制粒機(jī)是飼料機(jī)械中的關(guān)鍵設(shè)備之一，通常制粒機(jī)帶有調(diào)質(zhì)器。制粒機(jī)將料倉(cāng)送來的具有一定配比飼料通以蒸汽加熱，通過調(diào)質(zhì)、制粒等工序，最終獲得具有一定糊化度、一定水份含量的飼料顆粒。制粒機(jī)的性能直接影響顆粒飼料的質(zhì)量。同時(shí)，制粒機(jī)的裝機(jī)容量大，一般都在100kW以上。因此。使制粒機(jī)生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的顆粒飼料的同時(shí)，盡可能使制粒機(jī)滿負(fù)荷工作，以提高生產(chǎn)效率、降低能耗。事實(shí)上，制粒機(jī)屬于多變量耦合對(duì)象，常規(guī)控制很難穩(wěn)定，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生堵機(jī)，操作人員通常只能采用手動(dòng)控制，使得制粒機(jī)一般只能在欠負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行。
為了實(shí)現(xiàn)制粒機(jī)的自動(dòng)控制，同時(shí)力爭(zhēng)使制粒機(jī)工作在滿負(fù)荷狀態(tài)。本文對(duì)制粒機(jī)的關(guān)鍵裝置調(diào)質(zhì)器進(jìn)行了研究，并建立了其數(shù)學(xué)模型，利用解耦控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)解耦，同時(shí)采用預(yù)測(cè)函數(shù)控制(PFC)實(shí)現(xiàn)了制粒機(jī)的有效控制。
1、
顆粒機(jī)調(diào)質(zhì)器的數(shù)學(xué)模型建立
圖1是一種帶有調(diào)質(zhì)器的制粒機(jī)。可以看出，具有一定配比的飼料從料倉(cāng)送人，飼料量調(diào)節(jié)由送料電機(jī)速度決定。然后飼料與蒸汽一起送人調(diào)質(zhì)器中調(diào)質(zhì)。經(jīng)調(diào)質(zhì)后的飼料送至環(huán)模制粒裝置制粒。調(diào)質(zhì)是對(duì)顆粒飼料制粒前的粉狀物料進(jìn)行水、熱處理的加工工序，調(diào)質(zhì)對(duì)顆粒飼料的質(zhì)量影響很大。具體表現(xiàn)在以下幾方面：(1)是對(duì)粉狀物料進(jìn)行熟化處理；(2)是對(duì)粉狀物料進(jìn)行滅菌處理；(3)是顯著提高顆粒飼料的耐水性；(4)是改善制粒性。經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的飼料送去制粒。為了保證顆粒飼料的質(zhì)量，調(diào)質(zhì)器出料處的溫度控制很關(guān)鍵。同時(shí)，為了保證制粒機(jī)的滿負(fù)荷工作，調(diào)質(zhì)器出料的物料流量也有要求，富通新能源生產(chǎn)顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備如下所示：
顆粒機(jī)調(diào)質(zhì)器可以簡(jiǎn)單確定為雙輸入（輸入的飼料量、蒸汽量）和雙輸出（溫度、物料流量）。并且，彼此之間存在耦合。調(diào)質(zhì)器數(shù)學(xué)模型的確定可以通過測(cè)試法來實(shí)現(xiàn)，即通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)取脈沖響應(yīng)。考慮到調(diào)質(zhì)時(shí)間主要受調(diào)質(zhì)器的結(jié)構(gòu)形式、長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速等固有參數(shù)的影響，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)，可假定調(diào)質(zhì)時(shí)間固定。通過分別對(duì)輸入量加入脈沖信號(hào)（幅值為正常信號(hào)的5%左右），同時(shí)測(cè)量?jī)蓚�(gè)輸出量，通過幾次反復(fù)，我們初步獲得非參數(shù)模型的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，近似得到如式(1)表示的數(shù)學(xué)模型。
式中：r(s)是出料的溫度，F(xiàn)(s)是出料的流量。Fi(s)是輸入的飼料量，F(xiàn)z(s)是蒸汽量。
由式(1)可看出，調(diào)質(zhì)器的數(shù)學(xué)模型為2乘2的矩陣。這表明，輸入的飼料量變化既會(huì)影響出料量，同時(shí)也會(huì)影響出口溫度。同樣，蒸汽量的改變會(huì)影響出口溫度，同時(shí)它也會(huì)改變飼料在調(diào)質(zhì)器中的運(yùn)動(dòng)速度，從而影響出料流量。矩陣中的每個(gè)傳遞函數(shù)可以近似用二階線性定常模型來表示。
在實(shí)際控制中，調(diào)質(zhì)器出料流量可以通過制粒電機(jī)的電流間接測(cè)量。
2、制粒機(jī)調(diào)質(zhì)器的解耦
從調(diào)質(zhì)器的數(shù)學(xué)模型可以看出，是由于變量之間的耦合以及被控對(duì)象復(fù)雜，使得制粒機(jī)目前難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。我們?cè)趯?duì)制粒機(jī)控制時(shí)采取預(yù)測(cè)函數(shù)控制‘“"(簡(jiǎn)稱PFC)技術(shù)，考慮到PFC主要用于SISO系統(tǒng)，為此我們需首先對(duì)制粒機(jī)實(shí)現(xiàn)解耦。解耦的方式是在控制器與被控對(duì)象之間接人解耦器N。圖3為接人解耦器N時(shí)系統(tǒng)的方框圖。并采用對(duì)角矩陣解耦設(shè)計(jì)方法求得解耦器N。
3、制粒機(jī)的預(yù)測(cè)函數(shù)控制
3.1基于特征模型的預(yù)測(cè)函數(shù)控制原理
飼料顆粒機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品如下圖所示：
PFC屬于先進(jìn)控制，它具有比傳統(tǒng)PID更優(yōu)的控制效果。與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制所不同的是，PFC的控制作用采用若干個(gè)已知基函數(shù)二(n=1，…，N)的線性組合：
這里，P力優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度。p為線性組合系數(shù)。基函數(shù)的選擇取決于設(shè)定值的性質(zhì)，通常這些基函數(shù)取階躍、斜坡、指數(shù)等信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們采用階躍信號(hào)作為基函數(shù)。
另外，為了獲得更佳的控制效果，我們沒有采用傳統(tǒng)PFC中簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)模型，而是采用了基于二階的特征模型來作為預(yù)測(cè)模型。在PFC中，預(yù)測(cè)模型是從受控對(duì)象中抽象出來的，它與受控對(duì)象的逼近程度，直接影響控制系統(tǒng)的性能。對(duì)于PFC來講，預(yù)測(cè)模型通常采用線性定常的一階模型或二階模型。特征模型最早由吳宏鑫院士提出。這種特征模型，是結(jié)合對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特征和控制性能要求，用一個(gè)二階的慢時(shí)變線性模型來表征原先的被控對(duì)象。特征模型描述的基本原則是：
①在同樣輸入控制作用下，對(duì)象特征模型和實(shí)際對(duì)象在輸出上是等價(jià)的（即在動(dòng)態(tài)過程中能保持在允許的輸出誤差內(nèi)），在穩(wěn)定情況下輸出是相等的；
②特征模型的形式和階次除考慮對(duì)象特征外，主要取決予控制性能要求；
③特征模型建立的形式應(yīng)比原對(duì)象動(dòng)力學(xué)方程簡(jiǎn)單，工程實(shí)現(xiàn)容易、方便；特征模型與高階系統(tǒng)的降階模型不同，它是把高階模型的有關(guān)信息都?jí)嚎s到幾個(gè)特征參數(shù)之中，并不丟失信息，一般情況下特征模型用慢時(shí)變差分方程描述。
對(duì)于由式(3)描述的線性定常高階對(duì)象：
對(duì)于有自衡的生產(chǎn)過程，時(shí)變現(xiàn)象不嚴(yán)重時(shí)，式(5)可轉(zhuǎn)化為線性定常的模型。顯然，這和模型降階的原理相類似。
式(3)給出的對(duì)象屬于是線性定常高階對(duì)象。針對(duì)非線性對(duì)象，吳宏鑫院士同樣也提出相應(yīng)的特征模型問題。同樣也可以獲得形式與式(5)相同的特征模型。采用了特征模型可以覆蓋各種被控對(duì)象，顯然這是十分有益的。
雖然獲得了特征模型的標(biāo)準(zhǔn)形式，但畢竟屬于慢時(shí)變的。并且時(shí)變系數(shù)的方程難以建立。盡管可以通過采取在線辨識(shí)的方法來獲取參數(shù)，但這對(duì)實(shí)際使用帶來了困難。考慮到PFC的魯棒性比較強(qiáng)，允許模型存在一些偏差。因此，為了使控制算法簡(jiǎn)單，避免在線進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，我們通過實(shí)際試驗(yàn)為每個(gè)時(shí)變系數(shù)規(guī)定了如式(6)區(qū)間，在實(shí)際工作中，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，這些系數(shù)在區(qū)間內(nèi)交變?nèi)≈怠＿@種方法既實(shí)現(xiàn)了特征方程的時(shí)變性，又使方程的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單。
3.2制粒機(jī)的自動(dòng)控制
制粒機(jī)屬于多變量系統(tǒng)，通過前面的解耦可以使變量間的耦合關(guān)系消除。因此，解耦后的制粒機(jī)自動(dòng)控制就轉(zhuǎn)換為兩個(gè)單回路控制。自動(dòng)控制的目的進(jìn)行合理的蒸汽量調(diào)節(jié)和飼料量調(diào)節(jié)，在保證制粒前粉料所需要的合理溫度的同時(shí)，盡量讓制粒機(jī)主電機(jī)在滿負(fù)荷范圍內(nèi)工作，以使制粒機(jī)保持較高的工作效率。圖4為制粒機(jī)自動(dòng)控制的框圖。圖中，負(fù)荷設(shè)定值自整定就是根據(jù)制粒機(jī)主電機(jī)的實(shí)際工作電流，尋找相對(duì)最佳的工作點(diǎn)。
圖5為在一定負(fù)荷下溫度實(shí)際的控制曲線。其中，sv為溫度設(shè)定值，PV為實(shí)際溫度測(cè)量值，MV為操縱量。可以看出，實(shí)際溫度的偏差為正負(fù)1℃，滿足了生產(chǎn)工藝的要求。
4、結(jié)語
對(duì)于制粒機(jī)這樣的飼料加工設(shè)備，設(shè)備的能耗一般很高。因此，如何提高生產(chǎn)效率十分值得研究。由于制粒機(jī)屬于多變量系統(tǒng)，常規(guī)的控制很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。本文通過解耦來使得制粒機(jī)的自動(dòng)控制變得簡(jiǎn)單。同時(shí)，采用了先進(jìn)控制技術(shù)，可使得控制效果提升。負(fù)荷設(shè)定值自整定環(huán)節(jié)的采用，又能根據(jù)制粒機(jī)主電機(jī)的實(shí)際工作電流，尋找相對(duì)最佳的工作點(diǎn)。從而使制粒機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行。
