專利名稱：濃度變送調節裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于自動化儀表，自動控制裝置，特別涉及一種測量和控制流體濃度的自動化裝置。
背景技術：
具有相同成分或相同物理、化學性質的均勻物質稱為“相”。相可以由單一物質或多種物質構成。兩相流體是指在流體中存在著兩相或兩組分間的動態互相作用的情況。與單相流體相比，兩相流體要復雜的多。一方面，由于兩相流中每相各自有一組流動參量，描述運動的變量幾乎增加了一倍，另一方面，各相的體積濃度、分散相顆粒的大小、各相的物理性質(密度、粘度等)及相間的相對流速都可以在很寬的范圍變化，這些都會引起流動形態的很大變化。多相流體濃度是指流體中離散相的質量在整個多相流體質量中的百分比。其中液-固兩相流體廣泛存在于化工、冶金、能源、輕工和軍工等部門。制漿造紙工業中的紙漿便是一種液固兩相流體。通常所說的“紙漿濃度”是指絕干纖維物料在紙料(紙漿和添加劑)和水組成的混合物中的質量百分比。
液固兩相流體離散相濃度的在線測量對生產過程的計量、控制和運行可靠性具有重大意義。在造紙、制糖、食品加工工業生產過程中，廣泛需要進行物料濃度的測量和控制。例如制漿生產過程中，在線測量和控制紙漿濃度，可以穩定打漿和漂白效果；對于抄紙生產過程，實時測量和控制紙漿濃度，可以穩定上網紙漿濃度，提高紙張質量。在紙廠，通過測量紙漿濃度和體積流量可以測量絕干纖維量，為紙廠、車間之間的貿易結算、生產成本管理提供依據。由于兩相流特性復雜，其濃度的在線測量難度很大，雖然人們(國內外)針對不同對象在研究不同的測量方法，但迄今尚無非常理想的檢測手段。根據不同的對象和液固兩相流的特點，目前，人們研究過的方法有同位素密度法、電容法、超聲波法、光學法和力學法。力學法是唯一能廣泛工程應用的方法。它基于剪應力原理，通過測量元件與被測介質相對運動產生的剪應力來測量介質的濃度。
目前工程應用的濃度測量儀表(變送器)按照結構類型分為外旋式濃度變送器、內旋式濃度變送器、靜刀式濃度變送器、動刀式濃度變送器。在國外，濃度測量儀表產品比較齊全的單位是瑞典的BTG公司，其濃度變送器產品為內旋式和動刀式濃度變送器。國內今天仍有的靜刀式和外旋式濃度變送器屬于檔次低的產品，BTG公司早已不生產了。
內旋轉式濃度變送器為一微機化力矩平衡數字隨動系統，濃度的變化反映在測量軸上的扭矩變化，扭矩增量克服測量軸和驅動軸之間的支撐摩擦力矩和連接橡膠圈的彈性力矩，使兩軸在轉動的同時產生相對角位移，光電傳感器將它轉變成電信號輸給微機，微機反饋控制使兩軸保持原有的相對位置，反饋控制的電流信號跟隨濃度的變化而變化，因此輸出的電流信號便可反映濃度。內旋式濃度變送器有高的靈敏度和好的穩定性，但結構復雜，造價昂貴，維護困難，使用不方便。
動刀式濃度變送器動刀式濃度變送器結構由敏感元件、測量軸、驅動部件(力發生器)和電路單元組成。可動部件在恒定驅動力和運動阻力的共同作用下以支承軸為支點作往返擺動，構成一個單自由度機械可動系統。其運動速度即通過光電開關的時間與濃度有關，模擬電路將此時間轉換為輸出電流信號。如圖1所示。動刀式濃度變送器性能僅次于內旋式濃度變送器，比外旋式濃度變送器和靜刀式濃度變送器性能好，且結構簡單，造價便宜，維護容易，使用方便，有著很高的性價比，在國內外有著廣泛的應用前景。
目前，規模生產的紙廠都大量安裝使用了濃度自動調節系統(例如一條抄紙生產線就需要3級即3套濃度控制系統)，在圖2所示的濃度自動調節系統中，動刀式濃度變送器P實時測量濃度的變化情況，輸出4-20mA信號給通用調節器，通用調節器根據實際濃度和設定值的偏差，按照一定調節規律輸出4-20mA調節信號，控制調節閥FW開度，增加或減少稀釋水，使經過漿泵攪拌混合后的紙漿濃度達到設定要求。圖中的取樣閥FS用于對儀表進行標定時取樣。
在傳統的紙漿濃度調節系統中，由于電動閥門屬于慣性環節 被控對象也屬于慣性環節和純滯后環節(11+Tse-Ts),]]>動刀式濃度變送器采樣周期比較長(T＝2s)，采用通用調節器的PID調節必定會產生嚴重的滯后效應；很難使系統取得良好的控制效果。廣泛應用的電動閥門由閥芯、減速機構、和單相電機三部分組成，以三個端子(com、open、close)形式接受220V的控制信號。當電壓加在com和open兩端子上時，電機連續正轉，閥門不斷開大；當電壓加在com和close兩端子上時，電機連續反轉，閥門不斷關小。當電壓斷開時，電機停轉，閥門停在某一開度位置不變。這種閥門需要接受位式控制信號(220V通斷信號)，不能直接接受4～20mA信號。目前，所有通用調節器(無論數字形式的還是模擬形式的)的輸出為4～20mA標準信號制信號。當采用電動閥門作控制系統的執行器時(控制流量、壓力、溫度、液位等)，閥門必需加帶伺服放大器，才能接受調節器的4～20mA的控制信號，并通過伺服放大器轉換為閥門的對應開度(0～100％)。實際使用情況表明，伺服放大器增加了控制的延時滯后，容易引起系統波動；還提高了閥門的成本。很多用戶希望能有一種測量濃度后直接自動控制電動閥門的自動化裝置問世。
發明內容
本發明提出一種濃度變送調節裝置，針對通用調節器(PID調節)和電動閥門在動刀式濃度自動控制系統中的諸多問題，克服上述現有技術中的不足，提供一種既具有濃度變送器功能，又內含模糊調節器，用可編程脈寬調制PWM信號直接控制電動閥門的微機式自動化裝置。
本發明的一種濃度變送調節裝置，包括動刀式濃度變送器、調節器、閥門電機和調節閥，它們之間依序由電信號連接，所述動刀式濃度變送器包括敏感元件、杠桿機構、光電傳感器和力發生器，其特征在于(1)所述調節器為由微機構成的模糊調節器，它包括一個比較器，用于將動刀式濃度變送器當前測得的濃度與設定濃度相比較，得到濃度的偏差值e，一個微分器，對偏差值e在幾個采樣周期中的變化進行微分，得到偏差變化率ec；離散化單元，將連續變化的變量e和ec轉變為分段的離散變量；分類單元，根據離散化的變量e和ec的變化范圍，分別將其歸入N個模糊子集組成的集合，N＝6-10，完成兩個變量的模糊化過程；模糊關系矩陣單元，其輸入量是模糊化后的e和ec，輸出量是模糊關系矩陣中行與列分別與模糊化后的e和ec相對應的矩陣數據，矩陣數據根據實驗或者公式事先置入；可編程脈寬調制PWM單元，用于將所述模糊關系矩陣單元輸出量轉換成占空比可變的方波信號作為模糊調節器輸出；(2)模糊調節器輸出信號分別加到兩個固態繼電器輸入端，固態繼電器輸出回路連接電動閥門電機并實現其與電源的連通或關斷。
所述的濃度變送調節裝置，其進一步特征在于所述N個模糊子集組成的集合，當N＝8時，為{負大、負中、負小、負零、正零、正小、正中、正大}；當N＝7時，為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}。
本發明有如下優點(1)模糊邏輯控制是模糊語言形式的控制方法；不需要預先知道被控對象的結構、參數，不需要建立被控對象的精確數學模型。因此，在濃度變送器中嵌入兩輸入、單輸出型的模糊控制器，用以取代傳統的PID調節直接構成濃度調節系統(不另需要調節器)；解決了通用調節器PID控制效果不好的問題；(2)針對電動閥門的特點，調節器的控制輸出為一時間脈寬序列；無論開或關閥門，根據濃度測量值和濃度設定值之差(偏差)的大小和極性，調節器輸出信號的占空比不一樣，控制閥門的open端子或close端子接通時間不一樣，使閥門動作由一系列的短時間的時動時停動作組合而成；實現了電動閥門的直接控制，即閥門電機的直接控制；(3)采用固態繼電器作為弱電控制強電的隔離轉換器件。固態繼電器無可動部分(無觸點)，無噪聲無火花，控制電流小，與強電隔離，動作速度快，高可靠，長壽命；(4)省去調節器和閥門伺服放大器兩部分硬件，既降低了成本，又提高了可靠性；(5)控制系統超調小，響應快；減少了安裝連線和維護工作量。
圖1為動刀式濃度變送器結構方框圖；圖2為現行使用的濃度自動調節系統示意圖；圖3為利用本發明的控制系統示意圖；圖4為本發明濃度變送調節裝置系統框圖；圖5為本發明中模糊調節器系統框圖；圖6為本發明中固態繼電器與閥門電機連接電路原理圖；圖7為本發明控制輸出時間脈沖序列圖；圖8為本發明控制效果示意圖。
具體實施例方式
圖3中，動刀式濃度變送器P的實時測量值送入微機模糊調節器，模糊調節器輸出經閥門電機控制調節閥FW開度，圖中取樣閥門FS用于對儀表進行標定時取樣。
以下具體說明所述模糊調節器的構成方法。
1、控制器的語言變量模糊控制器的輸入變量(常取偏差和偏差變化率)和輸出變量(常取控制量)均用自然語言形式給出，而不是已數值形式給出，它屬于語言變量。通常取語言變量的詞集為如下7個模糊子集組成的集合{負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大}用符號來表示就是{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB} (1)2、連續變量的離散化把模糊控制器的輸入變量偏差、偏差變化率的實際范圍集輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。
設偏差E(e)的基本論域為[-xe，xe]，其內的量為精確量。偏差的量化論域為X＝{-n，-n+1，…，0，…，n-1，n} (2)正整數n為將0～xe范圍內連續變化的偏差離散化(或量化)后分成的級數。偏差的量化因子ke定義為Ke=Δn/xe----(3)]]>量化因子ke選定后(即n選定后)，系統的任何偏差總可由式(3)量化為論域(2)上的某一元素。實際作法常取n＝6，把觀測量偏差e的范圍量化到{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}(4)若偏差取[a，b]上的量，可用以下離散化公式將其量化到量化論域x=INT(2nb-a(x'-a+b2))----(5)]]>
式中x’∈[a，b]，x∈X3、定義語言變量的模糊子集連續變量離散化后，便要將其歸類于某一個模糊子集。如取n＝6，量化論域上的模糊子集常如下取法 負大(NB)——取-6附近 負中(NM)——取-4附近 負小(NS)——取-2附近 負零(NO)——取比零稍小點附近 正零(PO)——取比零稍大點附近 正小(PS)——取+2附近 正中(PM)——取+4附近 正大(PB)——取+6附近4、模糊控制規則由手動策略總結的經驗或通過大量的試驗數據可以制定出控制規則表，控制規則表是一組用模糊語言來描述的控制策略集合，即“IF THEN ”。對于多輸入的模糊控制，可以對規則進行合并和簡化。
5、模糊判決由模糊控制算法得出的是論域上的模糊集，但被控對象只能接受精確的控制量，這就需要進行輸出信息的模糊判決，即把模糊量轉化為精確量。常用來進行模糊判決的有最大隸屬度法，加權平均法和取中位數法。考慮到被控對象的特性，我們選擇了最大隸屬度法，它的優點是簡單易行，使用方便，算法實時性好。
6、舉例說明在兩輸入單輸出型的微機化濃度變送調節器中，根據E，EC的基本論域利用量化因子ke，kec進行模糊量化。并確定U的基本論域和量化論域。
輸入量1紙漿濃度偏差e設定紙漿濃度偏差的基本論域為-0.8％～0.8％紙漿濃度；取量化因子ke＝6/xe，按式(4)式取量化論域為X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}則按離散化公式(5-5)將基本論域一一量化到量化論域中-6-0.8％≤e＜-0.74％-5-0.74％≤e＜-0.6％-4-0.6≤e＜-0.47％-3-0.47％≤e＜-0.34％-2-0.34％≤e＜-0.2％-1-0.2％≤e＜-0.07％0-0.07％≤e＜0.07％10.07％≤e＜0.2％20.2％≤e＜0.34％30.34％≤e＜0.47％40.47％≤e＜0.6％50.6％≤e＜0.74％60.74％≤e＜0.8％由式(1)選詞集為
{NBe，NMe，NSe，NOe，POe，PSe，PMe，PBe}則各詞集的隸屬度為NBe＝1.0/-6+0.8/-5+0.4/-4+0.1/-3，NMe＝0.2/-6+0.7/-5+1.0/-4+0.7/-3+0.2/-2，NSe＝0.1/-4+0.5/-3+1.0/-2+0.8/-1+0.3/-0，NOe＝0.1/-2+0.6/-1+1.0/-0，POe＝1.0/+0+0.6/1+0.1/2，PSe＝0.3/+0+0.8/1+1.0/2+0.5/3+0.1/4，PMe＝0.2/2+0.7/3+1.0/4+0.7/5+0.2/6，PBe＝0.1/3+0.4/4+0.8/5+1.0/6，輸入量2紙漿濃度偏差變化率ec設定紙漿濃度偏差變化率的基本論域為-0.5％～0.5％紙漿濃度；取量化因子kec＝6/xe，按式(4)取量化論域為X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0， 1，2， 3，4，5，6}則按離散化公式(5)將基本論域一一量化到量化論域中-6-0.5％≤e＜-0.46％-5-0.46％≤e＜-0.38％-4-0.38≤e＜-0.3％-3-0.3％≤e＜-0.2％-2-0.2％≤e＜-0.13％-1-0.13％≤e＜-0.04％0-0.04％≤e＜0.04％
10.04％≤e＜0.13％20.13％≤e＜0.2％30.2％≤e＜0.3％40.3％≤e＜0.38％50.38％≤e＜0.46％60.46％≤e＜0.5％由式(1)選詞集為{NBec，NMec，NSec，ZOec，PSec，PMec，PBec}則各詞集的隸屬度為NBec＝1.0/-6+0.8/-5+0.4/-4+0.1/-3，NMec＝0.2/-6+0.7/-5+1.0/-4+0.7/-3+0.2/-2，NSec＝0.2/-4+0.7/-3+1.0/-2+0.9/-1，ZOec＝0.5/-1+1.0/0+0.5/1，PSec＝0.9/1+1.0/2+0.7/3+0.2/4，PMec＝0.2/2+0.7/3+1.0/4+0.7/5+0.2/6，PBec＝0.1/3+0.4/4+0.8/5+1.0/6，輸出量閥門開度得增量u設定閥門開度得增量的基本論域為-12～12(控制PWM得增量)；取輸出控制量的比例因子ku＝u/7，輸出量量化論域為X＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}則按離散化公式(3-5)將基本論域一一量化到量化論域中
-7{-12，-11}-6{-10，-9}-5{-8，-7}-4{-6，}-3{-5，-4}-2{-3，-2}-1{-1}0{0}1{1}2{3，2}3{5，4}4{6，}5{8，7}6{10，9}7{12，11}由式(1)選詞集為{NBu，NMu，NSu，ZOu，PSu，PMu，PBu}則各詞集的隸屬度為NBu＝1.0/-7+0.8/-6+0.4/-5+0.1/-4，NMu＝0.2/-6+0.7/-5+1.0/-4+0.7/-3+0.2/-2，NSu＝0.1/-4+0.4/-3+0.8/-2+1.0/-1+0.4/0，ZOu＝0.5/-1+1.0/0+0.5/1，
PSu＝0.4/0+1.0/1+0.8/2+0.4/3+0.1/4，PMu＝0.2/2+0.7/3+1.0/4+0.7/5+0.2/6，PBu＝0.1/4+0.4/5+0.8/6+1.0/7，由于系統是雙輸入單輸出的，采用“if A and B then C”的規則，總結操作者的實踐經驗，得到語言控制規則表，見表1。在表中共有56條控制規則，分別代表在不同條件下應該采取得控制策略。
表1模糊控制規則表這56條規則可以按以下方法合并成21條規則如IF NBeAND NBecTHEN PBuIF NMeAND NBecTHEN PBuIF NBeAND NMecTHEN PBuIF NMeAND NMecTHEN PBu這四條規則可以合并成規則IF NBeOR NMeAND NBecOR NMecTHEN PBu根據雙輸入模糊條件語句“若 且 則 ”，對每條規則求出其模糊關系Ri。
Ri=(A×B)T1·C----(6)]]>在實際測量e及ec后，經量化因子ke、kec可模糊量化為單點模糊集，E、EC；根據式(6)及Ui＝(E×EC)·Ri(7)對控制規則的21條規則，分別求出21個模糊控制量，依次記為U1、U2….U21，那么總的模糊控制量即為U＝U1∪U2∪U3∪…∪U21(8)用最大隸屬度法進行模糊判決，最后便可得到控制輸出量的精確量u。
遍取輸入數據的各種可能情況，進行上述的運算，求出每種輸入所對應的輸出量，編制成模糊控制表。以上工作可以離線完成，然后將模糊控制表作為“文件”存入計算機中，見表2。
為了克服普通模糊控制器輸入、輸出變量量化為有限的離散值所造成的控制精度低與可能出現的穩態顫振問題，利用模糊控制表和輸入的連續值，采用在矩形域上二元函數分片雙一次插值算法在線計算出連續可變的控制量，可以顯著提高控制精度。
因此，在每次一步控制算法周期中，將采樣得到的e和ec分別用量化因子ke、kec轉換成連續的Ei和ECi而不經過取整運算。
Ei＝Ke·e；ECi＝Kec·ec，Ei，ECi∈[-6，6]。
對控制表進行插值運算求出連續的U(Ke·e，Kec·ec)，再經Ku加權后得出輸出控制量u＝INT(Ku·U)，U∈[-7，7]，輸出控制量再經由脈寬調制單元PWM轉換成為占空比可變的方波信號，控制閥門開度的增減。
表2模糊控制表圖7表示控制輸出時間脈沖序列圖，調節器輸出信號的占空比不一樣，控制閥門的open端子或close端子接通時間不一樣，使閥門動作由一系列的短時間時動時停動作組合而成。
圖8表示文本發明控制效果，模糊調節的超調量小，響應速度快。
權利要求
1.濃度變送調節裝置，包括動刀式濃度變送器、調節器、閥門電機和調節閥，它們之間依序由電信號連接，所述動刀式濃度變送器包括敏感元件、杠桿機構、光電傳感器和力發生器，其特征在于(1)所述調節器為由微機構成的模糊調節器，它包括一個比較器，用于將動刀式濃度變送器當前測得的濃度與設定濃度相比較，得到濃度的偏差值e；一個微分器，對偏差值e在幾個采樣周期中的變化進行微分，得到偏差變化率ec；離散化單元，將連續變化的變量e和ec轉變為分段的離散變量；分類單元，根據離散化的變量e和ec的變化范圍，分別將其歸入N個模糊子集組成的集合，N＝6-10，完成兩個變量的模糊化過程；模糊關系矩陣單元，其輸入量是模糊化后的e和ec，輸出量是模糊關系矩陣中行與列分別與模糊化后的e和ec相對應的矩陣數據、矩陣數據根據實驗或者公式事先置入；可編程脈寬調制PWM單元，用于將所述模糊關系矩陣單元輸出量轉換成占空比可變的方波信號作為模糊調節器輸出；(2)模糊調節器輸出信號分別加到兩個固態繼電器輸入端，固態繼電器輸出回路連接電動閥門電機并實現其與電源的連通或關斷。
2.如權利要求1所述的濃度變送調節裝置，其特征在于所述N個模糊子集組成的集合，當N＝8時，為{負大、負中、負小、負零、正零、正小、正中、正大}；當N＝7時，為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}。
全文摘要
濃度變送調節裝置，屬于自動化控制裝置，特別涉及測量和控制流體濃度的裝置，克服現行通用調節器和電動閥門在動刀式濃度自動控制系統中的諸多問題和不足，本發明包括動刀式濃度變送器、模糊調節器、固態繼電器、閥門電機和調節閥，它們之間依序由電信號連接，動刀式濃度變送器包括敏感元件、杠桿機構、光電傳感器和力發生器，模糊調節器包括比較器、微分器、離散化單元、分類單元、模糊關系矩陣單元和可編程脈寬調制PWM單元，模糊調節器輸出信號加到固態繼電器輸入端。本發明中模糊控制器解決了通用調節器PID控制效果不好的問題，實現了閥門電機的直接控制；固態繼電器無觸點、控制電流小，動作速度快；省去調節器和閥門伺服放大器，降低成本，提高可靠性，控制體統超調小、反應快。
文檔編號G01N9/34GK1544912SQ20031011148
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月28日 優先權日2003年11月28日
發明者李昌禧, 王利恒 申請人:華中科技大學