CN103129942A

CN103129942A - 一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统

Info

Publication number: CN103129942A
Application number: CN2011103862251A
Authority: CN
Inventors: 杨凯; 赵福珍; 叶立超
Original assignee: Beijing Research and Design Institute of Rubber Industry
Current assignee: Beijing Research and Design Institute of Rubber Industry
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明公开了一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统。系统包括速度给出数学模型、执行系统、模糊控制器、ＰＩＤ控制器，加料系统，采样系统等几个主要组成部分。数学模型将设定好的称量重量转化为速度给定输入到加料系统。控制系统根据数学模型给出的加料速度和反馈速度，计算实际称重速度和给定速度之间的偏差以及偏差的变化量，并将其交给模糊控制器。模糊控制器根据模糊推理规则实时整定ＰＩＤ控制器的比例系数、积分系数和微分系数实现实时调节。该系统根据模糊规则实时调节PID参数，实现加料速度的闭环控制，可以避免设备内物料填充度、环境、机械振动等多方面因素对称量过程的无规律作用，稳定加料速度，提高称量的效率和精度。

Description

一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统

技术领域

本发明公开了一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统。可以实现对颗粒料或粉料连续加料称量设备的控制。通过数学模型给出的加料速度，运用PID连续调节设备加料，可以实现对定量颗粒料或粉料的高效精确称量。

背景技术

在颗粒料或粉料的称量过程中，一直采用的是段速称量过程。即将物料称量速度分为快慢双速或多段速进行称量。在上位计算机中根据配方设定相应炭黑的快称值和慢称值。上位计算机系统将两个值传入PLC控制系统。在PLC控制程序中，根据设定的重量，先快称，以保证称量效率。当接近称量目标值时慢速称量以保证称量精度。

双速调节称量作为粉料称量的常用方式，它以简单的重量控制完成称量过程。具备结构简单，控制方便等优点。高低速搭配保证了一定的称量效率和精度。但是作为传统的称量方案，其不足也十分明显，主要体现在以下几个方面：

(1)称量速度设定不便。(2)称量速度固定。(3)慢称定速困难。

(4)难以实现称量效率和精度的平衡。

发明内容

技术方案：

为了解决上述问题，本发明采取一种新的设计方案，采用连续调速的方法实现对定量颗粒或粉料的高精度高效率称量。

在生产过程中由于称量过程的非线性，原来控制的方法需频繁调整控制参数，且很难保证称量过程高效精确。因此研究采用速度闭环控制的方法实现称量过程。选取控制的目标为物料的加料速度，称量的过程为：称量初期由于设备加料速度的物理限制，停留在最高加料速度,此时系统是定值调速系统。当称量重量接近目标重量时速度设定值自动减小，此时系统为连续调速系统。速度的设定通过加料设备的加料速度设定实现，整个过程实现了无级调速，改变了原来段速称量固定的模式。采用控制称量物料加料速度的方法，保证了整个过程的可控性，提高了称量精度和效率。系统可自动根据加料的情况，闭环控制，避免了生产过程中的人工调整，提高生产效率。

首先要建立系统的数学模型。考虑到计算和分析方便，采用e指数下降函数作为称量速度下降段得函数，构造称量速度函数如下：

为速度的下降速率，为重量目标值，为需要在调速称量过程中称重的重量值。根据称量速度与称量重量的微积分关系，以及约束条件，可以确定相应称量过程的上述参数值。从而给出称量系统所需的实时速度。数学模型确定的称量速度与时间的关系如附图1所示。

根据加料重量与加料速度的微积分关系，加料控制时间的约束条件，可以得到数学模型的参数。即根据设定重量、要求控制的加料时间，可确定系统中的各个参数。（其中速度跳变点的重量可采用简单的线性比例关系确定）确定过程如下：

(1)初速度

根据生产试验，在称重目标量为140KG时，初始速度=4kg/s较为合适。在称重目标量为时，初始速度较为合适。为了计算和控制方便，近似将称重目标量与初始速度看作线性关系。则可推定称重目标量与初始速度关系如下：

由此式可得。

(2)速度下降指数

速度下降指数决定了称量的速度下降过程，如果选择过大，由于设备惯性的局限性很难达到，如果选择过小又会延长速度下降时间，影响称重效率。

生产试验表明，选择较为合适。为了简化计算，近似认为初速度与速度下降指数为线性关系。由此线性关系可得速度下降指数a。

(3)称量总时间T

考虑到称量重量和称量总时间的关系。为了方便模型计算，认为二者是线性关系。根据生产经验对于5kg的物料在8S中完成，对于150kg的物料在90S内。

(4)速度转变点

根据数学模型，当称重量达到时，速度开始呈指数下降，此时为开始称量后秒。则有：

解上述两个方程即可得到。

然后按照数学模型给出的设定速度，根据称量控制模型附图2，对加料速度进行闭环PID控制，实现加料过程的连续调速。

在速度的采集数据进行处理时，为了避免个别结块粉料和大颗粒物料对称冲击造成的影响，采用加权平均的方法，由前几次采集的当前采集的称量速度和前几次采集数据进行加权平均得出此时的称重速度。如下式：

- 其中V(K)为当前速度。

传统的称量系统PID控制，存在着较多的缺陷，固定的PID控制参数不能满足生产过程中不同物料对系统的不同控制要求。修改PID参数需要大量的生产经验，且无法频繁修改。为了实现系统的自调节，更好的满足生产要求，现采用新型的控制方法—模糊PID控制。模糊自整定PID控制器能有效地抑制随机干扰，能及时对PID控制器的参数进行在线调整，并以比常规PID控制器更小的误差和更快的速度重新进入稳定工作点。在本系统中，以重量的偏差E及偏差的变化率EC为输入，加料装置的加料速度为输出，根据现场的生产经验，指定模糊控制规则，根据此规则实现PID控制参数的在线自整定。该控制方法具有良好的跟踪和抗干扰性能，可以更好的满足称量控制的需要。

PID系数模糊调节的策略如下：

在本系统中，以速度误差和误差的变化率为输入，根据模糊控制规则对PID控制的三个参数进行在线自整定。

（1）当较大时，为了加快系统的响应速度，同时避免微分引起过饱和，采用较大的和较小的,同时为了避免大误差情况下的积分饱和，取,此时系统为PD系统，具有较高的反应灵敏度。

（2）当和为中等大小时，为了防止生产过程中系统产生过大的超调，、、取值均不可太大，其中应较小，防止残差积分饱和。

（3）当较小时，应增大和的值，为了避免系统在设定值附近的震荡，应适当选取。具体原则如下：较大时，适度选小些；较小时，选大一些。

3.模糊PID参数整定算法

考虑采用重量称偏差和重量偏差变化率为输入语言变量。模糊控制器采集的系统的重量偏差和，按照模糊控制规则调节PID控制的参数。

首先需要进行输入参数的模糊化，取输入变量速度的偏差的基本论域为[-1kg/s，1kg/s],速度偏差的变化量的基本论域为[-0.5kg/s,0.5kg/s],对论域分级如下表：

误差分级表

Figure DEST_PATH_696697DEST_PATH_IMAGE001

按等级从-6到6模糊语言变量可定义为NB(Negative Big,负大)；NM(Negaitive Medium,负中)；NS(Negative Small,负小)；ZE（Zero,零）；PS（Positive Small,正小）；PM(Positive Medium,正中)；PB（Positive Big,正大）。语言变量取值如下：

语言变量赋值表

	6	5	4	3	2	1	0	-1	-2	-3	-4	-5	-6
														PB	1	0.5	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
PM	0	0.5	1	0.5	0	0	0	0	0	0	0	0	0
														PS	0	0	0	0.5	1	0.5	0	0	0	0	0	0	0
ZO	0	0	0	0	0	0.5	1	0.5	0	0	0	0	0
														ZS	0	0	0	0	0	0	0	0.5	1	0.5	0	0	0
NM	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.5	1	0.5	0
														NB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.5	1

用同样的方法可以完成对参数Kp, Kd，Ki的模糊定义。

根据实际生产经验，对根据和的量化等级可确定控制规则如下：

IF e=NB,then △Kp=PB, △Kd=PS，△Ki=ZE

IF e=NM AND ec=NM,then △Kp=PM, △Kd=PS，△Ki=PS

IF e=NS,then △Kp=PM, △Kd=PS，△Ki=PS

…

根据控制规则，按照关系合成推理法即可得出第一条规则确定的模糊关系,由第一条控制规则语句计算出输出，由其他语句依次算出控制量Kp用重心法进行清晰化计算即可得到相应的控制值，将所有的控制情况计算完毕可以制成控制表，以备在实际控制时直接程序查询。

完成控制参数Kp, Kd，Ki的整定后，可由下列算法计算出输出控制u(n)。

PID控制的位置式为：

(6-18)

增量控制式为：

根据以上两式即可完成称量过程的PID控制（或增量PID）控制。

本发明与当前使用的粉料或颗粒料称量系统相比具有以下优点：

（1）称量方式更为智能，实现称量过程的连续调速，速度的给出由数学模型给出，在生产过程中无需人工根据物料、设备等情况实时调整称量速度的相关参数。

（2）实现了对称量加料速度的闭环控制，在称量过程中对实际加料速度的把握可以避免单纯从重量进行判断引起的缺陷。（例：给定了加料的速度，确无法判定实际下料速度是否符合当前给定。）

（3）采用连续指数下降的调速加料称量，保证了在快达到设定重量时的称量效率和精度，因此也提高了整个称量过程的效率和精度。

附图说明

图1是数学模型确定的物料称重速度与时间的关系图；

图2是加料称量系统的控制原理图

Claims

1.本发明公开了一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统，系统包括速度给出数学模型（1）、执行系统、模糊控制器（2）、ＰＩＤ控制器，加料系统，采样过滤系统（3）等几个主要组成部分。

2.如权利要求1所述的一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统，其特征在于，速度给出数学模型（1）将定量称量的设定重量转变为指数连续下降的速度输出，根据给出的速度采用连续调速的方法，控制加料速度，间接实现对称量重量的控制，该数学模型还给出了根据设定重量确定模型参数的方法。

3.如权利要求1所述的一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统，其特征在于，在确定了权利要求1所述的速度给出数学模型后，本发明根据需要称量的种类设定给出了数学模型的参数确定方法。

4.如权利要求1所述的一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统，其特征在于，模糊控制器（2）把当前称量加料速度与数学模型给出的加料速度进行比较，将二者的差值E和差值的变化量EC作为输入，根据模糊控制规则进行处理，输出PID控制器的控制参数，实现对称量加料系统PID控制参数的实时整定。

5.如权利要求1所述的一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统，其特征在于，采样过滤系统（3）先对个别偏差极大的干扰性称重数据进行过滤，考虑到当前的速度V(k)的采样值受前几次采样值的影响，取V(k)为当前采样值与其前几次采样值进行加权平均，以降低单次采样数据不稳定对系统的影响。

6.如权利要求1所述的一种颗粒料或粉料的加料称量控制系统，其特征在于，在设备未能实时达到设定速度时，可以根据数学模型重新给出速度调整，以保证称量效率。