专利名称：浓度变送调节装置的制作方法
技术领域：
本发明属于自动化仪表，自动控制装置，特别涉及一种测量和控制流体浓度的自动化装置。
背景技术：
具有相同成分或相同物理、化学性质的均匀物质称为“相”。相可以由单一物质或多种物质构成。两相流体是指在流体中存在着两相或两组分间的动态互相作用的情况。与单相流体相比，两相流体要复杂的多。一方面，由于两相流中每相各自有一组流动参量，描述运动的变量几乎增加了一倍，另一方面，各相的体积浓度、分散相颗粒的大小、各相的物理性质(密度、粘度等)及相间的相对流速都可以在很宽的范围变化，这些都会引起流动形态的很大变化。多相流体浓度是指流体中离散相的质量在整个多相流体质量中的百分比。其中液-固两相流体广泛存在于化工、冶金、能源、轻工和军工等部门。制浆造纸工业中的纸浆便是一种液固两相流体。通常所说的“纸浆浓度”是指绝干纤维物料在纸料(纸浆和添加剂)和水组成的混合物中的质量百分比。
液固两相流体离散相浓度的在线测量对生产过程的计量、控制和运行可靠性具有重大意义。在造纸、制糖、食品加工工业生产过程中，广泛需要进行物料浓度的测量和控制。例如制浆生产过程中，在线测量和控制纸浆浓度，可以稳定打浆和漂白效果；对于抄纸生产过程，实时测量和控制纸浆浓度，可以稳定上网纸浆浓度，提高纸张质量。在纸厂，通过测量纸浆浓度和体积流量可以测量绝干纤维量，为纸厂、车间之间的贸易结算、生产成本管理提供依据。由于两相流特性复杂，其浓度的在线测量难度很大，虽然人们(国内外)针对不同对象在研究不同的测量方法，但迄今尚无非常理想的检测手段。根据不同的对象和液固两相流的特点，目前，人们研究过的方法有同位素密度法、电容法、超声波法、光学法和力学法。力学法是唯一能广泛工程应用的方法。它基于剪应力原理，通过测量元件与被测介质相对运动产生的剪应力来测量介质的浓度。
目前工程应用的浓度测量仪表(变送器)按照结构类型分为外旋式浓度变送器、内旋式浓度变送器、静刀式浓度变送器、动刀式浓度变送器。在国外，浓度测量仪表产品比较齐全的单位是瑞典的BTG公司，其浓度变送器产品为内旋式和动刀式浓度变送器。国内今天仍有的静刀式和外旋式浓度变送器属于档次低的产品，BTG公司早已不生产了。
内旋转式浓度变送器为一微机化力矩平衡数字随动系统，浓度的变化反映在测量轴上的扭矩变化，扭矩增量克服测量轴和驱动轴之间的支撑摩擦力矩和连接橡胶圈的弹性力矩，使两轴在转动的同时产生相对角位移，光电传感器将它转变成电信号输给微机，微机反馈控制使两轴保持原有的相对位置，反馈控制的电流信号跟随浓度的变化而变化，因此输出的电流信号便可反映浓度。内旋式浓度变送器有高的灵敏度和好的稳定性，但结构复杂，造价昂贵，维护困难，使用不方便。
动刀式浓度变送器动刀式浓度变送器结构由敏感元件、测量轴、驱动部件(力发生器)和电路单元组成。可动部件在恒定驱动力和运动阻力的共同作用下以支承轴为支点作往返摆动，构成一个单自由度机械可动系统。其运动速度即通过光电开关的时间与浓度有关，模拟电路将此时间转换为输出电流信号。如图1所示。动刀式浓度变送器性能仅次于内旋式浓度变送器，比外旋式浓度变送器和静刀式浓度变送器性能好，且结构简单，造价便宜，维护容易，使用方便，有着很高的性价比，在国内外有着广泛的应用前景。
目前，规模生产的纸厂都大量安装使用了浓度自动调节系统(例如一条抄纸生产线就需要3级即3套浓度控制系统)，在图2所示的浓度自动调节系统中，动刀式浓度变送器P实时测量浓度的变化情况，输出4-20mA信号给通用调节器，通用调节器根据实际浓度和设定值的偏差，按照一定调节规律输出4-20mA调节信号，控制调节阀FW开度，增加或减少稀释水，使经过浆泵搅拌混合后的纸浆浓度达到设定要求。图中的取样阀FS用于对仪表进行标定时取样。
在传统的纸浆浓度调节系统中，由于电动阀门属于惯性环节 被控对象也属于惯性环节和纯滞后环节(11+Tse-Ts),]]>动刀式浓度变送器采样周期比较长(T＝2s)，采用通用调节器的PID调节必定会产生严重的滞后效应；很难使系统取得良好的控制效果。广泛应用的电动阀门由阀芯、减速机构、和单相电机三部分组成，以三个端子(com、open、close)形式接受220V的控制信号。当电压加在com和open两端子上时，电机连续正转，阀门不断开大；当电压加在com和close两端子上时，电机连续反转，阀门不断关小。当电压断开时，电机停转，阀门停在某一开度位置不变。这种阀门需要接受位式控制信号(220V通断信号)，不能直接接受4～20mA信号。目前，所有通用调节器(无论数字形式的还是模拟形式的)的输出为4～20mA标准信号制信号。当采用电动阀门作控制系统的执行器时(控制流量、压力、温度、液位等)，阀门必需加带伺服放大器，才能接受调节器的4～20mA的控制信号，并通过伺服放大器转换为阀门的对应开度(0～100％)。实际使用情况表明，伺服放大器增加了控制的延时滞后，容易引起系统波动；还提高了阀门的成本。很多用户希望能有一种测量浓度后直接自动控制电动阀门的自动化装置问世。
发明内容
本发明提出一种浓度变送调节装置，针对通用调节器(PID调节)和电动阀门在动刀式浓度自动控制系统中的诸多问题，克服上述现有技术中的不足，提供一种既具有浓度变送器功能，又内含模糊调节器，用可编程脉宽调制PWM信号直接控制电动阀门的微机式自动化装置。
本发明的一种浓度变送调节装置，包括动刀式浓度变送器、调节器、阀门电机和调节阀，它们之间依序由电信号连接，所述动刀式浓度变送器包括敏感元件、杠杆机构、光电传感器和力发生器，其特征在于(1)所述调节器为由微机构成的模糊调节器，它包括一个比较器，用于将动刀式浓度变送器当前测得的浓度与设定浓度相比较，得到浓度的偏差值e，一个微分器，对偏差值e在几个采样周期中的变化进行微分，得到偏差变化率ec；离散化单元，将连续变化的变量e和ec转变为分段的离散变量；分类单元，根据离散化的变量e和ec的变化范围，分别将其归入N个模糊子集组成的集合，N＝6-10，完成两个变量的模糊化过程；模糊关系矩阵单元，其输入量是模糊化后的e和ec，输出量是模糊关系矩阵中行与列分别与模糊化后的e和ec相对应的矩阵数据，矩阵数据根据实验或者公式事先置入；可编程脉宽调制PWM单元，用于将所述模糊关系矩阵单元输出量转换成占空比可变的方波信号作为模糊调节器输出；(2)模糊调节器输出信号分别加到两个固态继电器输入端，固态继电器输出回路连接电动阀门电机并实现其与电源的连通或关断。
所述的浓度变送调节装置，其进一步特征在于所述N个模糊子集组成的集合，当N＝8时，为{负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大}；当N＝7时，为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。
本发明有如下优点(1)模糊逻辑控制是模糊语言形式的控制方法；不需要预先知道被控对象的结构、参数，不需要建立被控对象的精确数学模型。因此，在浓度变送器中嵌入两输入、单输出型的模糊控制器，用以取代传统的PID调节直接构成浓度调节系统(不另需要调节器)；解决了通用调节器PID控制效果不好的问题；(2)针对电动阀门的特点，调节器的控制输出为一时间脉宽序列；无论开或关阀门，根据浓度测量值和浓度设定值之差(偏差)的大小和极性，调节器输出信号的占空比不一样，控制阀门的open端子或close端子接通时间不一样，使阀门动作由一系列的短时间的时动时停动作组合而成；实现了电动阀门的直接控制，即阀门电机的直接控制；(3)采用固态继电器作为弱电控制强电的隔离转换器件。固态继电器无可动部分(无触点)，无噪声无火花，控制电流小，与强电隔离，动作速度快，高可靠，长寿命；(4)省去调节器和阀门伺服放大器两部分硬件，既降低了成本，又提高了可靠性；(5)控制系统超调小，响应快；减少了安装连线和维护工作量。
图1为动刀式浓度变送器结构方框图；图2为现行使用的浓度自动调节系统示意图；图3为利用本发明的控制系统示意图；图4为本发明浓度变送调节装置系统框图；图5为本发明中模糊调节器系统框图；图6为本发明中固态继电器与阀门电机连接电路原理图；图7为本发明控制输出时间脉冲序列图；图8为本发明控制效果示意图。
具体实施例方式
图3中，动刀式浓度变送器P的实时测量值送入微机模糊调节器，模糊调节器输出经阀门电机控制调节阀FW开度，图中取样阀门FS用于对仪表进行标定时取样。
以下具体说明所述模糊调节器的构成方法。
1、控制器的语言变量模糊控制器的输入变量(常取偏差和偏差变化率)和输出变量(常取控制量)均用自然语言形式给出，而不是已数值形式给出，它属于语言变量。通常取语言变量的词集为如下7个模糊子集组成的集合{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}用符号来表示就是{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB} (1)2、连续变量的离散化把模糊控制器的输入变量偏差、偏差变化率的实际范围集输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域。
设偏差E(e)的基本论域为[-xe，xe]，其内的量为精确量。偏差的量化论域为X＝{-n，-n+1，…，0，…，n-1，n} (2)正整数n为将0～xe范围内连续变化的偏差离散化(或量化)后分成的级数。偏差的量化因子ke定义为Ke=Δn/xe----(3)]]>量化因子ke选定后(即n选定后)，系统的任何偏差总可由式(3)量化为论域(2)上的某一元素。实际作法常取n＝6，把观测量偏差e的范围量化到{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}(4)若偏差取[a，b]上的量，可用以下离散化公式将其量化到量化论域x=INT(2nb-a(x'-a+b2))----(5)]]>
式中x’∈[a，b]，x∈X3、定义语言变量的模糊子集连续变量离散化后，便要将其归类于某一个模糊子集。如取n＝6，量化论域上的模糊子集常如下取法 负大(NB)——取-6附近 负中(NM)——取-4附近 负小(NS)——取-2附近 负零(NO)——取比零稍小点附近 正零(PO)——取比零稍大点附近 正小(PS)——取+2附近 正中(PM)——取+4附近 正大(PB)——取+6附近4、模糊控制规则由手动策略总结的经验或通过大量的试验数据可以制定出控制规则表，控制规则表是一组用模糊语言来描述的控制策略集合，即“IF THEN ”。对于多输入的模糊控制，可以对规则进行合并和简化。
5、模糊判决由模糊控制算法得出的是论域上的模糊集，但被控对象只能接受精确的控制量，这就需要进行输出信息的模糊判决，即把模糊量转化为精确量。常用来进行模糊判决的有最大隶属度法，加权平均法和取中位数法。考虑到被控对象的特性，我们选择了最大隶属度法，它的优点是简单易行，使用方便，算法实时性好。
6、举例说明在两输入单输出型的微机化浓度变送调节器中，根据E，EC的基本论域利用量化因子ke，kec进行模糊量化。并确定U的基本论域和量化论域。
输入量1纸浆浓度偏差e设定纸浆浓度偏差的基本论域为-0.8％～0.8％纸浆浓度；取量化因子ke＝6/xe，按式(4)式取量化论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}则按离散化公式(5-5)将基本论域一一量化到量化论域中-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)选词集为
{NBe，NMe，NSe，NOe，POe，PSe，PMe，PBe}则各词集的隶属度为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，输入量2纸浆浓度偏差变化率ec设定纸浆浓度偏差变化率的基本论域为-0.5％～0.5％纸浆浓度；取量化因子kec＝6/xe，按式(4)取量化论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0， 1，2， 3，4，5，6}则按离散化公式(5)将基本论域一一量化到量化论域中-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)选词集为{NBec，NMec，NSec，ZOec，PSec，PMec，PBec}则各词集的隶属度为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，输出量阀门开度得增量u设定阀门开度得增量的基本论域为-12～12(控制PWM得增量)；取输出控制量的比例因子ku＝u/7，输出量量化论域为X＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}则按离散化公式(3-5)将基本论域一一量化到量化论域中
-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)选词集为{NBu，NMu，NSu，ZOu，PSu，PMu，PBu}则各词集的隶属度为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，由于系统是双输入单输出的，采用“if A and B then C”的规则，总结操作者的实践经验，得到语言控制规则表，见表1。在表中共有56条控制规则，分别代表在不同条件下应该采取得控制策略。
表1模糊控制规则表这56条规则可以按以下方法合并成21条规则如IF NBeAND NBecTHEN PBuIF NMeAND NBecTHEN PBuIF NBeAND NMecTHEN PBuIF NMeAND NMecTHEN PBu这四条规则可以合并成规则IF NBeOR NMeAND NBecOR NMecTHEN PBu根据双输入模糊条件语句“若 且 则 ”，对每条规则求出其模糊关系Ri。
Ri=(A×B)T1·C----(6)]]>在实际测量e及ec后，经量化因子ke、kec可模糊量化为单点模糊集，E、EC；根据式(6)及Ui＝(E×EC)·Ri(7)对控制规则的21条规则，分别求出21个模糊控制量，依次记为U1、U2….U21，那么总的模糊控制量即为U＝U1∪U2∪U3∪…∪U21(8)用最大隶属度法进行模糊判决，最后便可得到控制输出量的精确量u。
遍取输入数据的各种可能情况，进行上述的运算，求出每种输入所对应的输出量，编制成模糊控制表。以上工作可以离线完成，然后将模糊控制表作为“文件”存入计算机中，见表2。
为了克服普通模糊控制器输入、输出变量量化为有限的离散值所造成的控制精度低与可能出现的稳态颤振问题，利用模糊控制表和输入的连续值，采用在矩形域上二元函数分片双一次插值算法在线计算出连续可变的控制量，可以显著提高控制精度。
因此，在每次一步控制算法周期中，将采样得到的e和ec分别用量化因子ke、kec转换成连续的Ei和ECi而不经过取整运算。
Ei＝Ke·e；ECi＝Kec·ec，Ei，ECi∈[-6，6]。
对控制表进行插值运算求出连续的U(Ke·e，Kec·ec)，再经Ku加权后得出输出控制量u＝INT(Ku·U)，U∈[-7，7]，输出控制量再经由脉宽调制单元PWM转换成为占空比可变的方波信号，控制阀门开度的增减。
表2模糊控制表图7表示控制输出时间脉冲序列图，调节器输出信号的占空比不一样，控制阀门的open端子或close端子接通时间不一样，使阀门动作由一系列的短时间时动时停动作组合而成。
图8表示文本发明控制效果，模糊调节的超调量小，响应速度快。
权利要求
1.浓度变送调节装置，包括动刀式浓度变送器、调节器、阀门电机和调节阀，它们之间依序由电信号连接，所述动刀式浓度变送器包括敏感元件、杠杆机构、光电传感器和力发生器，其特征在于(1)所述调节器为由微机构成的模糊调节器，它包括一个比较器，用于将动刀式浓度变送器当前测得的浓度与设定浓度相比较，得到浓度的偏差值e；一个微分器，对偏差值e在几个采样周期中的变化进行微分，得到偏差变化率ec；离散化单元，将连续变化的变量e和ec转变为分段的离散变量；分类单元，根据离散化的变量e和ec的变化范围，分别将其归入N个模糊子集组成的集合，N＝6-10，完成两个变量的模糊化过程；模糊关系矩阵单元，其输入量是模糊化后的e和ec，输出量是模糊关系矩阵中行与列分别与模糊化后的e和ec相对应的矩阵数据、矩阵数据根据实验或者公式事先置入；可编程脉宽调制PWM单元，用于将所述模糊关系矩阵单元输出量转换成占空比可变的方波信号作为模糊调节器输出；(2)模糊调节器输出信号分别加到两个固态继电器输入端，固态继电器输出回路连接电动阀门电机并实现其与电源的连通或关断。
2.如权利要求1所述的浓度变送调节装置，其特征在于所述N个模糊子集组成的集合，当N＝8时，为{负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大}；当N＝7时，为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。
全文摘要
浓度变送调节装置，属于自动化控制装置，特别涉及测量和控制流体浓度的装置，克服现行通用调节器和电动阀门在动刀式浓度自动控制系统中的诸多问题和不足，本发明包括动刀式浓度变送器、模糊调节器、固态继电器、阀门电机和调节阀，它们之间依序由电信号连接，动刀式浓度变送器包括敏感元件、杠杆机构、光电传感器和力发生器，模糊调节器包括比较器、微分器、离散化单元、分类单元、模糊关系矩阵单元和可编程脉宽调制PWM单元，模糊调节器输出信号加到固态继电器输入端。本发明中模糊控制器解决了通用调节器PID控制效果不好的问题，实现了阀门电机的直接控制；固态继电器无触点、控制电流小，动作速度快；省去调节器和阀门伺服放大器，降低成本，提高可靠性，控制体统超调小、反应快。
文档编号G01N9/34GK1544912SQ20031011148
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年11月28日
发明者李昌禧, 王利恒 申请人:华中科技大学