模糊控制在轧花机控制中的应用探讨

2012-09-12李梦辉胡新路

中国棉花加工 2012年4期

关键词：工作频率回潮率籽棉

■ 李梦辉钟珂胡新路

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

模糊控制在轧花机控制中的应用探讨

■ 李梦辉钟珂胡新路

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

1 轧花机控制的现状

在棉花加工过程中，轧花机工作性能的优劣直接影响着棉花加工能否正常进行，为此，轧花机的控制在整个棉花加工过程中就显得尤为重要。

在轧花过程中，影响轧花质量的因素很多，比如籽棉的含杂等级、回潮率、加工机械的工况等等。轧花企业一般采用加快轧花机锯轴转速，增加单位时间内锯齿钩拉纤维的次数来提高产量。但是，锯轴转速过快，会因锯齿对籽棉的冲击力过大而产生大量的破籽、带纤维籽屑及籽皮，影响皮棉的质量。通过锯齿轧花的原理可以知道，轧花机锯轴转速的快慢对轧花产质量影响很大，应根据籽棉含杂等级、回潮率等因素确定锯轴的转速，以尽可能地取得较高的产量和较低的皮棉含杂率。

在国内，对于轧花机的控制，轧花机锯轴电机基本上仍采用△-Y启动控制，锯轴电机在工频下工作，电机的转速都大于轧花机良好工作状态下的转速，影响了轧花的产量和质量。虽然轧花机喂花电机的控制采用变频器控制的方式，但是变频器工作频率输入方式上又有所不同。大多数轧花机喂花电机的工作频率输入都是轧花工人通过观察籽棉含杂等级、回潮率、加工机械的工况等因素，选择合适的工作频率手动输入。这种输入方式能够取得较理想的轧花效果，但却严重依赖于轧花工人的工作经验，如果有经验的轧花工人流失，就会严重影响棉花加工的正常进行。另外，也有部分厂家喂花电机的工作频率输入是根据轧花机锯轴电机工作电流大小进行调整，这种控制方式虽然降低了对加工人员的依赖程度，但是因影响棉花加工的因素比较多，单一考虑轧花机锯轴电机的电流大小而确定工作频率的方式也是不合适的。

针对目前轧花机控制的现状，需要选择一种理想的控制方式，以解决轧花机工作过程中存在的问题。在众多的先进控制方式中，模糊控制是一种比较适合轧花机控制的智能控制方式。

2 模糊控制的分析

模糊控制是智能控制的一个重要分支，在控制领域中得到了广泛的应用。模糊控制的核心是模糊控制器的设计，而设计模糊控制器的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表的确定。模糊控制表一般由两种方法获得，一种是采用离线算法，以模糊数学为基础进行合成推理，根据采样得到的误差e、误差的变化率c，计算出相应的控制量变化U。另一种是以操作人员的经验为依据，由人工经验总结得到模糊控制表。

由于轧花生产的过程具有多参数、时变性、参数非线性等特点，因此，建立准确的数学模型比较困难，很难通过建立数学模型的方式对其进行精确控制。但在长期的生产过程中，轧花生产又具有一定的规律性，有经验的车间主任、轧花工人或者相关专家通过长时间的生产实践能够总结出一定的控制规律。采用模糊控制方式，通过轧花工人或者相关专家的经验制定一定的控制规则，对轧花机的主轴电机及喂花电机转速进行变频控制，能够取得理想的控制效果。

3 模糊控制在轧花过程中的应用探讨

对于轧花过程中的模糊控制，可以采用对轧花机锯轴电机的模糊控制和对轧花机喂花电机的模糊控制。

3.1 轧花机锯轴电机模糊控制

在轧花过程中，影响轧花机锯轴电机工作频率的因素有很多，主要的是籽棉含杂等级和回潮率。根据棉花加工厂工作人员对于这两个因素的经验判断，制定模糊控制规则表，如表1所示。

表1 主轴电机工作频率的模糊控制表（单位：H z）

其中，籽棉含杂等级需要棉花加工厂工作人员根据加工籽棉的含杂情况进行判断，含杂等级手动输入。籽棉回潮率采用籽棉在线回潮检测装置实时检测加工籽棉的回潮率，自动输入模糊控制器。轧花机锯轴电机模糊控制器根据所制定的模糊控制规则表，给轧花机锯轴电机实时地输入工作频率。

例如，当籽棉含杂等级为三级、回潮率为中时，模糊控制器通过查表确定轧花机主轴电机理想的工作频率是40 Hz，也就是说控制器要在40 Hz的工作频率下通过变频器控制锯轴电机工作。

这种模糊控制规则是基于加工质量优先的要求，而如果是产量优先的要求，那么在不同条件下的工作频率可根据加工经验进行相应的调整。

3.2 轧花机喂花电机模糊控制

轧花机喂花电机工作频率的高低决定着喂花量的大小，当喂花电机工作频率升高时，喂花量就随之增大；工作频率降低时，喂花量也随之减小。喂花量的大小还直接影响轧花机籽棉卷的密度。在只增加喂花量而不改变其他工作条件时，籽棉卷的密度增加。在一定范围内，籽棉卷的密度增加，籽棉卷对锯片辊筒的压力增加，锯齿对籽棉卷的勾拉牵引作用也得以加强，籽棉卷速度增加。但若籽棉卷密度过于大，则籽棉箱壁对籽棉卷运动所产生的阻力矩迅速增加，会造成籽棉卷速度降低甚至停转，影响棉花加工效率。

为了确保轧花机处于良好的工作状态，应该根据籽棉卷的密度实时调整喂花电机的工作频率。由于在加工过程中籽棉卷的密度很难实时地检测，因此，轧花机籽棉卷的密度大小一般通过轧花机锯轴电机的工作电流大小来间接反映。籽棉卷密度增大时，负载增大，锯轴电机工作电流也随之增大；而籽棉卷密度减小时，负载减小，锯轴电机工作电流也随之减小。确定了锯轴电机的工作频率后，可以根据轧花机锯轴电机电流的大小实时地调整喂花电机的工作频率。

由于锯轴电机受干扰、电源质量等其他因素的影响，电流大小具有一定的波动性，因此，精确地依靠电流大小实时调整喂花电机工作频率未必能够取得良好的控制效果。喂花电机的控制采用模糊PID控制的方法较好。

喂花电机模糊PID控制方法，即根据轧花机锯轴电机工作电流的大小与设定值之间的偏差大小进行控制。当电流偏差e在e1范围内时，喂花电机恒定频率工作；当电流偏差在e2范围内时，喂花电机工作频率采用PID控制方式进行调整，控制喂花量的大小，使得锯轴电机的工作电流处于设定范围之内。该模糊PID控制的方框图如图1所示。

4 轧花机采用模糊控制的优点

通过对轧花机锯轴电机和喂花电机进行变频控制，采用模糊控制的方法可以提高轧花产质量和节能效率。

4.1 轧花产质量的提高

随着模糊控制在轧花机控制中的应用，轧花机锯轴电机的工作频率可以根据籽棉的含杂等级和回潮率进行实时的调整。模糊控制规则表是根据专家或者有经验的轧花工人的实践经验所建立的，在此规则控制下，可以使轧花机锯轴电机始终在最优的频率下工作，以此来平衡轧花产质量之间的矛盾。

另外，随着轧花机锯轴电机工作频率的实时变化，通过对轧花机喂花电机工作频率的模糊控制，可以使轧花机喂花电机根据锯轴电机在不同工作频率下的电流变化进行工作频率的调整，确保轧花机籽棉卷的密度处于最优的加工范围之内。

由以上分析可知，轧花机锯轴电机的模糊控制可使轧花机根据籽棉的质量情况进行工作频率的调整；轧花机喂花电机的模糊控制确保了轧花机的籽棉卷密度。通过对轧花机两方面的模糊控制，能够综合影响轧花产质量的因素，达到最优的加工效果。

4.2 轧花节能效率的提高

轧花机的锯轴电机功率一般都比较大，例如168型轧花机和171型轧花机的主轴电机功率均为75 kW，而喂花电机一般在0.75 kW~1.5 kW之间。据现场调研可知，一般轧花机锯轴电机工作频率在40 Hz左右，喂花电机的工作频率在25 Hz左右，另外，在轧花生产过程中会因为各种原因轧花机时常处于开箱状态，而此时轧花机的锯轴电机为空转运行，浪费了大量的电能。使用该模糊控制器后，控制器能实时检测轧花机开合箱电机的工作状态，当轧花机处于开箱工作状态时，控制器控制轧花机锯轴电机进行低频工作，可以节省不少的电能。总体而言，通过使用模糊控制方法设计的控制器，可使轧花机的节能效率达到20%~40%，节能效果十分明显。