位上能夠反映出信息變化，同時，計算機需要處 理的數(shù)據(jù)會成倍的增加，因此，會降低系統(tǒng)的反映速度。石膏粉末干燥系統(tǒng)主要應 用電機控制，因此，本系統(tǒng)的采樣頻率，按經驗數(shù)據(jù)選擇為： f , - - i 1 采洋時間為1 2 0 秒。共取1 0 2 4 個數(shù)據(jù)點。 實際應用中采用遞推肜式的p i _ d 控制規(guī)律： u ( i ) = u ( i ) 一u ( i i ) 華中科技大學碩士學位論文 = k 口 【e ( i ) 一e ( i 一1 ) + t s e ( i ) t i + t d e ( i ) 一2 e ( i 一1 ) + e ( i 一2 ) 】) 由于p i d 控制參數(shù)的選擇需要豐富的經驗，k 廿、t ，、t d 三個參數(shù)之間存在著相 互制約，再加上系統(tǒng)的非線性福合，使得系統(tǒng)的綜合性能很難酒節(jié)到最佳，這時， 就必須采用更為先進的智能控制算法來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。 3 3 自學習p i d 控制算法 3 。3 1 一般自學習控制算法的構成 自學習控制算法用于具有可重復性運動的被控對象，需要滿足以下條件： ( 1 ) 每次運行時間間隔為t ，t 大于零； ( 2 ) 期望輸出y d ( t ) ，t 屬于給定區(qū)間【0 ，t ； ( 3 ) 系統(tǒng)的動力學結構在每次運動中保持不變，且每次運動前，系統(tǒng)的處態(tài) c k ( o ) 都相同，k = o ，i ，2 ，為學習次數(shù)； ( 4 ) 每次運行中的y k ( t ) ，t 屬于給定區(qū)f 日7 o ，t 可測，誤差為e k ( t ) = y d ( t ) y k ( t ) 。 一般自學習控制系統(tǒng)的框圖如圖3 3 所示： 蚓33 一般自學習控制系統(tǒng)的框圖 一一。一 1 6