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1　引　言
在塑料工業(yè)的造粒設備中,助劑配料系統(tǒng)大多采用振動給料和皮帶給料兩種形式。振動配料器在遇到粉粒較細、熔點較低的助劑料時,經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞的情況,迫使主生產(chǎn)流程中斷。皮帶秤配料系統(tǒng)雖能避免堵塞情況的發(fā)生,卻往往受皮帶張力變化等多方面因素影響,控制精度達不到理想效果。在某石化企業(yè)的技術改造項目中,我們結合皮帶秤配料系統(tǒng)本身的工作原理及相關物料特性,提出采用傳統(tǒng)的PID和模糊控制算法相結合的控制策略。經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)應用,表明該控制方案能完全滿足工藝精度需求,控制效果簡單有效。
2　系統(tǒng)介紹
該企業(yè)早期建設的造粒配料系統(tǒng)皮帶配料秤采用德國申克公司生產(chǎn)的計量秤,原內(nèi)部集成MULTICONT控制系統(tǒng)。因為開放性差,在系統(tǒng)異常時維護困難,決定進行技術改造,以性能可靠的PLC控制系統(tǒng)取而代之。
系統(tǒng)運行時,由給料裝置使物料隨皮帶傳動下料,卸料口的擋板設計,保證了落到單位長度皮帶上的物料厚度不變。料倉下方的稱重傳感器實時地將稱重信號傳送到控制器SIMATICS72300PLC。通過計算前后兩次采樣的稱重值差,控制器實現(xiàn)對流量的計算v=Δm/t(kg/h)。獲得的實時流量與給定值比較后,控制器調(diào)節(jié)輸出到控制電機轉速的變頻器電流i,從而使下料速度穩(wěn)定在設定值上。
3　系統(tǒng)控制實現(xiàn)
常規(guī)PID控制器是一種應用最為廣泛的控制方式,它的最大優(yōu)點在于算法簡單、可靠性高,缺點是難以控制非線性、時變和機理復雜的過程;而單純模糊控制器盡管能對難以建模的復雜過程進行有效控制,但卻不能消除配料控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,容易在平衡點附近產(chǎn)生小幅振蕩,影響了過程控制的效果[1]。針對本系統(tǒng),被控量i(4～20mA),控制量Δv=v-vs(vs為設定負荷),采用Fuzzy2PID復合控制策略:當偏差較大時采用Fuzzy控制,當偏差減小到較小范圍時采用PID控制方式。兩種控制模式并行能使得系統(tǒng)響應時間縮短,同時明顯地消除穩(wěn)態(tài)誤差。
3.1　控制模式選擇切換

系統(tǒng)運行過程中控制模式的在線切換,是利用PLC程序中的軟件開關實現(xiàn)。工藝要求助劑下料控制精度達4%,結合各助劑常規(guī)負荷,令7%vs為大小偏差分界值,設定規(guī)律如下:當|Δv|=|v-vs|≤7%vs時,采用PID控制策略;當|Δv|=|v-vs|≥7%vs時,采用Fuzzy控制策略。為避免在控制策略切換時出現(xiàn)值跳變擾動,當Fuzzy控制策略向PID控制策略切換時,調(diào)節(jié)器的輸出將保持Fuzzy控制策略下的輸出值if,直到PID控制器輸出|ip|≤|if|;PID控制策略向Fuzzy控制策略切換時,調(diào)節(jié)器的輸出將保持PID控制策略下的輸出值ip,直到Fuzzy控制器輸出|if|≥|ip|。
3.2　PID控制器(CONT_C)設計
STEP7軟件中相關PID功能塊有3種:連續(xù)控制器(CONT_C)、開關控制器(CONT_S)和脈沖寬度調(diào)制器(PULSEGEN)。本系統(tǒng)輸入的稱重信號和輸出的電流信號均為I/O模擬量,選擇連續(xù)控制器(CONT_C)進行調(diào)節(jié)符合本設計的實際應用。連續(xù)控制器內(nèi)部PID作為一種位置算法進行控制,比例、積分及微分運算并行連接。PID調(diào)節(jié)控制在定時中斷OB35功能塊中完成,為避免系統(tǒng)紊亂,確保中斷間隔值比OB35中程序運行時間長。PID控制參數(shù)(比例系數(shù)kP、積分時間tI和微分時間tD)的整定在現(xiàn)場的反復試驗中完成:初期先關閉積分項和微分項,比例度按經(jīng)驗數(shù)據(jù)給定,根據(jù)過程值PV的趨勢曲線整定比例系數(shù)使PV達4∶1的衰減振蕩;將比例度加至原來1.2倍后,將積分時間tI由大到小調(diào)節(jié)整定至PV曲線再次得到4∶1衰減振蕩;將比例系數(shù)kP調(diào)回原值后,微分時間tD以(1～1)tI給定后從小到大調(diào)節(jié),直至PV曲線再43次成形。
3.3　Fuzzy控制器設計
采用Mamdani推理法把對應于當前輸入值的所有有效規(guī)則推理得出的控制量的模糊子集相“并”,再根據(jù)重心法公式if=ρ[xiμN(xi)]當|Δv|=|v-vs|≥7%vs時,系統(tǒng)構建Fuzzy二維控制模型。精確量下料速度誤差Δv、誤差變化率c=dΔv分別在區(qū)間[-6,6]及[-6,6]中進行數(shù)dt值量化處理,得到模糊量E和C。控制器輸出語言變量為模糊電流量I。對應模糊子集分為七檔:E=C=I={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},其論域均為:E=C={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},I={-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。決定Fuzzy控制器品質(zhì)的模糊規(guī)則,是根據(jù)控制原理及現(xiàn)場實際經(jīng)驗總結得出的。在軟件實現(xiàn)中用“IF……THEN……”的結構表達,條件選擇中可以ρμN(xi)對輸出控制量進行模糊判決,可以求得I[2～4]。在PLC程序中,以模糊控制量查詢表的方式實現(xiàn)PLC對于變頻器的智能模糊控制。
4　總結
結合工程實際的改造后,該方案下運行的PLC控制機構已成功取代原設備。全系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行,其控制精度、性能指標完全滿足生產(chǎn)需要。
本設計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,為控制螺旋配料秤、圓盤配料秤等其他配料裝置探索了一種可行的方案。

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