如何提高粉體給料技術的控制精度
一、問題背景
粉體的物理流動性在多種因素影響下會呈現(xiàn)大跨度的變化，當處于氣粉混合態(tài)時具有氣液體的高流動性和高壓力傳導性，在流通方向壓差大時易導致沖料自流現(xiàn)象；當長期沉積淤塞時又具備固體的板結鐵實非流動性和高壓力阻隔性，結果容易導致阻塞斷料現(xiàn)象；當正常給料呈半流態(tài)時又會遇到架拱結圈的瓶頸效應，結果導致限流性欠料，即使不欠料，也會因為流動性的變化引發(fā)來料密度與壓力的波動，結果導致給料的波動性。
正是因為粉體介質(zhì)在靜動態(tài)間具有巨大的動力學差異性，造成目前粉體定量給料的控制誤差太大，直接影響到后續(xù)工藝產(chǎn)質(zhì)量的保證和提升，又進一步關系到企業(yè)的贏利和價值目標，如何提高粉體給料的控制精度就成為研究的焦點！
二、理想控制特性
理論上，一切定量控制的控制特性最好是一條過零的直線，方程為：
y=kX
如圖所示：
Y對應的數(shù)字范圍為0-滿量程，X對應的數(shù)字范圍為0-100%，K為比例系數(shù)。
實際上，由于控制對象的慣性作用，控制量變化時被控制量要經(jīng)過相應的時延響應過程后才穩(wěn)定，一般采用電機調(diào)速系統(tǒng)，因含動能積累或釋放，為二階慣性環(huán)節(jié)，普通螺旋機在X以10%驅(qū)動躍變下，流量Y的穩(wěn)態(tài)響應時間一般在2秒左右。
理論上，Y與X的關系呈線性一一對應直線關系最好，或者兩者間雖呈非線性但能保持一一對應曲線關系，在此理想的控制特性下， 只要有帶足夠分度的刻度盤的電位計，用人工手動控制，任何目標Y也可容易穩(wěn)定實現(xiàn)高精度。此特性也稱為開環(huán)控制特性。
三、粉體給料裝置的實際控制特性
人們設計了不同工作原理的粉體驅(qū)動控制裝置，如單雙管螺旋機、圓盤轉子機、密封皮帶機等等，雖然都是瞄準同樣的一一線性對應關系，然而最終實際結果往往卻是一簇隨機對應的曲線組。
最常見的普通螺旋機的實際控制特性如下：
螺旋機的工作原理是基于滿填充的單位螺距定容積物料輸送。由于粉體流動性隨機變化造成的密度變化將導致單位容積質(zhì)量的不同，加上粉體壓力增大時會造成超越螺旋運動速度的隨機流動性前竄，如果螺旋葉殼間隙大時更加劇了前竄流動性的發(fā)展，最終就導致每旋轉周期螺距給出的粉體質(zhì)量隨機不同。一般情況下，螺旋正向升程加速時因流動性處于增大過程，其特性處于低端，但反向回程減速時流動性已大不可遏，其特性就必然上移，呈現(xiàn)明顯的滯環(huán)效應，而且工作點越高，滯環(huán)效應越大，用軍事術語叫“跳動”嚴重，其控制特性圖呈胖頭大棒狀。
當采用密封型皮帶機給料時，由于其直通料路的流動性鎖止結構力弱，其特性比普通螺旋更差。
圓盤式轉子給料機，由于不存在直通料路，流動性前竄的因素較小，但問題出在含氣粉體對定容積儲料分格的填充密度變化上，一但粉體含氣量發(fā)生變化，同容積的粉體質(zhì)量必然變化，結果也好不到那里去。
普通螺旋機實際的控制特性數(shù)學模型是：
Y=K*r(P(Y))* X+ R(P(Y)-F(Y))
其中，r是最后出料單位工作腔的供料填充系數(shù),值域0~1，它是填充壓力P（主要由卸料倉的工作結構和倉口壓力決定）的正函數(shù)；P往往又隨工作流量Y的增加而增加。
R是干擾量，值域0~100%Y滿程，一般<50% Y滿程，它是最后出料單位工作腔的進料填充壓力P和前竄鎖止力F（主要由給料裝置的工作結構決定）之差的函數(shù) 。當P>F時隨機產(chǎn)生R，當P<F時R=0，而其中 F往往又隨工作流量Y的增加而減少，而P往往又隨工作流量Y的增加而增加。
R在時域變化呈現(xiàn)的最快頻率或最小周期tr很重要，如果tr較大，干擾過程緩慢，則有機會進行閉環(huán)修正。
正是由于供料填充系數(shù)r和干擾量R的存在，造成同一控制量X下會出現(xiàn)不同的Y，使Y與X之間失去一一對應的重復性，這種Y的開環(huán)隨機波動幅度與頻率決定了控制裝置的最終精度。
當前端的料倉內(nèi)崩塌形成高流態(tài)含氣高壓粉體進入給料裝置時，而給料裝置的工作結構不能吸收釋放其壓力和流動性，鎖止力又弱，就會造成粉體沿料路通道強行前竄形成自流，裝置停機后還持續(xù)沖出粉料，直到倉內(nèi)粉體高壓動能釋放完畢或出料堆積阻力高于料壓后才停頓。用軍事術語叫“走火”，常見于螺旋機、皮帶機和葉輪機，表現(xiàn)為 沖料自流的控制特性顯示如下：
X=0
P(Y)>>F(Y)
Y= R(P(Y)-F(Y))
當給料裝置前端的倉內(nèi)拱結形成隨機半徑的細窄瓶頸，形成漏斗流限流，就會導致給料裝置的工作結構不能獲得滿填充，造成粉體通道半填充全速運轉，嚴重時其特性下移表現(xiàn)為阻塞斷料，其本質(zhì)是前端倉體卸料不暢產(chǎn)生問題，而非給料裝置自身的問題。用軍事術語叫“卡殼”，此情況下呈現(xiàn)早飽和的控制特性如下：
r=0~0.5
R=0
P(Y)=0
Y=K*r(0)*X
有一種情況也常出現(xiàn)，當螺旋給料機從額定工作流量緊急減速停機時，一但停止后，其流動性前沖慣性會對螺旋葉片工作區(qū)造成高密實性擠壓；而重新從靜態(tài)停機重新開始低速啟動給料時，由于此刻粉體流動性最差阻力很大，運行負荷最大，但采用變頻調(diào)速驅(qū)動的螺旋卻正好處于效率最低的工作段，電壓與頻率低，輸出力距小，提升力矩過大可能造成電流超限而保護自動停機，或者因長時間大電流堵轉引發(fā)電機溫升。此時的特性表現(xiàn)為：
X=0~100%
Y=0
而在額定的流量工作區(qū)，由于流動性高、負載輕、轉速較高，變頻調(diào)速反而處于效率較高的大力矩工作段。要解決此類矛盾，一方面應在設計上具備釋放緩沖的料容結構，一方面應在運行程序上采取慢速停機，中高速啟動開機的工作方式。
由于常規(guī)的螺旋給料常常遇到上述種種難以克服的問題，有人轉而采用氣動方式來控制給料，通過在料倉底部裝設氣化管路和風動斜槽，卸料時對庫底吹入一定壓力的空氣，使粉體充分流態(tài)化后用流量閘閥的開度來控制出料量，結果往往由于調(diào)節(jié)閥前端的倉內(nèi)粉氣混合濃度與壓力不穩(wěn)定，在小開度時因閥后產(chǎn)生氣旋渦流效應提升了背壓消弱了壓差而呈截止限流特性，而閥位開度超過氣旋渦流效應的臨界拐點后的背壓大幅下降，造成開度流量突然提升，但很快又因調(diào)節(jié)閥后的背壓飽和提升，造成閥前后壓力差的減小平衡而進入飽和限流特性，總體呈現(xiàn)典型的大死區(qū)的繼電器開關特性，非線性嚴重，表現(xiàn)為截止區(qū)與飽和區(qū)太大，而線性控制區(qū)域狹窄，控制區(qū)的Y/X的斜率太高含滯環(huán)，其開環(huán)波動幅度太大。其流量呈現(xiàn)出多變量控制的函數(shù)關系：
Y=f(X,U（Y）,S,?)
其中，X為閥門開度，U為閥門前后壓力差，S為粉氣混合密度,?為未知的其他影響因素。特別是壓力差U又可以被輸出的Y影響，形成局部隨機強烈循環(huán)反饋,因此其控制規(guī)律是極其復雜的。而且，采用氣動卸料技術必然導致給出粉體含氣量高且壓力大，對后續(xù)檢測計量存在嚴重干擾，用于定量給料場合是得不償失的。
氣動閘閥的實際控制特性：
一個好的控制裝置的控制特性應該具備較小的開環(huán)波動幅度如5%滿程，在其控制特性曲線反映為線束較窄細，且Y/X的斜率低，控制區(qū)域?qū)挘刂品侄雀呷纭?.5%。
r=1
R〈5%Y滿程
Y=K*X+R
四、用閉環(huán)反饋提升控制精度
通過閉環(huán)控制能改善最終的目標控制精度，但閉環(huán)能補償?shù)拈_環(huán)特性波動是有限的。其效果主要取決于給料裝置的開環(huán)波動性和驅(qū)動控制對象的慣性延時，以及檢測計量的精度和檢測反應時間等。
控制環(huán)路上每個信號流的傳遞環(huán)節(jié)都必然存在反應時間，t1一般為高速的計算機處理環(huán)節(jié)，時延可控制在毫秒級，t2是執(zhí)行轉換時延，由設計結構的機械質(zhì)能驅(qū)動效率決定，一般在2-5秒左右，t3是檢測感應環(huán)節(jié)時延，由檢測原理的工作結構的決定，一般在0.5-5秒左右時間. t4 是信號處理的濾波延時，一般可控制在0.5-1秒內(nèi)
當構成閉環(huán)內(nèi)所有環(huán)節(jié)的反應時間之和（系統(tǒng)開環(huán)響應時間）t=t1+t2+t3+t4變大時，根據(jù)穩(wěn)定控制原理，閉環(huán)控制周期T=t也必然加大，則非控制時間內(nèi)的開環(huán)波動幅度必然也隨之變大，其變化幅度就是閉環(huán)控制能修正的最小穩(wěn)態(tài)誤差，所以構建控制系統(tǒng)應盡最大可能地縮小每個t的子項。如果能使t<2tr，就可有效修正R的干擾。
如果閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)修正的工作參數(shù)（如控制周期與pid參數(shù)等）設置不當，其控制誤差還會進一步放大。例如：如果強行超越系統(tǒng)開環(huán)響應時間來縮短控制周期，使T<t，就會導致前次修正作用已產(chǎn)生但還未從反饋信號反應出來時繼續(xù)追加新的修正，造成過度修正而引發(fā)控制震蕩；反之，如果超越系統(tǒng)開環(huán)響應時間地延長控制周期,，使T>t，又會錯失進行有效修正的最快時機，造成穩(wěn)態(tài)誤差的擴大。
當采用螺旋稱或皮帶稱來檢測料流量時，由于其計量段的物料通過時間一般高達5秒以上，屬典型的積分滯后傳遞環(huán)節(jié)，用于變化快速的粉體計量是極其錯誤的，因其明顯導致了系統(tǒng)開環(huán)響應時間加大，不但容易引發(fā)控制震蕩，還推延長了對給料裝置開環(huán)波動性的及時修正調(diào)節(jié)時機，進而導致系統(tǒng)閉環(huán)控制誤差的放大。
檢測反饋環(huán)節(jié)是構成閉環(huán)的重點，用軍事術語叫“眼睛”，其關鍵參數(shù)是反應時間和識別精度。對粉體計量而言，沖板式流量計因采用動量測量原理，其檢測反應時間(包括感應檢測與放大轉換)一般在0.3~1秒內(nèi)，是現(xiàn)有技術手段中最快的，要遠好于螺旋稱、皮帶稱等積分計量方式，識別精度一般能保證0.3%FS以上。如下圖示:
如果給料裝置本身的開環(huán)控制特性的隨機誤差波動就大，再采用錯誤的積分滯后式檢測來構成閉環(huán)，則無論采取任何先進的（自適應、預測、智能、魯棒等等） 控制技術理論都將失效。因為，雖然我們擁有先進的計算機技術，但即使偉大的愛因斯坦復活，也不可能建立起一個可修正隨機干擾變化規(guī)律的數(shù)學模型。
為便于非專業(yè)人士的理解，我們設計一個控制精度比賽：A為頂尖賽車手的舒馬赫先生，給他灌一瓶62度二鍋頭，使其醉酒后的視覺到動作的反應時間從0.1秒延長到3秒，再給他一輛方向飄得沒譜（假設帶有2度的方向隨機波動和1秒的動作時延）的破車；B為剛拿到駕照的菜鳥您，具備正常0.3秒的反應時間再配一量輛方向正常的普通車，然后找個首都機場那么大的場地中間劃條2000米醒目地標直線，要求您倆分別以 50米距離垂直右轉彎從一端進入直線賽道，保持80邁以上速度跑完2000米，比比誰控制的左輪跡偏離地標直線的誤差大，比賽結果完全可昭然預測如下：
即使按3度偏差回切過中心線，由于A的視覺反應時間加方向機作用延時共計4秒以上，可計算出其最小修正偏差為sin3*80*1000/3600*4=4.6米
顯然，A先生將以最先進的駕駛控制技術和最豐富的駕駛控制經(jīng)驗慘敗于菜鳥B先生您！僅僅是因為方向機差些和反應慢些，就足以將英雄變成狗熊！
上述虛擬比賽說明，如果給料裝置自身的開環(huán)控制特性的隨機誤差波動就比較小，驅(qū)動結構的動力慣性也輕盈快捷，再采用準確的即時式檢測來構成閉環(huán)，則采取常規(guī)的計算機差分增量PID控制技術就足以取得很好的控制精度。
所以，腳踏實地打造好粉體給卸料環(huán)節(jié)的硬件基礎，塑造出較好的開環(huán)控制特性，同時確保對流量的檢測及時準確，提高其控制精度自然就水到渠成。既不必舍本逐末，指望從所謂先進的控制理論中去尋仙問道；也不必繞山轉水，期待從復雜的氣粉動流體力學中去霧花鏡月。
五、結論
如果不穿透現(xiàn)實粉體控制的復雜表象，發(fā)現(xiàn)其下掩藏的內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，而是跟著問題的表象跑，就常常在現(xiàn)實中看見很多局部而膚淺的五花八門的技術處理方案。其實，要提高粉體控制精度，只要系統(tǒng)地在影響其的3個本質(zhì)因素的基礎環(huán)節(jié)上同時展開提升，就必然獲得真正的推進。
1、卸料環(huán)節(jié)
前端必須配套通暢充盈的大庫整體流供卸料系統(tǒng)，利用粉體動態(tài)拱下泄機制保持倉口粉體壓力密度的均衡平穩(wěn)，卸料結構要盡可能避免空氣混入粉體夾帶卸出，保持倉口具備滿填充自適應供給流動性，避免再建中間小倉的復雜基建與設備迂回系統(tǒng)，不但要杜絕漏斗流形成的欠料斷料 ，還要大幅消除倉內(nèi)中高部位拱架垮塌的幾率。
解決卸料的通暢平順，使r>0.95，就可消弱供料引發(fā)的隨機干擾因素，這是根除粉體控制失控的根源所在。
2、給料環(huán)節(jié)
裝置必須具備良好料容結構，能充分吸收緩釋高壓含氣粉體的流動性沖擊，消除隨機性沖料自流的可能。一方面要降低最終工作腔的進料填充壓力P；另一方面同時要提升該工作腔的流動性前竄鎖止力F，保證升程回程時具有穩(wěn)定一致滿填充給料結構，在高端流量工作減速時也能鎖止粉體的慣性前向竄動，大幅減少工作點附近頻繁的升回程調(diào)節(jié)的滯環(huán)效應，即開環(huán)控制特性形狀應瘦身收窄細?？刂屏颗c被控制量間具備寬域的對應關系，要獲得1%的控制精度，控制量的調(diào)節(jié)分度應保證達0.5%以上，并具備快速的穩(wěn)態(tài)響應。
解決給料的鎖止同步，使R<5% 滿程，就可消弱R的干擾影響，這是降低開環(huán)控制特性波動幅度的關鍵所在。
3、計量環(huán)節(jié)
采用響應最快的流量檢測技術，要獲得1%的控制精度，必須確保測量的長期穩(wěn)定準確度在0.5%以上。
解決計量的及時準確，使t2<1 秒，才可提升閉環(huán)的控制效率，這是通過閉環(huán)控制提升開環(huán)控制精度的要害所在。
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