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1、模糊控制技术在电子皮带秤自动配料系统中的应用【摘要】论文指出了目前电子皮带秤自动配料系统中存在的影响配料精度的有关问题，通过对现状的分析，提出了将模糊控制理论应用于配料系统的方法和详细实现，有效地解决了皮带秤这一动态计量衡器的控制准确度问题。进一步进步了系统的计量准确度和配料速度。很大程度地降低了劳动强度，进步了消费效率和产品质量。【关键词】配料电子皮带秤模糊PID控制控制准确度Keywords：Batching；electronicbeltscale；fuzzyPIDcontrol；controlccuracy目前，电子衡器已广泛应用于工农业消费和社会生活的各个领域。尤其是冶金、煤炭、化工、
2、水泥等行业中，常需要对散料进展皮带输送经过中的动态连续称量，而且还要对输送中的流量进展调节、控制、到达准确的配比。电子皮带秤自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，进而到达控制各种产品的质量和产量的目的，是实现消费经过自动化和智能化、企业的科学治理、平安稳定消费和节能降耗的重要技术手段。微机配料控制系统在消费中的应用不仅可以进步配料质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，进步了消费效率。本论文涉及到的有效解决动态计量衡器的控制准确度问题。作为衡器开展的前沿产品，它可代替企业中陈旧的配料工艺设备，很大程度地降低劳动强度，进步消费效率和产品质量，带来可观的经济效益，推动国民
3、经济的开展。二、目前国内外的现状及存在的问题企业内常见的皮带秤自动配料系统现场构造组成如图1所示，该构造形式是一种最根本、使用最广泛的皮带配料系统。本系统以7种原料混合的为例。系统共有7个给料仓，每个料仓下有一给料机，由一台驱动电机带动，电机的转速就决定了给料机的流量，电机可采用多种调速方式；每个料仓下面有一皮带秤，通过皮带秤仪表能称出下料的流量、累计量等数据；所有皮带秤的下面是一输送主皮带，把混合好的原料送到下级容器中。align=center图1配料系统现场构造图/align目前国内某些消费厂家从本钱考虑，采用单片机进展简单的称量积算和PID调节，功能简单，控制准确度低，治理功能弱，可靠性
4、不高。规模较大的公司那么通常采用基于调节器和WINDOWS平台的皮带秤配料系统，该系统正常工作时，配料仪表承受来自秤体的称重信号和测速信号，经积算后显示瞬时流量和累计量，并将瞬时流量以420毫安模拟电流的形式送往PID调节器作为调节测量输入信号，调节器将该信号与机内设定值比拟运算后输出420毫安模拟调节信号，控制给料电机转速，进而进一步控制该种物料的下料流量，最终使几种煤料的瞬时下料流量与阶段累计量都保持在用户要求的范围内。要改变流量及配比可直接在调节器上进展设定操纵，操纵简单方便。第i号给料机的控制方框图模型如图2所示。align=center图2第i号给料机的控制方框图/align适用上述
5、解决方案的工艺现场首先必须知足这样一个前提条件，那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。要使系统具有良好的调节品质，即有较高的稳定性、准确性和快速性，系统还必须具备两个条件：1系统自身的构造性质稳定，这包括它的容量系数、阻力和传递间隔等内容。2调节器有公道的PID参数。只有将这三种作用的强度作适当的配合，才可以使调节器快速、平稳、准确地运行，进而获得满足的控制效果。在这两者中，条件1是条件2的前提，由于PID参数取决于系统的动态特性，而影响系统动态特性的主要因素是系统本身的构造性质。由于以往常用配料称重系统方案设计是采用一般的PID控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过度过程时间来整定的
6、，灵敏度较高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质，从理论上讲能做到无误差调节，在误差较小的范围内确有其优越性。但是，实际中电子皮带秤自动配料系统的控制准确度会受到多个因素的影响。如：物料物理特性、机械震动、给料设备安装准确度、料仓构造外形等因素的影响；而且现场环境较为复杂、恶劣，其他外界干扰频繁。由于以上因素的存在，系统误差往往较大，其动态特性并不理想，超调量一般较大，导致控制系统无法实现理想的控制效果。此时，皮带秤的计量性能和配料准确度都会受到影响。论文涉及到的新型电子皮带秤自动配料系统，采用模糊-PID复合控制技术、将模糊控制技术结合传统的PID控制策略应用在配料系统的调节中，可有效解决
7、上述问题。三、模糊控制配料系统的根本组成和工作原理以7台皮带秤组成的配料系统为例，系统组成如图3所示。本系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、低压开关柜、变频器柜、现场操纵盘、工业控制微型计算机、及监控治理软件几局部组成。align=center图3系统组成/align系统开场工作时，工控机首先根据本次消费任务首先进展各种初始化，包括各成分的名称、仓号、产量、标准配比、标准流量等，然后按一定时序控制各给料机和皮带秤的启动，各给料机按一定流量给料，同时工控机读取皮带称重仪的重量信号和累计量数据，根据各成分的累积量值计算当前的实际配比，通过与标准配比的比拟修正各给料机的给定量，使系统工
8、作在最正确配比状态，当到达预定产量时，再按一定时序停顿各给料机。工控机主机选用研华IPC-610型14架装式工业PC机箱，配置PCA-6179L全长CPU卡PIII/370构造/支持133M外频、512M内存、80G硬盘、一个PCL-746+四端口RS232/422/485通讯接口卡、2个PCI-1720U型4通路隔离模拟量输出卡设置为420毫安模拟输出。工控机作为上位机，通过RS485双向通讯接口与皮带秤仪表联机，通过RS232双向通讯接口与动力控制柜中的PLC联机，输出模拟量控制信号控制给料机的给料流量，进而构成完好的配料系统。工控机另留有一个RS485双向通讯接口，以备与全厂的上位工控机
9、通讯。监控软件的主要功能有：根据消费配方和产量目的对称重经过进展自动控制，包括PID和模糊控制；对称重数据进展统计治理并实现打印，包括对变频器进展调节控制的运算。系统软件有多种现场监控方式和配方输入方式，以适应不同的工程要求，用户可设定报警打印时间等参数。界面采用菜单方式，使用方便，用户可通过鼠标或者键盘进展操纵，对整个配料系统进展控制和治理。四、系统控制模型分析该系统的特点是由一台上位机来控制多台给料机，为了实现一定的配比，各给料机之间的工作又是互相联络的，而且给定量要随当前的实际配比进展修改，因此其控制构造是较为复杂的。第i号给料机的控制方框图模型如图4所示。align=center图4第
10、i号给料机的控制方框图模型/align从图4中可以看出，该系统属于一个多闭环有关联控制构造。就第i号给料仓而言，有两个闭环和一个前馈，内环是一个FUZZY-PID控制器，据给定流量Fgi去控制调速给料机，使其给料流量Fi控制在理想的给定值Fgi附近。外环根据当前的累积值和希望产量之差P以及前馈环节的给料机当前流量来修正内环的给定值。控制器采用FUZZY-PID复合控制方式，当偏向较大时采用模糊控制，当偏向减小到较小范围时采用PID控制方式。这样就可以解决系统误差较大，其动态特性不理想，超调量较大的控制难题。五、FUZZY-PID复合控制器的设计如图5所示，被控量为Fi，控制量为Ui，采用FUZ
11、ZY-PID复合控制方式，当偏向较大时采用模糊控制，当偏向减小到较小范围时采用PID控制方式。二种控制采用并行的方法，由Bang-Bang开关进展切换，复合控制器构造图如图5所示。align=center图5FUZZY-PID复合控制器构造/align1Bang-Bang转换开关Bang-Bang转换开关实际上是控制器中的软件开关，由其决定采用那种控制算法。设e1表示大小偏向的分界值，其切换规律如下：当Ei=e1时，Kp=“1，Kf=“0，即采用PID控制规律；当Eie1时，Kp=“0，Kf=“1，即采用模糊控制规律。2PID控制器PID控制器采用一般的增量式数字算法，其参数按常规整定。理想的
12、模拟PID控制算式见公式其中，p：调节器输出e：调节器偏向输入信号Kp：比例系数，常用比例带表示，P1/KpTi：积分时间，Ti越大，积分作用越弱，积分时间越长Td：微分时间3模糊控制原理及模糊控制器的实现模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经历形式化，模型化，变成计算机可以承受的控制模型，让计算机代替人来进展有效的实时控制，为实现模糊控制，计算机作为模糊控制器，必须解决以下三个问题：a输入量输出量的模糊量化；b建立模糊控制规那么，或者模糊控制规那么表；c输出信息的模糊判决。如图6所示，为模糊控制的原理框图：align=center图6模糊控制的原理框图/alignS：系统的设定值，是准
13、确量。e，c:系统偏向与偏向变化率，均是准确量。E，C：经模糊量化处理后，偏向与偏向变化率变成的模糊量。U：模糊量的偏向与偏向变化率经模糊控制规那么、近似推理处理后，得到模糊量的控制作用U。u：对模糊量的控制作用U，经模糊判决，得到模糊控制器输出的准确量的控制作用u，去控制被控对象。模糊控制系统的品质在很大程度上取决于控制规那么及隶属度确实定，控制规那么是其核心，一般用IFaTHENb的表达形式，条件a可以是多个条件逻辑积。下面主要介绍所采用控制器的构造、输入/输出和模糊控制规那么。本系统将给定值Fgi和输出反应量Ffi进展比拟，得到流量偏向Ei，进而可求出Ei的变化率以Ei和作为Fuzzy控
14、制器的输入，控制器的输出是控制量Ui，即采用二维模糊控制器，如图5所示。其中，K1、K2为量化系数，K3为比例系数，E、和U分别为偏向Ei、偏向变化率和控制量Ui的Fuzzy语言变量。将输入信息Ei和量化在-6，+6之中，偏向Ei对应的模糊子集E分为八档：E=负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大，即=NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB与此对应，将偏向Ei分为14级，论域设为X，那么X=-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6这样确定论域X的元素对模糊子集E的隶属度如表1所示。align=center表1输入Ei隶属度表/align
15、同理，对于有：=NB，NM，NS，O，PS，PM，PB，将偏向变化率分为13级，论域设为Y，那么Y=-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6这样可确定论域Y的元素对的隶属度。控制量Ui的模糊子集为U，Ui分为13级，其论域为Z，那么有U=NB，NM，NS，O，PS，PM，PB，Z=-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6可确定Z对U的隶属度。根据给料机操纵经历，总结出如下控制规那么：IFE=NBANDE=PBTHENU=NBIFE=PBANDE=NBTHENU=PB全部规那么如表2所示。align=center表2控制规那么表
16、/align表中，“表示不可能出现的情况，即死区。于是，对应每条控制规那么，可得到一个三元模糊关系：对于总的控制规那么所对应的模糊关系有R，用取并的方法得到，即其中，根据输入E和，求出控制量的控制决策U如下：其中，根据上面计算得到的模糊子集U，采用取隶属函数最大值判决法，求出相应的控制量u，并结合实际情况对不公道处给予修正，即可得到模糊控制表，在每个控制周期，根据Ei和的值查模糊控制表，即可得到控制量u，再乘以系数K3，即得到系统的实际控制量u=K3u，用以控制实际的系统。量化系数K1、K2是为了将输入变量变换为模糊论域内的离散整形值，即在输入量的变化范围和模糊论域范围之间作一种影射变换取整，
17、其选择主要依靠于两个论域的变化范围.在本系统的应用中，K1取8，K2取90。比例系数K3主要由控制量的模糊论域大小和实际对象控制量的大小来决定，本系统中，其输出是通过8位D/A来控制变频器，K3取35。根据配料系统的特点和实际物料特性及实验调试，e1取0.2。e1获得越大，系统的响应时间变慢，响应波动加大，e1获得越小，系统的响应时间加快，但PID作用不明显。在系统实际调试经过中发现，采用FUZZY-PID复合控制方式比单纯采用PID控制，系统波动较小，更轻易稳定，系统调整时间也有明显改善。该电子皮带秤自动配料系统采用当前运用广泛，技术成熟先进的模糊控制理论，有效解决了以往皮带秤配料系统存在的
18、系统误差较大、动态特性不理想的问题，进步了系统的控制准确度和可靠性，有效解决了动态计量衡器的两个重要指标快速性和准确性难以统一的问题。作为衡器开展的前沿产品，它可代替企业中陈旧的配料工艺设备，很大程度地降低劳动强度，进步消费效率和产品质量，带来可观的经济效益，推动国民经济的开展。该系统也可适用于连续给料的其他装置，如：螺旋给料秤、圆盘给料秤、冲板流量计及核子皮带秤等。1王成，工业消费自动化M.北京：科学出版社，2003。2罗才生，皮带秤M.北京：中国计量出版社，1992。3申颖，合钢焦化厂电子皮带秤自动配料系统J.冶金自动化.2001，11：61-62。4申颖，PID调节器在电子皮带秤配料系统
19、中的应用J.计量技术.2001，4:52-53。5张荣善，散料输送与贮存M.北京：化学工业出版社，1994。6刘苗生，进步微机配料准确度的措施J.机械与电子，1996，1：32-35。7徐万红，金伟，李芬，皮带秤配料系统的智能综合控制J.沈阳工业大学学报，1998，20：15-17。8唐艺菁，微机配料控制系统的设计与开发D.成都四川大学，2003：20-23。9杭柏林，袁伸雪，高彦臣，配料系统给料速度的自动控制J.橡塑技术与装备，2001，272：35-36。10陶永华，新型PID控制及其应用M.北京：机械工业出版社，2002。11何平，模糊控制器的设计及应用M.北京：科学出版社，1997。12李士勇，模糊控制和智能控制理论与应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990。