电子皮带秤配料系统的模糊PID控制

摘要随着科学技术的不断发展，电子皮带秤配料系统已在煤炭、化工、烟草、冶金、建材等行业中广泛应用。

目前大多数皮带秤配料系统仍然是采用传统的PID 控制算法，灵敏度较高，可以说在理论上调节是能做到无误差的，或者说在误差较小的范围内的确很有优势，但是出现较大误差时，其动态特性并不是很理想，超调量一般较大。

所以，本课题设计了一套更为合理高效的电子皮带秤配料系统，本设计主要针对皮带秤配料系统中配料这一环节，采用模糊PID和传统PID控制相结合的方法。

同时用PLC控制和组态软件对皮带秤配料系统中配料这一环节实现自动控制，可以调节误差较大时，超调量也较大的问题。

本课题主要内容包括皮带秤的原理与组成，系统的总体设计，模糊控制算法结合本系统的分析以及采用MATILAB进行模糊PID控制仿真。

首先，在论文中阐述了现有皮带秤的现状及实际工艺中遇到的难点问题，给出自己的设计方案。

在保证系统称量精度及控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。

从而提高系统的统总体设计方案和基本组成；配料皮带秤的工作原理及总体控制方案；称重传感器和测速传感器的选择；电机调速方式的选择等；然后，在第三章中阐述模糊PID的设计。

通过系统分析结合配料系统的现场实际工作情况，由模糊控制技术的理论，给出模糊控制结构框图。

根据模糊控制器的设计步骤，设计出与传统PID相结合的模糊PID控制器。

解决了皮带秤配料系统的控制及误差调节问题，从而提高配料系统的配料速度及精度。

论文中用两章的篇幅分别介绍了PLC控制和MATLAB仿真，第四章讲述系统电气部分的组成以及PLC控制使输煤现场的配料系统按要求自动完成下料、称重、配比全过程。

第五章应用MATLAB仿真软件中的Simulink图形化工具平台对配料秤仪表采用的模糊PID控制进行了仿真。

从仿真波形图上可以看出，引入模糊控制后，在系统受到干扰出现偏差时调节效果很好。

通过该系统的研究，有效地解决了电子皮带秤的控制精度及配料速度问题。

大大提高了系统的计量精度和配料速度。

在很大程度上降低了工人劳动强度，最终提高了生产率和产品质量。

关键词：配料；模糊PID；精度；速度；配料速度；Matlab1、绪论1.1课题背景及其意义电子皮带秤是工业生产过程中对皮带传送的散装固体物料进行连续称量的计量设备，在科学技术日益发展的今天也随之日益改进，不仅要求称量准确，在冶金、煤炭、化工、烟草、水泥等行业中还要求称量过程能大幅度提高生产效率。

原料在输送中进行动态连续称量的同时还要在输送中对流量进行调节、控制，以达到准确的配比。

本设计主要针对的是皮带秤配料系统中配料这一环节，因为配料的质量如果达不到要求，一是会浪费原材料，二是影响生产的顺利进行，重则影响和生产效率，在某些重要生产岗位上，配料失误甚至会酿成事故。

可见配料精度与配料速度影响着整个生产的质量和产量，所以要对配料过程的质量和有足够的重视。

皮带秤有如下几个特点：(l)皮带秤的计量对象是连续流动的物料可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间内的累计流量。

(2)皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。

当物料多少不等、皮带轻重不均匀和上下跳动以及皮带速度发生变化时，皮带秤应有较好的适应能力。

(3)由于传送皮带速度大多在1～2m/s左右，故皮带秤必须具有较高的响应速度。

现实中，许多皮带秤的控制精度并不很理想，易发生故障，在复杂的生产工艺中不能适应一些恶虐的环境。

所以仅仅是传统的PID控制是不能实现良好的调节效果的。

鉴于此状况，需要设计技术更为先进，更合理有效的设计方案。

本课题设计的电子皮带秤自动配料系统能有效解决动态计量衡器的控制精度问题。

可以完全替代原有的陈旧设备，应用模糊控制使得系统具有优良的性能，就配料系统而言，配料坏节采用模糊控制后，可以提高配料速度及质量，也降低了工人的劳动强度。

从更深的角度去说，是为企业创收，为国家经济发展做出贡献。

1.2系统工作现状及工艺难点问题1.2.1皮带秤配料系统的现场结构组成如图1.1所示是配料系统的结构组成图，本结构图中有4个称重单元，每个单元有料仓、给料电机、皮带秤组成。

这是一种使用最为广泛的皮带秤配料系统，也是最简单最基本的结构形式。

煤炭、化工、水泥等行业中的配料系统是要把多种原料按照一定的配比混合到一起。

本设计研究的是4种原料的混合。

系统共设有4个给料仓，每个给料仓通过各自的给料电机来控制给料速度，进而调节给料量。

电机的调速方式有多种，在第二章中分析了电机的调速方式。

物料到达皮带秤后，由皮带秤测量原料的瞬时流量以及累计流量等数据送入控制器去控制执行器。

每个料仓的下料最后到达主皮带，混合后再送入下一级。

1.2.2一般的控制方案目前各行业中使用的电子皮带秤的生产厂家也比较多，一些厂家采用的是用基于单片机的PID调节，这样的配料系统控制精度不高，可靠性也不高。

而一些大型厂家的皮带秤配料系统则是基于PID调节器和WINDOWS平台的。

系统中的传感器将测量到的信号送到称重仪表，皮带秤仪表将接收到的重量信号和速度信号经积算后以4～20mA模拟电流的形式送至PID调节器，PID调节器根据测量的瞬时流量值与设定流量值的偏差，进行比较运算后通过变频器去调整电机的转速，以达到稳定瞬时流量的目的。

如果需要改变流量或者配比时就可以直接在调节器上操作，操作起来简单方便快捷。

具体控制过程如下图。

第i号给料机的控制方框图模型如图1.2所示。

1.2.3现有配料系统的难点问题对于现有皮带秤要想使系统稳定，受到干扰时有好的调节品质，而且要求稳、准、快。

那么就需要满足以下几个条件：第一，物料出量要与给料机的控制电机转速成正比。

第二，皮带秤系统结构要稳定，由实践总结出一些共同的结构性质，对调节对象的动态特性有影响的性质有：容量系数、阻力、传递距离。

容量系数大，对象抵抗扰动的能力强，被调量在受扰动后变化慢，呈现较大惯性。

反之，容量系数小，被调量变化快，惯性小；调节对象的阻力或大或小，例如，物料在下料时会遇到仓壁或阀门等给它的阻力，所以阻力也是调节对象的一种结构性质；物料在运送过程中有一定的传送距离，从而有一定的传递时间，这也是控制的难点。

第三，PID的三个参数的设置要合理。

只有这些条件都满足，而且他们之间相互配合，才可以获得令人满意的控制效果，调节器才可以稳定快速的运行。

当然在这些条件中系统自身结构的稳定是最基本的，只有在这个前提下，才能去设置合理的PID控制参数，传统的PID控制对参数固定的系统有好的调节品质，因为它的参数整定是按照阶跃响应的过渡过程去整定的。

所以理想中可以做到无误差。

但是，实际生产中不可能做到像上述描述中的那么理想，实际电子皮带秤自动配料系统的控制精度会受到如下多个因素的影响。

首先是物料物理特性的影响，物料的粒度、湿度、温度会因为外界因素的变化而变化，这样给料设备无法正常工作供料。

比如物料在气温低或者湿度大时会出现结块的情况，从而影响给料设备的给料，应该采取一些保护措施。

保证物料不结块、结球，粒度保持一致，水分适中，流动性好。

这样才能达到控制准确度指标。

湿度的影响一般在皮带受潮最初的巧分钟之内能及时的调整零点，可以消除，当湿度变化剧烈时，此影响要引起重视。

第二是设备机械震动和设备安装的影响，皮带传输物料时机械振动会造成瞬时流量不稳定，要尽量避免机械振动对系统控制精度的影响。

安装时要尽量避免周围输送设备的振动。

给料设备的安装要严格按照要求，否则会把设备安装精度的误差转化为给料量的误差，使系统控制精度降低。

另外还有料仓形状的影响，料仓的形状有多种，要选择适合物料下放的形状及内壁材料，防止“悬料”现象的发生。

综合以上的影响，物料瞬时流量的测量误差会较大，再加上系统工作时工艺现场受其它外界的干扰，比如仪表附近的大功率变频器、电磁波的干扰、电机的频繁启停等现场情况，都使系统计量准确度和配料精度降低。

通常只是工作人员根据多年的工作经验人工给出粗略的PID参数。

使系统在一个较宽范围内控制。

还需解决的问题有:电机调速方式的选择;传感器的选择;系统抗干扰能力的提高;管理软件的设计;系统调试等问题。

1.3本设计解决的问题及主要内容本设计要解决的问题是物料在皮带传送过程中的控制精度问题，基于考虑上节提到的配料系统现存的难点及影响系统控制的诸多因素，本设一计主要在配料环节中采用模糊PID控制，即综合模糊控制技术和传统PID控制。

本设计的主要内容是结合皮带秤的现状及实际工艺中遇到的难点问题给出自己的设计方案。

在保证系统称量精度及控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。

从而提高系统的总体设计方案。

通过系统分析结合配料系统的现场实际工作情况，由模糊控制技术的理论，给出模糊控制结构框图。

根据模糊控制器的设计步骤，设计出与传统PID相结合的模糊PID控制器。

解决了皮带秤配料系统的控制及误差调节问题，从而提高配料系统的配料速度及精度。

最后通过仿真看出，引入模糊控制后，在系统受到干扰出现偏差时调节效果很好。

解决了原配料系统有较大的误差，动态特性不理想，超调量较大时的控制精度及配料速度问题，大大提高了系统的计量精度和配料速度。

为了保证整个控制系统的可靠性，选用研华工控机作为上位机，内装四端口串行扩展卡。

工控机与4台称重配料仪表采用RS232通讯协议。

上位机软件在Windows环境下，采用汇编语言编写，实现全汉化用户界面。

程序由生产监控、系统设置、物料设置、客户管理、任务管理和配方管理及各种统计报表等模块组成，具有界面友好、操作简便、功能强大等特点。

使整个系统实现了白动化，节省了劳动力，提高了生产效率。

本论文第二章阐述了皮带秤配料系统的总体结构设计:第三章是具体分析模糊PID控制器的设计过程;第四章是控制系统电气部分的具体实现;第五章用MATLAB软件对模糊PID控制进行仿真。

2、皮带秤配料系统工作原理及总体设计方案皮带秤配料系统中配料皮带秤作为在线测量的动态称量衡器，有着重要的作用，目前已广泛用于冶金、煤炭、烟草、化工、建材等行业中，是集输送、称量、配料于一体的设备。

皮带秤仪表除了显示瞬时流量和累积流量外，还能根据由接线盒传过来的数据与给定值的偏差来控制给料机的给料，从而保证瞬时流量的恒定。

这样就构成了一个闭环控制系统。

2.1皮带秤配料系统组成及工作原理2.1.1皮带秤配料系统组成配料皮带秤系统结构如图2.1所示，由三大部分组成，分别是料斗、给料设备和皮带秤。

图2.1中：A-称重传感器；B-测速传感器；C-称重托辊；D-接线盒；E-称重仪表。

简要介绍一下各部分的功能：1、料斗料斗主要将物料通过给料设备送至配料皮带秤。

料斗一般用普通薄钢板或镀锌薄板冲压或焊接而成。

输送磨损性强的物料时料斗的边缘常用折边，卷入钢丝和附加衬板加强，以防止快速磨损。

为了防止料斗内聚集和沉附物料，前后壁多做成圆弧连接，略带斜角。