【摘 要】 論文指出了目前電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)中存在的影響配料精度的有關(guān)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀的分析，提出了將模糊控制理論應(yīng)用于配料系統(tǒng)的方法和具體實(shí)現(xiàn)，有效地解決了皮帶秤這一動(dòng)態(tài)計(jì)量衡器的控制準(zhǔn)確度問(wèn)題。進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的計(jì)量準(zhǔn)確度和配料速度。很大程度地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 【關(guān)鍵詞】 配料 電子皮帶秤 模糊PID控制 控制準(zhǔn)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(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行業(yè)中，常需要對(duì)散料進(jìn)行皮帶輸送過(guò)程中的動(dòng)態(tài)連續(xù)稱量，而且還要對(duì)輸送中的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制、達(dá)到準(zhǔn)確的配比。 電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)可以按照設(shè)定配比和流量控制各輸入物料的瞬時(shí)流量，從而達(dá)到控制各種產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量的目的，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和智能化、企業(yè)的科學(xué)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(jī)配料控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。 本論文涉及到的有效解決動(dòng)態(tài)計(jì)量衡器的控制準(zhǔn)確度問(wèn)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(shè)備，很大程度地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 二、目前國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 企業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)給料倉(cāng)，每個(gè)料倉(cāng)下有一給料機(jī)，由一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就決定了給料機(jī)的流量，電機(jī)可采用多種調(diào)速方式；每個(gè)料倉(cāng)下面有一皮帶秤，通過(guò)皮帶秤儀表能稱出下料的流量、累計(jì)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(jí)容器中。 [align=center] 圖1 配料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 目前國(guó)內(nèi)某些生產(chǎn)廠家從成本考慮，采用單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的稱量積算和PID調(diào)節(jié)，功能簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)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(tái)的皮帶秤配料系統(tǒng)，該系統(tǒng)正常工作時(shí)，配料儀表接受來(lái)自秤體的稱重信號(hào)和測(cè)速信號(hào)，經(jīng)積算后顯示瞬時(shí)流量和累計(jì)量，并將瞬時(shí)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(cè)量輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)器將該信號(hào)與機(jī)內(nèi)設(shè)定值比較運(yùn)算后輸出4～20毫安模擬調(diào)節(jié)信號(hào)，控制給料電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)一步控制該種物料的下料流量，最終使幾種煤料的瞬時(shí)下料流量與階段累計(jì)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(jìn)行設(shè)定操作，操作簡(jiǎn)單方便。第i號(hào)給料機(jī)的控制方框圖模型如圖2所示。 [align=center] 圖2 第i號(hào)給料機(jī)的控制方框圖[/align] 適用上述解決方案的工藝現(xiàn)場(chǎng)首先必須滿足這樣一個(gè)前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機(jī)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(zhǔn)確性和快速性，系統(tǒng)還必須具備兩個(gè)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(qiáng)度作適當(dāng)?shù)呐浜?，才可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地運(yùn)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?yàn)镻ID參數(shù)取決于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要因素是系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。 因?yàn)橐酝Ｓ门淞戏Q重系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是采用一般的PID控制算法，其參數(shù)一般是按階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間來(lái)整定的，靈敏度較高，對(duì)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(wú)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(shí)際中電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度會(huì)受到多個(gè)因素的影響。如：物料物理特性、機(jī)械震動(dòng)、給料設(shè)備安裝準(zhǔn)確度、料倉(cāng)結(jié)構(gòu)形狀等因素的影響；而且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)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(dòng)態(tài)特性并不理想，超調(diào)量一般較大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。此時(shí)，皮帶秤的計(jì)量性能和配料準(zhǔn)確度都會(huì)受到影響。論文涉及到的新型電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)，采用模糊-PID復(fù)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(yīng)用在配料系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中，可有效解決上述問(wèn)題。 三、模糊控制配料系統(tǒng)的基本組成和工作原理 以7臺(tái)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(dòng)力控制柜、低壓開(kāi)關(guān)柜、變頻器柜、現(xiàn)場(chǎng)操作盤、工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)、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(kāi)始工作時(shí)，工控機(jī)首先根據(jù)本次生產(chǎn)任務(wù)首先進(jìn)行各種初始化，包括各成分的名稱、倉(cāng)號(hào)、產(chǎn)量、標(biāo)準(zhǔn)配比、標(biāo)準(zhǔn)流量等，然后按一定時(shí)序控制各給料機(jī)和皮帶秤的啟動(dòng)，各給料機(jī)按一定流量給料，同時(shí)工控機(jī)讀取皮帶稱重儀的重量信號(hào)和累計(jì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)各成分的累積量值計(jì)算當(dāng)前的實(shí)際配比，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)配比的比較修正各給料機(jī)的給定量，使系統(tǒng)工作在最佳配比狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定產(chǎn)量時(shí)，再按一定時(shí)序停止各給料機(jī)。 工控機(jī)主機(jī)選用研華IPC-610型14架裝式工業(yè)PC機(jī)箱，配置PCA-6179L全長(zhǎng)CPU卡（PIII/370結(jié)構(gòu)/支持133M外頻）、512M內(nèi)存、80G硬盤、一個(gè)PCL-746+四端口RS232/422/485通訊接口卡、2個(gè)PCI-1720U型4通路隔離模擬量輸出卡（設(shè)置為4～20毫安模擬輸出）。工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)RS485雙向通訊接口與皮帶秤儀表聯(lián)機(jī)，通過(guò)RS232雙向通訊接口與動(dòng)力控制柜中的PLC聯(lián)機(jī)，輸出模擬量控制信號(hào)控制給料機(jī)的給料流量，從而構(gòu)成完整的配料系統(tǒng)。工控機(jī)另留有一個(gè)RS485雙向通訊接口，以備與全廠的上位工控機(jī)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(biāo)對(duì)稱重過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，包括PID和模糊控制；對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理并實(shí)現(xiàn)打印，包括對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的運(yùn)算。系統(tǒng)軟件有多種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方式和配方輸入方式，以適應(yīng)不同的工程要求，用戶可設(shè)定報(bào)警打印時(shí)間等參數(shù)。界面采用菜單方式，使用方便，用戶可通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行操作，對(duì)整個(gè)配料系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。 四、系統(tǒng)控制模型分析 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是由一臺(tái)上位機(jī)來(lái)控制多臺(tái)給料機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)一定的配比，各給料機(jī)之間的工作又是相互聯(lián)系的，而且給定量要隨當(dāng)前的實(shí)際配比進(jìn)行修改，因此其控制結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的。第i號(hào)給料機(jī)的控制方框圖模型如圖4所示。 [align=center] 圖4 第i號(hào)給料機(jī)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(gè)多閉環(huán)有關(guān)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。就第i號(hào)給料倉(cāng)而言，有兩個(gè)閉環(huán)和一個(gè)前饋，內(nèi)環(huán)是一個(gè)FUZZY-PID控制器，據(jù)給定流量Fgi去控制調(diào)速給料機(jī)，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(dāng)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(jī)當(dāng)前流量來(lái)修正內(nèi)環(huán)的給定值。 控制器采用FUZZY-PID復(fù)合控制方式，當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，當(dāng)偏差減小到較小范圍時(shí)采用PID控制方式。這樣就可以解決系統(tǒng)誤差較大，其動(dòng)態(tài)特性不理想，超調(diào)量較大的控制難題。 五、FUZZY-PID復(fù)合控制器的設(shè)計(jì) 如圖5所示，被控量為Fi，控制量為Ui，采用FUZZY-PID復(fù)合控制方式，當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，當(dāng)偏差減小到較小范圍時(shí)采用PID控制方式。二種控制采用并行的方法，由Bang-Bang開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 FUZZY-PID復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)[/align] 1）Bang-Bang轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) Bang-Bang轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)際上是控制器中的軟件開(kāi)關(guān)，由其決定采用那種控制算法。設(shè)e1表示大小偏差的分界值，其切換規(guī)律如下： 當(dāng)｜Ei｜〈= e1時(shí)，Kp=“1”，Kf=“0”，即采用PID控制規(guī)律； 當(dāng)｜Ei｜ 〉e1時(shí)，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(jiàn)公式 其中， p： 調(diào)節(jié)器輸出 e： 調(diào)節(jié)器偏差輸入信號(hào) Kp：比例系數(shù)，常用比例帶Ｐ表示，P＝1/Kp Ti： 積分時(shí)間，Ti越大，積分作用越弱，積分時(shí)間越長(zhǎng) Td： 微分時(shí)間 3）模糊控制原理及模糊控制器的實(shí)現(xiàn) 模糊控制通過(guò)模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)驗(yàn)形式化，模型化，變成計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型，讓計(jì)算機(jī)代替人來(lái)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制，為實(shí)現(xiàn)模糊控制，計(jì)算機(jī)作為模糊控制器，必須解決以下三個(gè)問(wèn)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(shè)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(duì)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(duì)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(dá)形式，條件a可以是多個(gè)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(jìn)行比較，得到流量偏差Ei，進(jìn)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(yǔ)言變量。 將輸入信息Ei和量化在[-6，+6]之中，偏差Ei對(duì)應(yīng)的模糊子集E分為八檔：E=｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大｝，即=｛NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB｝ 與此對(duì)應(yīng)，將偏差Ei分為14級(jí)，論域設(shè)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(duì)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(duì)于有：=｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，將偏差變化率分為13級(jí)，論域設(shè)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(duì)的隸屬度。 控制量Ui的模糊子集為U，Ui分為13級(jí)，其論域?yàn)閆，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(duì)U的隸屬度。 根據(jù)給料機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)，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(duì)應(yīng)每條控制規(guī)則，可得到一個(gè)三元模糊關(guān)系： 則有 對(duì)于總的控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)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(jì)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(yīng)的控制量u’，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)不合理處給予修正，即可得到模糊控制表，在每個(gè)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(shí)際控制量u=K3×u’，用以控制實(shí)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(gè)論域的變化范圍.在本系統(tǒng)的應(yīng)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(shí)際對(duì)象控制量的大小來(lái)決定，本系統(tǒng)中，其輸出是通過(guò)8位D/A來(lái)控制變頻器，K3取35。 根據(jù)配料系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際物料特性及實(shí)驗(yàn)調(diào)試，e1取0.2。e1取得越大，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變慢，響應(yīng)波動(dòng)加大，e1取得越小，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間加快，但PID作用不明顯。 在系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用FUZZY-PID復(fù)合控制方式比單純采用PID控制，系統(tǒng)波動(dòng)較小，更容易穩(wěn)定，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間也有明顯改善。 六、結(jié)論 該電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)采用當(dāng)前運(yùn)用廣泛，技術(shù)成熟先進(jìn)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(dòng)態(tài)特性不理想的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度和可靠性，有效解決了動(dòng)態(tài)計(jì)量衡器的兩個(gè)重要指標(biāo)—快速性和準(zhǔn)確性難以統(tǒng)一的問(wèn)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(shè)備，很大程度地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jì)及核子皮帶秤等。 參考文獻(xiàn) 〔1〕王 成，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003。 〔2〕羅才生，皮帶秤[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1992。 〔3〕申 穎，合鋼焦化廠電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)[J]. 冶金自動(dòng)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(yīng)用[J]. 計(jì)量技術(shù).2001，4:52-53。 〔5〕張榮善，散料輸送與貯存[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994。 〔6〕劉苗生，提高微機(jī)配料準(zhǔn)確度的措施[J]. 機(jī)械與電子，1996，1：32-35。 〔7〕徐萬(wàn)紅，金偉，李芬，皮帶秤配料系統(tǒng)的智能綜合控制[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，20：15-17。 〔8〕唐藝菁，微機(jī)配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D]. 成都 四川大學(xué)，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(dòng)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(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002。 〔11〕何 平，模糊控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1997。 〔12〕李士勇，模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990。