【摘 要】 論文指出了目前電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)中存在的影響配料精度的有關問題，通過對現(xiàn)狀的分析，提出了將模糊控制理論應用于配料系統(tǒng)的方法和具體實現(xiàn)，有效地解決了皮帶秤這一動態(tài)計量衡器的控制準確度問題。進一步提高了系統(tǒng)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(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個領域。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行業(yè)中，常需要對散料進行皮帶輸送過程中的動態(tài)連續(xù)稱量，而且還要對輸送中的流量進行調(diào)節(jié)、控制、達到準確的配比。 電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)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(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量的目的，是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和智能化、企業(yè)的科學管理、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段。微機配料控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應用不僅可以提高配料質(zhì)量和產(chǎn)量，也大大減輕了崗位工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。 本論文涉及到的有效解決動態(tài)計量衡器的控制準確度問題。作為衡器發(fā)展的前沿產(chǎn)品，它可代替企業(yè)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(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，帶來可觀的經(jīng)濟效益，推動國民經(jīng)濟的發(fā)展。 二、目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀及存在的問題 企業(yè)內(nèi)常見的皮帶秤自動配料系統(tǒng)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，該結(jié)構(gòu)形式是一種最基本、使用最廣泛的皮帶配料系統(tǒng)。本系統(tǒng)以7種原料混合的為例。系統(tǒng)共有7個給料倉，每個料倉下有一給料機，由一臺驅(qū)動電機帶動，電機的轉(zhuǎn)速就決定了給料機的流量，電機可采用多種調(diào)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(shù)據(jù)；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(tǒng)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)圖[/align] 目前國內(nèi)某些生產(chǎn)廠家從成本考慮，采用單片機進行簡單的稱量積算和PID調(diào)節(jié)，功能簡單，控制準確度低，管理功能弱，可靠性不高。規(guī)模較大的公司則通常采用基于調(diào)節(jié)器和WINDOWS平臺的皮帶秤配料系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(jīng)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(diào)節(jié)器作為調(diào)節(jié)測量輸入信號，調(diào)節(jié)器將該信號與機內(nèi)設定值比較運算后輸出4～20毫安模擬調(diào)節(jié)信號，控制給料電機轉(zhuǎn)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(nèi)。要改變流量及配比可直接在調(diào)節(jié)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(xiàn)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(zhuǎn)速成正比。要使系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，即有較高的穩(wěn)定性、準確性和快速性，系統(tǒng)還必須具備兩個條件： 1）系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定，這包括它的容量系數(shù)、阻力和傳遞距離等內(nèi)容。 2）調(diào)節(jié)器有合理的PID參數(shù)。只有將這三種作用的強度作適當?shù)呐浜?，才可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、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(shù)取決于系統(tǒng)的動態(tài)特性，而影響系統(tǒng)動態(tài)特性的主要因素是系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。 因為以往常用配料稱重系統(tǒng)方案設計是采用一般的PID控制算法，其參數(shù)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(shù)的系統(tǒng)有著較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，從理論上講能做到無誤差調(diào)節(jié)，在誤差較小的范圍內(nèi)確有其優(yōu)越性。但是，實際中電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)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(jié)構(gòu)形狀等因素的影響；而且現(xiàn)場環(huán)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(tǒng)誤差往往較大，其動態(tài)特性并不理想，超調(diào)量一般較大，導致控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)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(tǒng)，采用模糊-PID復合控制技術(shù)、將模糊控制技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制策略應用在配料系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中，可有效解決上述問題。 三、模糊控制配料系統(tǒng)的基本組成和工作原理 以7臺皮帶秤組成的配料系統(tǒng)為例，系統(tǒng)組成如圖3所示。本系統(tǒng)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(xiàn)場操作盤、工業(yè)控制微型計算機、及監(jiān)控管理軟件幾部分組成。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)組成[/align] 系統(tǒng)開始工作時，工控機首先根據(jù)本次生產(chǎn)任務首先進行各種初始化，包括各成分的名稱、倉號、產(chǎn)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(shù)據(jù)，根據(jù)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(tǒng)工作在最佳配比狀態(tài)，當達到預定產(chǎn)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(yè)PC機箱，配置PCA-6179L全長CPU卡（PIII/370結(jié)構(gòu)/支持133M外頻）、512M內(nèi)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(lián)機，通過RS232雙向通訊接口與動力控制柜中的PLC聯(lián)機，輸出模擬量控制信號控制給料機的給料流量，從而構(gòu)成完整的配料系統(tǒng)。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(jiān)控軟件的主要功能有：根據(jù)生產(chǎn)配方和產(chǎn)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(shù)據(jù)進行統(tǒng)計管理并實現(xiàn)打印，包括對變頻器進行調(diào)節(jié)控制的運算。系統(tǒng)軟件有多種現(xiàn)場監(jiān)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(shù)。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(tǒng)進行控制和管理。 四、系統(tǒng)控制模型分析 該系統(tǒng)的特點是由一臺上位機來控制多臺給料機，為了實現(xiàn)一定的配比，各給料機之間的工作又是相互聯(lián)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(jié)構(gòu)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(tǒng)屬于一個多閉環(huán)有關聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。就第i號給料倉而言，有兩個閉環(huán)和一個前饋，內(nèi)環(huán)是一個FUZZY-PID控制器，據(jù)給定流量Fgi去控制調(diào)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(huán)根據(jù)當前的累積值和希望產(chǎn)量之差ΔP以及前饋環(huán)節(jié)的給料機當前流量來修正內(nèi)環(huán)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(tǒng)誤差較大，其動態(tài)特性不理想，超調(diào)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(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 FUZZY-PID復合控制器結(jié)構(gòu)[/align] 1）Bang-Bang轉(zhuǎn)換開關 Bang-Bang轉(zhuǎn)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(guī)律如下： 當｜Ei｜〈= e1時，Kp=“1”，Kf=“0”，即采用PID控制規(guī)律； 當｜Ei｜ 〉e1時，Kp=“0”，Kf=“1”，即采用模糊控制規(guī)律。 2）PID控制器 PID控制器采用一般的增量式數(shù)字算法，其參數(shù)按常規(guī)整定。 理想的模擬PID控制算式見公式 其中， p： 調(diào)節(jié)器輸出 e： 調(diào)節(jié)器偏差輸入信號 Kp：比例系數(shù)，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(xiàn) 模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)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(xiàn)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(guī)則，或模糊控制規(guī)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(tǒng)的設定值，是精確量。 e，c: 系統(tǒng)偏差與偏差變化率，均是精確量。 E，C：經(jīng)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(jīng)模糊控制規(guī)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(jīng)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(tǒng)的品質(zhì)在很大程度上取決于控制規(guī)則及隸屬度的確定，控制規(guī)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(jié)構(gòu)、輸入/輸出和模糊控制規(guī)則。 本系統(tǒng)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(shù)，K3為比例系數(shù)，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(jù)給料機操作經(jīng)驗，總結(jié)出如下控制規(guī)則： IF E=NB AND ΔE=PB THEN U=NB … IF E=PB AND ΔE=NB THEN U=PB 全部規(guī)則如表2所示。 [align=center]表2 控制規(guī)則表 [/align] 表中，“×”表示不可能出現(xiàn)的情況，即死區(qū)。 于是，對應每條控制規(guī)則，可得到一個三元模糊關系： 則有 對于總的控制規(guī)則所對應的模糊關系有R，用取并的方法得到，即 其中， 根據(jù)輸入E和，求出控制量的控制決策U如下： 其中， 根據(jù)上面計算得到的模糊子集U，采用取隸屬函數(shù)最大值判決法，求出相應的控制量u’，并結(jié)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(jù)Ei和的值查模糊控制表，即可得到控制量u’，再乘以系數(shù)K3，即得到系統(tǒng)的實際控制量u=K3×u’，用以控制實際的系統(tǒng)。 量化系數(shù)K1、K2是為了將輸入變量變換為模糊論域內(nèi)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(tǒng)的應用中，K1取8，K2取90。比例系數(shù)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(tǒng)中，其輸出是通過8位D/A來控制變頻器，K3取35。 根據(jù)配料系統(tǒng)的特點和實際物料特性及實驗調(diào)試，e1取0.2。e1取得越大，系統(tǒng)的響應時間變慢，響應波動加大，e1取得越小，系統(tǒng)的響應時間加快，但PID作用不明顯。 在系統(tǒng)實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，采用FUZZY-PID復合控制方式比單純采用PID控制，系統(tǒng)波動較小，更容易穩(wěn)定，系統(tǒng)調(diào)整時間也有明顯改善。 六、結(jié)論 該電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)采用當前運用廣泛，技術(shù)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(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差較大、動態(tài)特性不理想的問題，提高了系統(tǒng)的控制準確度和可靠性，有效解決了動態(tài)計量衡器的兩個重要指標—快速性和準確性難以統(tǒng)一的問題。作為衡器發(fā)展的前沿產(chǎn)品，它可代替企業(yè)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(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，帶來可觀的經(jīng)濟效益，推動國民經(jīng)濟的發(fā)展。該系統(tǒng)也可適用于連續(xù)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(yè)生產(chǎn)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(tǒng)[J]. 冶金自動化.2001，11：61-62。 〔4〕申 穎，PID調(diào)節(jié)器在電子皮帶秤配料系統(tǒng)中的應用[J]. 計量技術(shù).2001，4:52-53。 〔5〕張榮善，散料輸送與貯存[M]. 北京：化學工業(yè)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。 〔7〕徐萬紅，金偉，李芬，皮帶秤配料系統(tǒng)的智能綜合控制[J]. 沈陽工業(yè)大學學報，1998，20：15-17。 〔8〕唐藝菁，微機配料控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D]. 成都 四川大學，2003：20-23。 〔9〕杭柏林，袁伸雪，高彥臣，配料系統(tǒng)給料速度的自動控制[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2001，27（2）：35-36。 〔10〕陶永華，新型PID控制及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002。 〔11〕何 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