【摘 要】 論文指出了目前電子皮帶秤自動配料系統中存在的影響配料精度的有關問題，通過對現狀的分析，提出了將模糊控制理論應用于配料系統的方法和具體實現，有效地解決了皮帶秤這一動態計量衡器的控制準確度問題。進一步提高了系統的計量準確度和配料速度。很大程度地降低了勞動強度，提高了生產效率和產品質量。 【關鍵詞】 配料 電子皮帶秤 模糊PID控制 控制準確度 Keywords：Batching；electronic belt scale；fuzzy PID control；control ccuracy 一、概述 目前，電子衡器已廣泛應用于工農業生產和社會生活的各個領域。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行業中，常需要對散料進行皮帶輸送過程中的動態連續稱量，而且還要對輸送中的流量進行調節、控制、達到準確的配比。 電子皮帶秤自動配料系統可以按照設定配比和流量控制各輸入物料的瞬時流量，從而達到控制各種產品的質量和產量的目的，是實現生產過程自動化和智能化、企業的科學管理、安全穩定生產和節能降耗的重要技術手段。微機配料控制系統在生產中的應用不僅可以提高配料質量和產量，也大大減輕了崗位工人的勞動強度，提高了生產效率。 本論文涉及到的有效解決動態計量衡器的控制準確度問題。作為衡器發展的前沿產品，它可代替企業中陳舊的配料工藝設備，很大程度地降低勞動強度，提高生產效率和產品質量，帶來可觀的經濟效益，推動國民經濟的發展。 二、目前國內外的現狀及存在的問題 企業內常見的皮帶秤自動配料系統現場結構組成如圖1所示，該結構形式是一種最基本、使用最廣泛的皮帶配料系統。本系統以7種原料混合的為例。系統共有7個給料倉，每個料倉下有一給料機，由一臺驅動電機帶動，電機的轉速就決定了給料機的流量，電機可采用多種調速方式；每個料倉下面有一皮帶秤，通過皮帶秤儀表能稱出下料的流量、累計量等數據；所有皮帶秤的下面是一輸送主皮帶，把混合好的原料送到下級容器中。 [align=center] 圖1 配料系統現場結構圖[/align] 目前國內某些生產廠家從成本考慮，采用單片機進行簡單的稱量積算和PID調節，功能簡單，控制準確度低，管理功能弱，可靠性不高。規模較大的公司則通常采用基于調節器和WINDOWS平臺的皮帶秤配料系統，該系統正常工作時，配料儀表接受來自秤體的稱重信號和測速信號，經積算后顯示瞬時流量和累計量，并將瞬時流量以4～20毫安模擬電流的形式送往PID調節器作為調節測量輸入信號，調節器將該信號與機內設定值比較運算后輸出4～20毫安模擬調節信號，控制給料電機轉速，從而進一步控制該種物料的下料流量，最終使幾種煤料的瞬時下料流量與階段累計量都保持在用戶要求的范圍內。要改變流量及配比可直接在調節器上進行設定操作，操作簡單方便。第i號給料機的控制方框圖模型如圖2所示。 [align=center] 圖2 第i號給料機的控制方框圖[/align] 適用上述解決方案的工藝現場首先必須滿足這樣一個前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機的轉速成正比。要使系統具有良好的調節品質，即有較高的穩定性、準確性和快速性，系統還必須具備兩個條件： 1）系統自身的結構性質穩定，這包括它的容量系數、阻力和傳遞距離等內容。 2）調節器有合理的PID參數。只有將這三種作用的強度作適當的配合，才可以使調節器快速、平穩、準確地運行，從而獲得滿意的控制效果。 在這兩者中，條件1）是條件2）的前提，因為PID參數取決于系統的動態特性，而影響系統動態特性的主要因素是系統本身的結構性質。 因為以往常用配料稱重系統方案設計是采用一般的PID控制算法，其參數一般是按階躍響應的過渡過程時間來整定的，靈敏度較高，對于固定參數的系統有著較好的調節品質，從理論上講能做到無誤差調節，在誤差較小的范圍內確有其優越性。但是，實際中電子皮帶秤自動配料系統的控制準確度會受到多個因素的影響。如：物料物理特性、機械震動、給料設備安裝準確度、料倉結構形狀等因素的影響；而且現場環境較為復雜、惡劣，其他外界干擾頻繁。由于以上因素的存在，系統誤差往往較大，其動態特性并不理想，超調量一般較大，導致控制系統無法實現理想的控制效果。此時，皮帶秤的計量性能和配料準確度都會受到影響。論文涉及到的新型電子皮帶秤自動配料系統，采用模糊-PID復合控制技術、將模糊控制技術結合傳統的PID控制策略應用在配料系統的調節中，可有效解決上述問題。 三、模糊控制配料系統的基本組成和工作原理 以7臺皮帶秤組成的配料系統為例，系統組成如圖3所示。本系統主要由配料電子皮帶秤、儀表控制柜、動力控制柜、低壓開關柜、變頻器柜、現場操作盤、工業控制微型計算機、及監控管理軟件幾部分組成。 [align=center] 圖3 系統組成[/align] 系統開始工作時，工控機首先根據本次生產任務首先進行各種初始化，包括各成分的名稱、倉號、產量、標準配比、標準流量等，然后按一定時序控制各給料機和皮帶秤的啟動，各給料機按一定流量給料，同時工控機讀取皮帶稱重儀的重量信號和累計量數據，根據各成分的累積量值計算當前的實際配比，通過與標準配比的比較修正各給料機的給定量，使系統工作在最佳配比狀態，當達到預定產量時，再按一定時序停止各給料機。 工控機主機選用研華IPC-610型14架裝式工業PC機箱，配置PCA-6179L全長CPU卡（PIII/370結構/支持133M外頻）、512M內存、80G硬盤、一個PCL-746+四端口RS232/422/485通訊接口卡、2個PCI-1720U型4通路隔離模擬量輸出卡（設置為4～20毫安模擬輸出）。工控機作為上位機，通過RS485雙向通訊接口與皮帶秤儀表聯機，通過RS232雙向通訊接口與動力控制柜中的PLC聯機，輸出模擬量控制信號控制給料機的給料流量，從而構成完整的配料系統。工控機另留有一個RS485雙向通訊接口，以備與全廠的上位工控機通訊。 監控軟件的主要功能有：根據生產配方和產量目標對稱重過程進行自動控制，包括PID和模糊控制；對稱重數據進行統計管理并實現打印，包括對變頻器進行調節控制的運算。系統軟件有多種現場監控方式和配方輸入方式，以適應不同的工程要求，用戶可設定報警打印時間等參數。界面采用菜單方式，使用方便，用戶可通過鼠標或鍵盤進行操作，對整個配料系統進行控制和管理。 四、系統控制模型分析 該系統的特點是由一臺上位機來控制多臺給料機，為了實現一定的配比，各給料機之間的工作又是相互聯系的，而且給定量要隨當前的實際配比進行修改，因此其控制結構是較為復雜的。第i號給料機的控制方框圖模型如圖4所示。 [align=center] 圖4 第i號給料機的控制方框圖模型[/align] 從圖4中可以看出，該系統屬于一個多閉環有關聯控制結構。就第i號給料倉而言，有兩個閉環和一個前饋，內環是一個FUZZY-PID控制器，據給定流量Fgi去控制調速給料機，使其給料流量Fi控制在理想的給定值Fgi附近。外環根據當前的累積值和希望產量之差ΔP以及前饋環節的給料機當前流量來修正內環的給定值。 控制器采用FUZZY-PID復合控制方式，當偏差較大時采用模糊控制，當偏差減小到較小范圍時采用PID控制方式。這樣就可以解決系統誤差較大，其動態特性不理想，超調量較大的控制難題。 五、FUZZY-PID復合控制器的設計 如圖5所示，被控量為Fi，控制量為Ui，采用FUZZY-PID復合控制方式，當偏差較大時采用模糊控制，當偏差減小到較小范圍時采用PID控制方式。二種控制采用并行的方法，由Bang-Bang開關進行切換，復合控制器結構圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 FUZZY-PID復合控制器結構[/align] 1）Bang-Bang轉換開關 Bang-Bang轉換開關實際上是控制器中的軟件開關，由其決定采用那種控制算法。設e1表示大小偏差的分界值，其切換規律如下： 當｜Ei｜〈= e1時，Kp=“1”，Kf=“0”，即采用PID控制規律； 當｜Ei｜ 〉e1時，Kp=“0”，Kf=“1”，即采用模糊控制規律。 2）PID控制器 PID控制器采用一般的增量式數字算法，其參數按常規整定。 理想的模擬PID控制算式見公式 其中， p： 調節器輸出 e： 調節器偏差輸入信號 Kp：比例系數，常用比例帶Ｐ表示，P＝1/Kp Ti： 積分時間，Ti越大，積分作用越弱，積分時間越長 Td： 微分時間 3）模糊控制原理及模糊控制器的實現 模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經驗形式化，模型化，變成計算機可以接受的控制模型，讓計算機代替人來進行有效的實時控制，為實現模糊控制，計算機作為模糊控制器，必須解決以下三個問題： a 輸入量輸出量的模糊量化； b 建立模糊控制規則，或模糊控制規則表； c 輸出信息的模糊判決。 如圖6所示，為模糊控制的原理框圖： [align=center] 圖6 模糊控制的原理框圖[/align] S： 系統的設定值，是精確量。 e，c: 系統偏差與偏差變化率，均是精確量。 E，C：經模糊量化處理后，偏差與偏差變化率變成的模糊量。 U： 模糊量的偏差與偏差變化率經模糊控制規則、近似推理處理后，得到模糊量的控制作用U。 u： 對模糊量的控制作用U，經模糊判決，得到模糊控制器輸出的精確量的控制作用u，去控制被控對象。 模糊控制系統的品質在很大程度上取決于控制規則及隸屬度的確定，控制規則是其核心，一般用IF a THEN b的表達形式，條件a可以是多個條件邏輯積。下面主要介紹所采用控制器的結構、輸入/輸出和模糊控制規則。 本系統將給定值Fgi和輸出反饋量Ffi進行比較，得到流量偏差Ei，進而可求出Ei的變化率以Ei和作為Fuzzy控制器的輸入，控制器的輸出是控制量Ui，即采用二維模糊控制器，如圖5所示。其中，K1、K2為量化系數，K3為比例系數，E、和U分別為偏差Ei、偏差變化率和控制量Ui的Fuzzy語言變量。 將輸入信息Ei和量化在[-6，+6]之中，偏差Ei對應的模糊子集E分為八檔：E=｛負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大｝，即=｛NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB｝ 與此對應，將偏差Ei分為14級，論域設為X，則 X=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 這樣確定論域X的元素對模糊子集E的隸屬度如表1所示。 [align=center]表1 輸入Ei隸屬度表 [/align] 同理，對于有：=｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，將偏差變化率分為13級，論域設為Y，則Y=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 這樣可確定論域Y的元素對的隸屬度。 控制量Ui的模糊子集為U，Ui分為13級，其論域為Z，則有 U=｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，Z=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝ 可確定Z對U的隸屬度。 根據給料機操作經驗，總結出如下控制規則： IF E=NB AND ΔE=PB THEN U=NB … IF E=PB AND ΔE=NB THEN U=PB 全部規則如表2所示。 [align=center]表2 控制規則表 [/align] 表中，“×”表示不可能出現的情況，即死區。 于是，對應每條控制規則，可得到一個三元模糊關系： 則有 對于總的控制規則所對應的模糊關系有R，用取并的方法得到，即 其中， 根據輸入E和，求出控制量的控制決策U如下： 其中， 根據上面計算得到的模糊子集U，采用取隸屬函數最大值判決法，求出相應的控制量u’，并結合實際情況對不合理處給予修正，即可得到模糊控制表，在每個控制周期，根據Ei和的值查模糊控制表，即可得到控制量u’，再乘以系數K3，即得到系統的實際控制量u=K3×u’，用以控制實際的系統。 量化系數K1、K2是為了將輸入變量變換為模糊論域內的離散整形值，即在輸入量的變化范圍和模糊論域范圍之間作一種影射變換（取整），其選擇主要依賴于兩個論域的變化范圍.在本系統的應用中，K1取8，K2取90。比例系數K3主要由控制量的模糊論域大小和實際對象控制量的大小來決定，本系統中，其輸出是通過8位D/A來控制變頻器，K3取35。 根據配料系統的特點和實際物料特性及實驗調試，e1取0.2。e1取得越大，系統的響應時間變慢，響應波動加大，e1取得越小，系統的響應時間加快，但PID作用不明顯。 在系統實際調試過程中發現，采用FUZZY-PID復合控制方式比單純采用PID控制，系統波動較小，更容易穩定，系統調整時間也有明顯改善。 六、結論 該電子皮帶秤自動配料系統采用當前運用廣泛，技術成熟先進的模糊控制理論，有效解決了以往皮帶秤配料系統存在的系統誤差較大、動態特性不理想的問題，提高了系統的控制準確度和可靠性，有效解決了動態計量衡器的兩個重要指標—快速性和準確性難以統一的問題。作為衡器發展的前沿產品，它可代替企業中陳舊的配料工藝設備，很大程度地降低勞動強度，提高生產效率和產品質量，帶來可觀的經濟效益，推動國民經濟的發展。該系統也可適用于連續給料的其他裝置，如：螺旋給料秤、圓盤給料秤、沖板流量計及核子皮帶秤等。 參考文獻 〔1〕王 成，工業生產自動化[M]. 北京：科學出版社，2003。 〔2〕羅才生，皮帶秤[M]. 北京：中國計量出版社，1992。 〔3〕申 穎，合鋼焦化廠電子皮帶秤自動配料系統[J]. 冶金自動化.2001，11：61-62。 〔4〕申 穎，PID調節器在電子皮帶秤配料系統中的應用[J]. 計量技術.2001，4:52-53。 〔5〕張榮善，散料輸送與貯存[M]. 北京：化學工業出版社，1994。 〔6〕劉苗生，提高微機配料準確度的措施[J]. 機械與電子，1996，1：32-35。 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