為了實現(xiàn)制粒機的自動控制，同時力爭使制粒機工作在滿負荷狀態(tài)。本文對制粒機的關鍵裝置調(diào)質(zhì)器進行了研究，并建立了其數(shù)學模型，利用解耦控制技術實現(xiàn)解耦，同時采用預測函數(shù)控制(PFC)實現(xiàn)了制粒機的有效控制。
1、顆粒機調(diào)質(zhì)器的數(shù)學模型建立
圖1是一種帶有調(diào)質(zhì)器的制粒機�？梢钥闯�，具有一定配比的飼料從料倉送人，飼料量調(diào)節(jié)由送料電機速度決定。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)是對顆粒飼料制粒前的粉狀物料進行水、熱處理的加工工序，調(diào)質(zhì)對顆粒飼料的質(zhì)量影響很大。具體表現(xiàn)在以下幾方面：(1)是對粉狀物料進行熟化處理；(2)是對粉狀物料進行滅菌處理；(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鍵。同時，為了保證制粒機的滿負荷工作，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、木屑顆粒機等生物質(zhì)成型機械設備如下所示：
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)學模型為2乘2的矩陣。這表明，輸入的飼料量變化既會影響出料量，同時也會影響出口溫度。同樣，蒸汽量的改變會影響出口溫度，同時它也會改變飼料在調(diào)質(zhì)器中的運動速度，從而影響出料流量。矩陣中的每個傳遞函數(shù)可以近似用二階線性定常模型來表示。
在實際控制中，調(diào)質(zhì)器出料流量可以通過制粒電機的電流間接測量。
2、制粒機調(diào)質(zhì)器的解耦
從調(diào)質(zhì)器的數(shù)學模型可以看出，是由于變量之間的耦合以及被控對象復雜，使得制粒機目前難以實現(xiàn)自動控制。我們在對制粒機控制時采取預測函數(shù)控制‘“"(簡稱PFC)技術，考慮到PFC主要用于SISO系統(tǒng)，為此我們需首先對制粒機實現(xiàn)解耦。解耦的方式是在控制器與被控對象之間接人解耦器N。圖3為接人解耦器N時系統(tǒng)的方框圖。并采用對角矩陣解耦設計方法求得解耦器N。
3、制粒機的預測函數(shù)控制
3.1基于特征模型的預測函數(shù)控制原理
飼料顆粒機生產(chǎn)的產(chǎn)品如下圖所示：
PFC屬于先進控制，它具有比傳統(tǒng)PID更優(yōu)的控制效果。與傳統(tǒng)的預測控制所不同的是，PFC的控制作用采用若干個已知基函數(shù)二(n=1，…，N)的線性組合：
這里，P力優(yōu)化時域長度。p為線性組合系數(shù)。基函數(shù)的選擇取決于設定值的性質(zhì)，通常這些基函數(shù)取階躍、斜坡、指數(shù)等信號。在實際應用中，我們采用階躍信號作為基函數(shù)。
另外，為了獲得更佳的控制效果，我們沒有采用傳統(tǒng)PFC中簡單的預測模型，而是采用了基于二階的特征模型來作為預測模型。在PFC中，預測模型是從受控對象中抽象出來的，它與受控對象的逼近程度，直接影響控制系統(tǒng)的性能。對于PFC來講，預測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)合對象的動力學特征和控制性能要求，用一個二階的慢時變線性模型來表征原先的被控對象。特征模型描述的基本原則是：
①在同樣輸入控制作用下，對象特征模型和實際對象在輸出上是等價的（即在動態(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比原對象動力學方程簡單，工程實現(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信息都壓縮到幾個特征參數(shù)之中，并不丟失信息，一般情況下特征模型用慢時變差分方程描述。
對于由式(3)描述的線性定常高階對象：
對于有自衡的生產(chǎn)過程，時變現(xiàn)象不嚴重時，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)給出的對象屬于是線性定常高階對象。針對非線性對象，吳宏鑫院士同樣也提出相應的特征模型問題。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象，顯然這是十分有益的。
雖然獲得了特征模型的標準形式，但畢竟屬于慢時變的。并且時變系數(shù)的方程難以建立。盡管可以通過采取在線辨識的方法來獲取參數(shù)，但這對實際使用帶來了困難�？紤]到PFC的魯棒性比較強，允許模型存在一些偏差。因此，為了使控制算法簡單，避免在線進行參數(shù)識別，我們通過實際試驗為每個時變系數(shù)規(guī)定了如式(6)區(qū)間，在實際工作中，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)≈�。這種方法既實現(xiàn)了特征方程的時變性，又使方程的實現(xiàn)變得簡單。
3.2制粒機的自動控制
制粒機屬于多變量系統(tǒng)，通過前面的解耦可以使變量間的耦合關系消除。因此，解耦后的制粒機自動控制就轉(zhuǎn)換為兩個單回路控制。自動控制的目的進行合理的蒸汽量調(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，盡量讓制粒機主電機在滿負荷范圍內(nèi)工作，以使制粒機保持較高的工作效率。圖4為制粒機自動控制的框圖。圖中，負荷設定值自整定就是根據(jù)制粒機主電機的實際工作電流，尋找相對最佳的工作點。
圖5為在一定負荷下溫度實際的控制曲線。其中，sv為溫度設定值，PV為實際溫度測量值，MV為操縱量�？梢钥闯�，實際溫度的偏差為正負1℃，滿足了生產(chǎn)工藝的要求。
4、結(jié)語
對于制粒機這樣的飼料加工設備，設備的能耗一般很高。因此，如何提高生產(chǎn)效率十分值得研究。由于制粒機屬于多變量系統(tǒng)，常規(guī)的控制很難實現(xiàn)自動控制。本文通過解耦來使得制粒機的自動控制變得簡單。同時，采用了先進控制技術，可使得控制效果提升。負荷設定值自整定環(huán)節(jié)的采用，又能根據(jù)制粒機主電機的實際工作電流，尋找相對最佳的工作點。從而使制粒機滿負荷運行。
