计算机应用
Computer Applications
1999年 第19卷　第8期 Vol.19　No.8 1999



模糊控制在烟丝加香控制系统中的应用
马铁军
　　摘　要　本文介绍了烟丝加香模糊控制系统的设计与实现，在分析PID控制和模糊控制特点的基础上，结合烟丝加香的具体情况，提出了采用变增益积分模糊控制器的烟丝加香控制系统设计方案，讨论了智能积分控制对减小稳态误差的问题。
　　关键词　模糊控制系统，模糊控制器，智能积分
THE APPLICATION OF FUZZY CONTROL
IN THE CONTROL SYSTEM OF FLAVORING CUT TOBACCO
Ma Tiejun
Chengdu Institute of Computer Application, 
The Chinese Academy of Sciences, Sichuan．Chengdu 610041
　　Abstract　This paper introduces the design and realization of the fuzzy control system of flavoring cut tobacco. Based on the analysis of the features of PID control and fuzzy control, the paper deals with the specific conditions of flavoring cut tobacco, and proposes a new system design which includes a fuzzy controller with changeable gain and integration. The paper also discusses about reducing error in stable condition by intelligent integration.
　　Keywords　Fuzzy control system, Fuzzy controller, Intelligent integration
1　概述
　　烟丝加香是卷烟厂烟丝制造生产线(简称制丝线)的三大工艺环节之一，烟丝加香控制就是根据制丝线上烟丝流量的变化，实现按设定加香比均匀喷香。影响加香控制的因素很多，一方面，烟丝生产属于连续物料生产，生产线上数十台设备的运行状况都影响着烟丝流量；另一方面，喷香量受加香泵和电机特性、引射用压缩空气压力、喷头状况等影响，从而使烟丝加香表现出不定因素多和非线性，很难建立精确数学模型，长期以来，一直采用人工手动控制。但随着卷烟市场向中高档香烟转移，新的工艺要求与原有的控制手段形成一对矛盾。双模PID控制是常用的高精度控制方法，但必须建立在精确的数学模型基础上，因此无法直接应用于加香控制。模糊控制无须建立被控对象的精确数学模型，且具有鲁棒特性好和响应速度快的优点，但用常规模糊控制方法实现高精度控制，会导致控制规则复杂，实现困难。为了提高控制精度，且使设计工作简便，作者设计了变增益积分模糊控制器，其实质是在常规模糊控制器中引入智能积分控制，且这个常规模糊控制器的输出增益可调。
2　系统设计
　　烟丝加香控制系统由检测设备、控制器、执行机构三部分组成。检测设备有：烟丝称重皮带称、香料流量检测电磁流量计、反射式红外传感器。控制器为一台工业控制计算机和一台PLC，工控机为主控制器，PLC用于对管路电磁阀的控制。执行机构为一台加香泵、泵驱动电机、变频调速器和管路电磁阀。系统组成框图如图1所示。


图1　烟丝加香控制系统框图
　　香料流量检测传感器输出4～20mA标准仪表信号，为保证香料流量检测精度，A/D采集板为12位。烟丝称重皮带称输出脉冲信号，每一脉冲表示相应重量的烟丝，光隔计数板对该脉冲进行计数。反射式红外传感器用于检测生产线上是否有烟丝，输出触点信号，送光隔I/O状态采集板。工控机控制D/A板输出0～5V信号控制变频调速器，以改变三相交流电机转速，最终控制加香泵输出香料。
3　加香模糊控制器设计
　　烟丝加香模糊控制系统采用的变增益积分模糊控制器，原理见图2。误差e*(连续量)、误差变化ec*(连续量)分别通过量化因子GE、GEC量化并求出量化等级量e和ec，经模糊化处理得模糊量E、EC，再由模糊控制规则及模糊推理求得控制输出等级量u，经比例因子（增益）GU得精确量u*，u*与积分量Kl×e*的和Δv作为控制增量控制变频调速器调节加香电机转速。增益可调有两方面的好处，一方面，增益调整相当于模糊控制规则的部分调整；另一方面增益调整相当于调整精控制过程中模糊控制和积分控制的作用比例。


图2　变增益积分模糊控制系统原理框图
　　加香比控制过渡过程曲线见图3，图中b为设定加香比，b+Δ～b-Δ为加香比误差较小区。当采样加香比在误差较小区以外时，系统由模糊控制器实现粗跟踪，当采样加香比在误差较小区以内时，系统进入精密控制，在ab、de、gh段误差有增大趋势，引入智能积分Kl×e*，以减小稳态误差


图3　加香比控制过渡过程曲线
　　烟丝加香变增益积分模糊控制器输出控制增量Δv由式1计算出：
Δv = θ×Ku1×u 　｜e｜≥3,
θ×Ku2×u 　
　　　　｜e｜<3 , e×ec< 0 或 e = 0 ,
θ×（Ku2×u + Kl×e*）　
　　　　｜e｜<3 , e×ec>0 或ec=0 而e≠0,
　　　　Ku1≥Ku2＞ 0，Kl＞0(1)
Ku1 、Ku2为模糊控制器输出增益，θ为与一段时间内烟丝平均流量L平均有关的参数，流量大则θ大，若设生产线额定烟丝流量为L额定，θ= L平均/ L额定。引入θ的目的是使系统更好地适应生产线上烟丝流量的调整。e*表示加香比误差连续量。
　　下面介绍图2中的常规模糊控制器设计。
　　加香比为喷加香料流量与烟丝流量的千分比，在实际应用中，加香比误差e*和加香比误差变化ec*按表1转换为论域［-6，+6］上的离散量e和ec，输出电压变化u的离散论域为［-7，+7］。
　　EC、U的模糊集合为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，E的模糊集合为{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。
表1　模糊变量的论域等级表

加香比误差e*量化等级e误差变化ec*量化等级ec
大于2.0‰6　——
2.0‰5大于2.0‰6
1.6‰42.0‰5
1.2‰31.6‰4
0.8‰21.2‰3
0.3‰10.8‰2
0.1‰+00.4‰1
-0.1‰-0-0.1‰～0.1‰0
-0.3‰-1-0.4‰-1
-0.8‰-2-0.8‰-2
-1.2‰-3-1.2‰-3
-1.6‰-4-1.6‰-4
-2.0‰-5-2.0‰-5
小于-2.0‰-6小于-2.0‰-6

　　e、ec和u的隶属度函数采用正态分布形，糊控制规则如表2。通过模糊合成运算［2］，得模糊控制决策表见表3。
表2　模糊控制规则表

ECUEPBPMPSONSNMNB
PBPBPBPBPBPMOO
PMPBPBPBPBPMOO
PSPMPMPMPMONSNS
POPMPMPSONSNMNM
NOPMPMPSONSNMNM
NSPSPSONMNMNMNM
NMOONMNBNBNBNB
NBOONMNBNBNBNB

表3　模糊控制决策表

ECUE-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6
-6-7-6-7-6-7-7-7-4-4-2000
-5-6-6-6-6-6-6-6-4-4-2000
-4-7-6-7-6-7-7-7-4-4-2000
-3-7-6-6-6-6-6-6-3-20111
-2-4-4-4-5-4-4-4-100111
-1-4-4-4-5-4-4-1000321
-0-4-4-4-5-1-10111444
+0-4-4-4-5-1-10111444
+1-2-2-2-2001443444
+2-1-2-1-2004443444
+30000336666666
+40002447776767
+50002446666666
+60002447776767

4　实际运行测试
　　现场应用证明，采用变增益积分模糊控制器的烟丝加香控制系统，可以满足高档香烟的加香工艺要求，加香比控制精度误差由原来离散变增益控制的±5%提高为±3%，超调量由14.1%降低为8.7%。专家鉴定认为该系统在国内首次把模糊控制方法应用于烟丝加香控制，明显改善了烟丝加香工艺，属国内先进水平。该系统具有设计简洁、运算量小、调试方便的优点，自1995年在成都卷烟厂首套投运以来，已推广应用十余套，各套系统均在工厂稳定运行，为卷烟厂带来了巨大的经济效益。
作者简介：马铁军　助理研究员，在读硕士研究生。主要从事计算机检测及智能控制的研究。
作者单位：马铁军　中国科学院成都计算机应用研究所　四川．成都(610041)
参考文献
　［1］胡家耀,等.参数自调整Fuzzy-PI调节器.信息与控制，1987，(6)
　［2］李士勇.模糊控制*神经控制和智能控制.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996
　［3］张健民,等.基于工程整定法的模糊PID.信息与控制，1998，(1)
　［4］汪陪庄,等.模糊系统理论与模糊计算机.北京：科学出版社，1996
　［5］孙增圻,等.智能控制理论与技术.北京：清华大学出版社，1997
　［6］顾树生,等.模糊控制系统稳定性分析及模糊控制器.控制与决策，1991，(3)
收稿日期:1999-03-26
