姚海军

（西安航空职业技术学院计算机工程系，陕西西安710089）

随着模糊数学的发展，模糊规划、模糊逻辑、模糊语言、模糊控制[1]等一系列新学科、新技术也得到迅猛的发展，应用广泛，大到航空航天，小到人工智能、医疗诊断、家电产品，渗透到工、农、国防、医疗卫生、金融经济、社会科学等各个领域，当然在工业造化方面的应用也相当普遍。

模糊理论的概念是在20世纪六十年代由美国加里福尼亚大学教授L.A.Zadeh首次提出的。它是与经典的精确理论相对的，比如人的性别要么是男要么是女，其内涵和外延是确定的；而许多概念的内涵和外延是不明确的，如人个子的高低、胖瘦、美丑，气温的温暖、炎热、凉爽和寒冷，甚至“过去、现在、将来”之间也没有一条截然分明的界限……，这就是模糊理论的概念。

模糊控制是相对与传统的精确控制而言的。精确控制是点控制，而模糊控制则是区域（范围）控制，最终通过点控制结束控制或联动其他控制[2-3]。

1 问题的提出

在制造业生产过程中，从原理到成品，需要经过许多环节，可能有中间产品，这些中间产品在等待进一步加工的过程中，通常存放在一个中间仓中，这个仓起着承前启后的作用，不但有利于原料量的稳定和均衡，而且可以提高生产的连续性，进而保证了产品的质量。如图1就是一个中间仓在生产线中的示意简图。为了简单起见，以从“原料→中间仓→成品”这个简单的生产工艺为例进行说明。

图1 带中间仓的生产工艺过程简图Fig.1A simple chart of production procedure with a proportioning bin

在通常情况下，原料从源头通过输送皮带输入中间仓中，同时又从中间仓卸出进行加工。一般地，入仓和出仓流量都是通过阀门调节来控制的，而且进仓和出仓的流量应保持相等。但是，由于物料的粒度、黏度、仓中物料堆积的时间、阀门机械部件等因素，有时还要考虑保证仓中有一定的仓位，使得入仓和出仓的流量存在着差异。如果输入的量大于卸出的量，就有满仓的可能，满仓就必须断掉输送的原料供应；如果输入的量小于卸出的量，就会有空仓的可能，空仓就必须终止生产加工，以保证设备的安全和产品的质量。

采用传统的控制方式，即一有料位报警就联锁停车，如图2所示。图中的H和L分别表示料位高报警和低报警，并与进料和卸料电机联锁，这样起停频繁，不但对设备不利，更重要的是影响了产品产量和质量。所以如何保证合理的仓位，在料位报警时，有足够的处理时间，以保证生产线能够最大限度地连续运行，提高产品质量、延长设备寿命，显得尤为重要。

图2 简单的料位高低报联锁控制Fig.2Simple interlock control with high/low alarm

2 分析与解决方案

在生产过程中，操作员起着很重要的作用。对于有经验的和责任心强的操作员，认真地观察和分析数据，及时地调整参数，往往把隐患消灭在萌芽状态；对于新手或经验不足的操作员，常常是频繁地改变操作数据，遇到报警手忙脚乱，结果却常常出事故。

如果采用区域控制，即模糊控制，如图3所示，不但可以过滤掉大多数假信号、提高控制质量，还可以减轻操作员和现场工作人员的劳动强度。

图3 具有模糊概念的料位控制Fig.3Level control with fuzzy concept

在图3中，HH和LL分别表示料位高高报警和低低报警，并与取料和卸料电机联锁，而H（高报）和L（低报）只负责提示。H~HH为料位高报警区，但是高而不溢；L~LL为料位低报警区，但是低而不空；L~H间为料位正常区。只有当料位达到HH或LL，就联锁停车，回归到精确控制。

这样设计的好处在于，当料位出现高报或低报，即处于H~HH区或L~LL区时，可以提示操作员料位高了或低了，操作员及时调整操作参数，不至于满仓或空仓。因此在生产线和控制系统的设计中，要考虑仓容量及相关参数的设定。

假设原料输送皮带的总长为L（m）；皮带的带速为v（m/s）；原料喂料秤流量最大为W（t/s，）；物料的密度为ρ（t/m3）；仓深为D（m）；仓的截面积为S（m2）；入仓流量和出仓流量分别为Wi和Wo（t/s）。按照此假设，来设置各个参数的值。

1）仓容量容量要合适，一般要有几个小时（一个工作班，如8小时）的容量。这个运算很简单，就是：

通常略大于这个值就可以了。

2）HH的设定这个料位高高报直接联锁取料电机停车。考虑到设备的起停过程要求空载，而整个过程是皮带运输，取料机停车之后，必须待皮带上的料卸完才能停皮带。要保证仓不溢，HH的值可以通过下面计算粗略得出。皮带上的物料量最大为W（L/V+T）吨，这也是停车后可以向仓中输入的最大物料量。这些物料在仓中的高度为WL/VρS米。这样就可以粗略地计算出HH的值为D-WL/VρS米。计算这个参数值时，使用的都是常量，而且用的是皮带喂料秤的最大值而不是平均值。用积分计算当然精确得多，但在此没有这个必要。

3）LL的设定。这个联锁与下游设备无关，所以可以设定为料位计的下限值。

4）H和L的设定。这两个参数的设置，是为了给操作员留出足够的处理时间。仓中物料的变化量可以用下列的积分计算：

通常，当流量稳定或波动不大时，这个变化量可以简单地表示成：

其中t为时间。无论是多么先进的控制系统和多么优秀的操作员，都存在着反应滞后的情况，所以这个时间是必须考虑的，假设操作员和计算机应反应平均滞后时间总共为T0（s），平均处理时间为T（s），则这个过程中，仓中物料的变化量为：

仓位高度变化量为：

这样，H和L的值分别可设定为：

这种方法，还可以防止误报警，也就是错误数据的采集或者瞬间数据的非常变化。这些参数的设定，提供量化的控制依据，所以需要通过比较精确的计算确定。但在生产实际中，经验数据也是非常重要的。事实上，在求H时，可以令W0取零；在求L时，可以令Wi取零。

另一方面，在软件设计时，可以通过设置模拟量参数的死区，使得参数的变化由线性函数转化成阶梯函数，这样可以过滤掉在报警区附近的干扰数据，保证控制的平稳。

3 结论

对于简单的控制，使用精确控制就足够了。但在复杂的工艺控制过程中，往往要使用复杂的算法，比如对于闭环控制或PID控制回路[4-6]，使用简单的精确控制是不够的。把复杂的问题转换为一个简单的数学模型，并广泛应用，已是当今科技发展的一个方向[7]。本文通过模糊控制和精确控制的结合，完成料位的自动控制就是一例。利用模糊控制理论，对参与过程控制的模拟量进行研究，设计出合理的报警区域，把精确的点控制扩展到区域控制，使得过程控制更加灵活多样。

在生产过程中，不仅仅是中间仓料位的控制，包括温度、压力、流量、转速等参与控制的模拟量参数，都可以用这个思想来处理（并不都是必须的）。在控制回路中，影响跳闸（停车）的是高高报（HH）或低低报（LL），这样在遇到高报（H）或低报（L）时，使操作员有足够的处理时间，从而保证了生产的连续性，提高了设备的使用寿命，更重要的是保证了产品的质量。只是提高了编程的复杂度，要求编程人员要有一定的控制理论知识，而且还要有一定的实际生产经验。

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