CN114261786B - 一种专家模糊控制算法的闸门配料系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种专家模糊控制算法的闸门配料系统和方法，包括：获取额定装载量；开启配料；计算当前物料量；计算偏差；推理判别；调整闸板位置；结束。本发明以获取的额定标载、实装值计算出的偏差值，将偏差值与模糊数据库中推理机得到的经验特征值比较，将偏差值与模糊知识库的内容进行判断分析，对偏差进行校正，并通过伺服电机和液压缸对闸板开度进行调节。位移传感器对闸板的位置进行实时监测，并反馈给中心计算控制中心，不断的修正闸板的开度，若额定标载大于实装值过多，即配料偏少，并对整个调整过程进行记录，不但对当前装车进行调整，而且对之后的装车有指导作用。

Description

一种专家模糊控制算法的闸门配料系统和方法

技术领域

本发明涉及一种专家模糊控制算法的闸门配料系统和方法，是一种用于运输机械的控制方法，是一种自动装运散装物料定量装车站使用的闸门控制方法。

背景技术

快速定量装车站通常设有缓冲仓和定量仓，缓冲仓向定量仓输送物料的缓冲仓闸门是控制配料的主要部件。缓冲仓闸门通常设置四个输料口，每个出料口设置两片对开的闸板分别为：1A、2A、3A、4A。传统的装车站解决配料主要是通过PV值（输料量节点值）的节点来调节，当开始配料时，1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B全部打开，当到达PV1设定值后，1A、2A、3A、4A全部关闭，减缓下料速度，当到达PV2后，1B、2B、3B全部关闭，进一步减小下料速度，仅留下4B一闪闸板全部打开，当到达PV3后4B开到中间位，物料下料速度达到最小，最终到达PV4后4B闸板关闭，配料流程结束。

传统方法的问题在于八片闸门中只有一个闸能够控制整个开闭过程，其他七片闸门只有有全开和全闭两种状态，这就导致卸料过程的控制僵硬死板，配料精度较低。随着商业经济的发展，现有的系统无法达到越来越高的配料精度要求。另外，现有的系统仅依靠1A-4B四扇八片闸门控制开到位与关到位的状态，若其中有一个传感器发生故障或与闸板内部产生机械碰撞导致损坏，则HMI上位机无法显示该闸板对应的实际位置，导致装车人员误判断，同时系统会显示未处于打开状态或关闭状态，给装车过程造成极大安全隐患，同时系统检测到缓冲仓闸门未全部关闭则定量仓闸板无法全部打开，给装车带来极大不便。如何提高配料的精度要求，并提高系统的可靠性是一种需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种专家模糊控制算法的闸门配料系统和方法。所述的系统和方法通过将实装值和额定值进行比较产生的偏差值，通过积累数据和既往的经验，使用模糊算法对下一次卸料是对闸门的动作进行调整，实现更加精确的卸料。

本发明的目的是这样实现的：一种专家模糊控制算法的闸门配料系统，包括安装在装车站缓冲仓的四个卸料闸门，每个卸料闸门设有两个对开的闸板，所述的闸板由伺服电机带动油缸动作，各个闸板的伺服电机上设有电流传感器，所述的各个闸板的伺服电机与闸门控制器连接，所述的闸门控制器与中心计算控制器的专家控制集连接，所述的专家控制集与实时监控各个闸板开度的位移传感器和电流传感器连接，所述的专家控制集还与模糊数据库、模糊知识库、偏差计算器、推理器与规则控制集连接；所述的偏差计算器与额定标载换取器、定量仓称重传感器、缓冲仓物料高度传感器连接。

进一步的，所述的中心计算控制器设有人机交互界面，所述的人机交互界面设有闸板位移的动画图像，以及各个闸板的伺服电机的电流显示。

一种使用上述系统出专家模糊控制算法的闸门配料方法，所述的方法的步骤如下：

步骤1，获取额定装载量：额定标载获取其从上位机中获得本次装载的物料数据，包括作为额定装载量的额定标载值；

步骤2，开启配料：八片闸板全部开启，物料从缓冲仓中进入定量仓，缓冲仓中内的物料高度传感器对物料缓冲仓内的物料减少量进行检测，同时定量仓的称重称重传感器对进入定量仓的物料量进行检测；配料过程按如下方式进行：当开始配料时闸板全部打开，当配料达到额定重量的20%时闸板开度调节到80%，减缓下料速度，当配料达到额定重量40%时，闸板开到60%，进一步减小下料速度，当配料达到额定重量的60%时，闸板开度减小到40%，当配料达到额定重量的80%时，闸板进一步减小开度到20%，最终闸板全部关闭，配料过程结束，闸板开闭的过程通过HMI显示；

步骤3，计算当前物料量：偏差计算器将获取的称重数据和物料高度数据进行比较计算得出当前进行定量仓的物料实装值；

步骤4，计算偏差：偏差计算器将当的物料实装值与额定装载量进行实时比较，计算出进入定量仓的物料实装值与额定标载值之间的差值，将所述的差值作为偏差传输给专家控制集；

步骤5，推理判别：专家控制集对额定标载值、实装值，偏差值进行分析对比，通过在模糊数据库和模糊知识库中进行大数据采集，将标载相同、车厢型号类似的车厢相关数据进行综合比较分析，通过推理机与规则控制集的特征识别与信息处理流程，计算出各个闸板的位置修正值；

步骤6，调整闸板位置：专家控制集根据位置修正值通过闸门控制器调整闸板的开度和启动各个闸板运动的时间间隔，各个闸板上的位移传感器将各个闸板的位置反馈给专家控制集，以消除偏差；专家控制集将获取的闸门参数，连同实时出现的额定标载值、实装值、偏差值一起存入模糊数据库，将判断过程存入模糊知识库；

步骤7，结束：反复进行步骤3-6，直至定量仓中的物料达到当前车厢装载量，结束配料过程。

本发明的有益效果：本发明以获取的额定标载、实装值计算出的偏差值，将偏差值与模糊数据库中推理机得到的经验特征值比较，将偏差值与模糊知识库的内容进行判断分析，对偏差进行校正，并通过伺服电机和液压缸对闸板开度进行调节。位移传感器对闸板的位置进行实时监测，并反馈给中心计算控制中心，不断的修正闸板的开度，若额定标载大于实装值过多，即配料偏少，并对整个调整过程进行记录，不但对当前装车进行调整，而且对之后的装车有指导作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述系统的原理框图；

图2是本发明实施例二所述HMI的闸门位移动画显示示意图；

图3是本发明实施例三所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种专家模糊控制算法的闸门配料系统，如图1所示。本实施例包括安装在装车站缓冲仓的四个卸料闸门，每个卸料闸门设有两个对开的闸板，所述的闸板由伺服电机带动油缸动作，各个闸板的伺服电机上设有电流传感器，所述的各个闸板的伺服电机与闸门控制器连接，所述的闸门控制器与中心计算控制器的专家控制集连接，所述的专家控制集与实时监控各个闸板开度的位移传感器和电流传感器连接，所述的专家控制集还与模糊数据库、模糊知识库、偏差计算器、推理器与规则控制集连接；所述的偏差计算器与额定标载换取器、定量仓称重传感器、缓冲仓物料高度传感器连接。

所述的中心计算控制器是具有存储和计算能力的软、硬件电子系统，可以是工业PC，嵌入式系统等电子装置。所述的专家控制集、模糊数据库、模糊知识库、偏差计算器、推理器与规则控制集等为设置在电子装置的功能模块。这些功能模块主要通过软件实现，或必要时使用专门的硬件实现。

本实施例通过伺服电机来控制油缸，再由油缸推动闸板移动，电流传感器安装在伺服电机上，也就是说每个闸板上都有油缸、伺服电机和电流传感器。位移传感器可以安装在闸板上，以表示闸板的开度。位移传感器则可以使用磁标尺位移传感器、光电标尺位移传感器等。

闸板可以随时停止到指定位置，位移传感器检测到闸板的实时位置，再将闸板的实时位置反馈中心计算控制器中，呈现在HMI画面中，给人直观感受。本实施例的可以实时控制各个闸板的开度，实现任意调节物料下料速度。

通过建立专家模糊控制数据库，实时将车辆装载信息保存到数据库内并进行比较，优化算法，通过比较额定标载值与实装值之间的偏差值，调整闸板开度与启动各个闸板运动的间时间间隔。

通过对比之前的配料过程，专家模糊控制系统可以将配料过程量化，当开始配料时闸板全部打开，当配料达到额定重量的20%时闸板开度调节到80%，减缓下料速度，当配料达到额定重量40%时，闸板开到60%，进一步减小下料速度，当配料达到额定重量的60%时，闸板开度减小到40%，当配料达到额定重量的80%时，闸板进一步减小开度到20%，即相当于传统装车系统的精确配料过程，最终闸板全部关闭，配料过程结束。

模糊数据库主要存放基本信息与定义，与系统相关最终结论等内容。模糊知识库存放由领域专家总结归纳以及采用置信度与匹配度的相关信息。专家控制集是核心，专家控制集通过推理机与规则控制集的辅助运算，输入不确定性信息，同时按照模糊数据库与模糊知识库给出推理策略，从而实现机器自适应调节配料参数的过程。

专家模糊控制算法的优势主要是配料中以上各个参数是经验值，通过专家数据库反模糊化中心法则实时动态调节，配料速度有所提高，物料装卸时间大幅缩短。反模糊中心法则是将模糊值转化为明确的控制讯号，作系统输入值。反模糊化是模糊推理机中的重要一步，也称作解模糊化，常用的有中心隶属度法、重心法与加权平均法。传统装车系统的PV值是控制配料闸门开闭的经验值，通过中心隶属度法，即定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断与反模糊化的流程分析，本身在汽运与火运配料过程里，由于煤种不同，落料速度不一样，传统意义上面的PV值截煤很难实现精准配料的过程，通常会出现挂壁的情况。通过结合最大隶属度去模糊化法则的应用，实现煤炭配料的模糊控制过程，选取推理结果模糊集合中隶属度最大元素作为输出值，在输出论域V中最大隶属度对应多于一个则最大隶属度输出平均值，N是最大隶属度输出总数，无需考虑隶属度函数形状，只需考虑输出值即可。

称重传感器用以得到已配料的物料数量，可以使用常规的装车站常用的计量称重装置。

缓冲仓物料高度传感器检测缓冲仓内剩余物料的高度情况，将实装值与额定值比较，获取偏差，该数据录入到推理机与模糊控制集，通过模糊控制集的数据库与知识库进行数据分析，得到的结果通过位移传感器偏移量进行反馈，从而改变推理机以及专家模糊控制系统内闸门开度的百分比，进而达到减小配料偏差的目的。

传统快速定量装车系统配料过程死板，闸门仅存在开到位、关到位两种状态信号，配料中由于上料不足，经常需要等待缓冲仓进料，此时闸板不能自动关闭，需要人工处理，而本实施例应用专家模糊控制算法，当系统检测到定量仓内称重仪表读数超过1min无变化，则闸板自动调节关闭，同时当缓冲仓物料高度传感器检测到缓冲仓内物料有高度变化，则说明此时已开始上料，闸板自动打开到关闭前的记忆位置，开始继续配料的过程。同时在缓冲仓配料过程里，物料下落速度不确定，同时配料准确性受煤质影响大，物料干燥则流动性好下落快，物料潮湿则容易挂壁不易下落，因此在装车过程里需要装车工随时调节PV值，既繁琐还容易出现问题，而本实施例则很好解决以上问题，实时动态纠偏，调整闸板的开度与位置，实现机器自适应的工况调节配料方法。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于中心计算控制器的细化。本实施例所述的中心计算控制器设有人机交互界面，所述的人机交互界面设有标尺1和闸板2位移的动画图像，以及各个闸板的伺服电机的电流显示3，如图2所示。

本实施例在人机交换截面HMI中设置以动画形式表示闸板的开闭，形式十分直观便于操作人员观察和判断设备的运行情况。

实施例三：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统的专家模糊控制算法的闸门配料方法。

本实施例通过闸板的位置、闸板打开关闭的速度、电机电流的大小来综合判断，结合专家模糊控制算法，完成闸板开度的调节与精确配料的过程。

具体过程是：通过采集额定标载、实装值，计算出的偏差值，三者进行分析对比，通过大数据采集，将多辆同种标载相同，车厢型号类似的卡车相关数据进行综合比较分析，通过推理机与规则控制集的特征识别与信息处理流程，位移传感器实现A、B闸板的位置精确控制，实现精确配料的流程并将受控量实时反馈，实现闸门开度自适应调节的过程，优化算法模型结构，减小偏差值，达到最终精确配料的目的。该过程里面，通过位移传感器将受控量反馈给模糊知识库和模糊数据库，而闸板开度的过程是专家模糊控制算法的核心以及关键环节，最终将偏移量以数字的形式保存在数据库中，给装车人员直观的感觉，实现机器自适应动态调节的过程，减小人工干预，防止事故的发生。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

步骤1，获取额定装载量：额定标载获取其从上位机中获得本次装载的物料数据，包括作为额定装载量的额定标载值。

在装车站的控制主机（在本实施例中是上位机）中，通常在对一列火车进行装车之前，通过装车工录入每节车皮相关信息，毛重、皮重，额定标载值等数据，以便在开始装车称重仪表实装量与额定标载的偏差值计算，该过程是准备步骤，而当前装车完成后偏差值与数据库中的当前车皮类似的车型与偏差进行对比分析的过程，通过专家模糊数据库的数据进而调整开度是后续步骤，则本步骤的过程是必须的也是不可少的环节。

步骤2，开启配料：八片闸板全部开启，物料从缓冲仓中进入定量仓，缓冲仓中内的物料高度传感器对物料缓冲仓内的物料减少量进行检测，同时定量仓的称重称重传感器对进入定量仓的物料量进行检测；配料过程按如下方式进行：当开始配料时闸板全部打开，当配料达到额定重量的20%时闸板开度调节到80%，减缓下料速度，当配料达到额定重量40%时，闸板开到60%，进一步减小下料速度，当配料达到额定重量的60%时，闸板开度减小到40%，当配料达到额定重量的80%时，闸板进一步减小开度到20%，最终闸板全部关闭，配料过程结束，闸板开闭的过程通过HMI显示。

例如配料38.5t的卡车车皮为例，当开始配料后，A、B两扇闸门全开，配料速度最大，当配料达到额定标载的40%，即称重仪表显示重量15.4t时，A、B两扇闸板关闭到80%开度位置，减缓落料速度；当配料达到额定重量60%以后，即称重仪表显示重量23.1t，闸板继续关闭到60%开度位置，类似于传统装车中的慢速配料流程；当配料达到额定标载的80%以后，即称重仪表显示重量30.8t后，A、B闸板继续关闭，当到达40%开度位置后停止动作；当配料达到额定标载的90%以后，即称重仪表显示重量34.6t后，A、B闸板继续关闭，开度到90%位移传感器位置后停止动作，类似于传统装车系统精确配料的过程，配料速度最慢，最终称重仪表数据到达额定重量并无限逼近的时候，A、B闸门全部关闭，配料完成。在该过程里，若称重仪表重量比额定重量大，即偏差为﹢，则说明配料多了，通过专家模糊控制系统的计算将90%开度调整到95%，减小配料即可，若依旧过大则将80%闸板开度位置调整到85%；反之若称重仪表比额定重量小，即偏差为﹣，配料少了，则将90%开度自适应调整到85%，多配一些料即可，最终实现减小偏差的目的，实现精准配料过程。由于煤种、发热量不同，物料下落速度不一样导致配料过程通过专家模糊控制系统进行调整与调节。

步骤3，计算当前物料量：偏差计算器将获取的称重数据和物料高度数据进行比较计算得出当前进行定量仓的物料实装值。

本步骤主要通过物料高度传感器和称重传感器所获取的数据，对称重仓中的物料以及缓冲仓中的物料量进行评估，以确定实装值。本步骤中所述的物料高度数据是缓冲仓中的物料高度数据，而不是定量仓中的物料高度数据。监测缓冲仓中的物料高度的目的是，通过监测缓冲仓的物料的高度计算出缓冲仓在配料过程中所失去的物料量，将缓冲仓失去的物料量与称重仓的称重传感器获得的物料量量配合，以提高称重精度。

步骤4，计算偏差：偏差计算器将当的物料实装值与额定装载量进行实时比较，计算出进入定量仓的物料实装值与额定标载值之间的差值，将所述的差值作为偏差传输给专家控制集。

步骤5，推理判别：专家控制集对额定标载值、实装值，偏差值进行分析对比，通过在模糊数据库和模糊知识库中进行大数据采集，将标载相同、车厢型号类似的车厢相关数据进行综合比较分析，通过推理机与规则控制集的特征识别与信息处理流程，计算出各个闸板的位置修正值。

推理判断可以应用专家模糊控制算法。专家模糊控制算法是一种计算机程序，通过逻辑推理与知识运用解决复杂问题的过程，让中心计算控制器自行处理得到的额定标载与实装值之间的偏差，应用推理机与规则控制集不断调整输入信息以及位移传感器的逻辑变量来实时反馈，动态纠偏，从而控制闸板在各个位置的开度。

专家模糊控制算法是一种大数据处理方法。在模拟数据库中存储多种不同类型列车型号，不同车型的偏差信息，通过当前车皮的闸板开度与偏差与专家模糊数据库中的信息同步分析比较，使计算更加准确。

特征识别是指对物料装载过程中相关信息的提取，也就是传统意义上的特征提取，包括该车厢车型，需要的预装量，额定载重信息，车厢形状以及物料流动性等特征分析并预判，为下一步装车做准备。

信息处理流程是实时将闸板开度位置进行动态反馈，包括闸板的开度决定落料速度的调节，最终定量仓物料的吨数与预装值的比较，是否需要加大或者减小闸板开度，闸板开度给定的百分比数字，最终实现闸板位置的动态调节与数值整定过程。

步骤6，调整闸板位置：专家控制集根据位置修正值通过闸门控制器调整闸板的开度和启动各个闸板运动的时间间隔，各个闸板上的位移传感器将各个闸板的位置反馈给专家控制集，以消除偏差；专家控制集将获取的闸门参数，连同实时出现的额定标载值、实装值、偏差值一起存入模糊数据库，将判断过程存入模糊知识库。

配料机结束后，通过称重仪表与额定标载数据两者比较，求得偏差，通过专家模糊控制系统，对偏差值进行纠偏动作，以指导下一节车厢的配料。当配料量大于额定标载则自适应将闸门开度顺序减小，从而减缓配料，当配料量小于额定标载则将闸门开度顺序增大，即增大配料，最终实现逐步减小偏差的目的，实现精准配料的过程。推理机需建立预完善机制，以及建构规则控制集，通过位移传感器将实际闸门偏移量完善并通过专家模糊控制系统的模糊数据库以及模糊知识库进行相关数据比对，并逐步减小偏差量，从而实现精确配料的过程。

调整闸板开度是指，通过位移传感器的信号反馈，以动态调节闸板的位置，即调整闸板开口的大小，相当于调整物料的流量，实现精确配料的过程。

调整启动各个闸板运动的时间间隔是指，控制闸板开启的时间长度。当实际装载量比预装重量多，也就是“装超了”的情况发生，则缩短关闭闸板的时间间隔，即提前关闭几扇配料闸板，减小配料量，使下一节列车实际装载量与预装重量无限逼近；反之当实际装载量小于预装重量，也就是配料“没配够”的情况发生，则延长闸门打开时间，让下料的时间加大，实现增大配料量的目的，使下一节列车车厢实际装载量与预装重量无限逼近，也就是将每一节列车车厢的实际装载量与预装重量录入专家模糊控制数据库，实现实时的比较。

步骤7，结束：反复进行步骤3-6，直至定量仓中的物料达到当前车厢装载量，结束配料过程。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如装车站的形式、各个硬件及其软件的配置、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种专家模糊控制算法的闸门配料方法，所述的方法所使用的系统包括：安装在装车站缓冲仓的四个卸料闸门，每个卸料闸门设有两个对开的闸板，所述的闸板由伺服电机带动油缸动作，各个闸板的伺服电机上设有电流传感器，所述的各个闸板的伺服电机与闸门控制器连接，所述的闸门控制器与中心计算控制器的专家控制集连接，所述的专家控制集与实时监控各个闸板开度的位移传感器和电流传感器连接，所述的专家控制集还与模糊数据库、模糊知识库、偏差计算器、推理器与规则控制集连接；所述的偏差计算器与额定标载换取器、定量仓称重传感器、缓冲仓物料高度传感器连接；所述的中心计算控制器设有人机交互界面，所述的人机交互界面设有闸板位移的动画图像，以及各个闸板的伺服电机的电流显示；

其特征在于，所述的方法的步骤如下：

步骤1，获取额定装载量：额定标载获取其从上位机中获得本次装载的物料数据，包括作为额定装载量的额定标载值；

步骤2，开启配料：八片闸板全部开启，物料从缓冲仓中进入定量仓，缓冲仓中内的物料高度传感器对物料缓冲仓内的物料减少量进行检测，同时定量仓的称重传感器对进入定量仓的物料量进行检测；配料过程按如下方式进行：当开始配料时闸板全部打开，当配料达到额定重量的20%时闸板开度调节到80%，减缓下料速度，当配料达到额定重量40%时，闸板开到60%，进一步减小下料速度，当配料达到额定重量的60%时，闸板开度减小到40%，当配料达到额定重量的80%时，闸板进一步减小开度到20%，最终闸板全部关闭，配料过程结束，闸板开闭的过程通过HMI显示；

步骤3，计算当前物料量：偏差计算器将获取的称重数据和物料高度数据进行比较计算得出当前进行定量仓的物料实装值；

步骤4，计算偏差：偏差计算器将当的物料实装值与额定装载量进行实时比较，计算出进入定量仓的物料实装值与额定标载值之间的差值，将所述的差值作为偏差传输给专家控制集；

步骤5，推理判别：专家控制集对额定标载值、实装值，偏差值进行分析对比，通过在模糊数据库和模糊知识库中进行大数据采集，将标载相同、车厢型号类似的车厢相关数据进行综合比较分析，通过推理机与规则控制集的特征识别与信息处理流程，计算出各个闸板的位置修正值；

步骤6，调整闸板位置：专家控制集根据位置修正值通过闸门控制器调整闸门的开度和启动各个闸板运动的时间间隔，各个闸板上的位移传感器将各个闸板的位置反馈给专家控制集，以消除偏差；专家控制集将获取的闸门参数，连同实时出现的额定标载值、实装值、偏差值一起存入模糊数据库，将判断过程存入模糊知识库；

步骤7，结束：反复进行步骤3-6，直至定量仓中的物料达到当前车厢装载量，结束配料过程。