基于PID模糊算法的閉環(huán)控制技術(shù)在物料混合攪拌上的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：模糊算法;閉環(huán);物料混合

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）06-0069-03

Abstract：With the development of social economy，infrastructure construction has been strengthened. In the field of road asphalt laying，the material mixing technology has also achieved rapid development. In the field of road laying，the technology has been widely used. In the practical application，the traditional material mixing and stirring process also has some serious problems and production constraints. The programmable logic controller （PLC） is applied to the mixing and stirring equipment of industrial materials. In this way，the whole process of mixing and stirring can be automatically and precisely controlled，and the working stability of the mixing and stirring equipment can be effectively improved，laying a foundation for the smooth，efficient and accurate work of the mixing and stirring machinery. This design of the material mixing control system is based on PLC as the core control components，effectively combined with the use of inverter and other accessories to complete the automatic control of the material mixing system，can better meet the requirements of the construction of the mixing system.

Keywords：fuzzy algorithm;closed loop;material mixing

1 ?以往物料混合設(shè)備所存在的一些問(wèn)題

混合攪拌工藝已廣泛應(yīng)用于石化、藥品、食品等諸多行業(yè)。在使用過(guò)程中所需要用到的材料，大多具有易燃易爆、有毒且具有腐蝕性的特質(zhì)，因此工作的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境普遍十分惡劣，工人現(xiàn)場(chǎng)操作存在危害系數(shù)大等特點(diǎn)，此外生產(chǎn)要求也要求該系統(tǒng)需具有混合精確度高、控制可靠性高、工作效率高等諸多特點(diǎn)，這也造成目前人工操作設(shè)備和半自動(dòng)化控制比較難實(shí)現(xiàn)。

由于可編程控制器（PLC）具有高可靠及穩(wěn)定性、抗外界干擾能力強(qiáng)、整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造工作量相對(duì)較小等優(yōu)勢(shì)，建成后具有維護(hù)方便、升級(jí)改造容易的特點(diǎn)，從更實(shí)用的角度來(lái)看，應(yīng)用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)及建立有效的數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確獲得攪拌器中的各種技術(shù)數(shù)據(jù)，從而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型的攪拌設(shè)備，對(duì)現(xiàn)有的攪拌設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

2 ?PLC應(yīng)用與物料混合攪拌設(shè)備的控制

本次設(shè)計(jì)由于采用可編程序控制器（PLC）的方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青各物料進(jìn)行配比、混合、攪拌的控制。依據(jù)混合、攪拌設(shè)備的各項(xiàng)功能特性、動(dòng)作流程等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以選用流量計(jì)、電磁閥來(lái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制液態(tài)物料的流入，以達(dá)到其控制目的。

依據(jù)混合攪拌工藝控制流程（如圖1所示）的要求，可以理解此程序是非常典型的時(shí)間先后順序控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以按照設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間先后次序畫(huà)出對(duì)應(yīng)的流程圖，再根據(jù)流程圖來(lái)畫(huà)PLC梯形圖，最終用模擬仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行仿真試運(yùn)行。

3.1 ?混合物料工藝流程的分析

（1）首先依據(jù)混合物料A和物料B的混合比例通過(guò)傳送皮帶中的秤重計(jì)量傳感器與流量計(jì)分別發(fā)送一個(gè)送料的信號(hào);

（2）控制系統(tǒng)給各個(gè)電氣設(shè)備上電，各個(gè)電氣設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行，攪拌電機(jī)M3帶動(dòng)攪拌器進(jìn)行混合攪拌;

（3）物料A和B分別通過(guò)物料系統(tǒng)輸送到由裝有速度傳感器和變頻調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)具有電子皮帶秤的輸送帶上，由恒速電機(jī)帶動(dòng)的傳輸帶將物料送進(jìn)攪拌器中進(jìn)行混合攪拌;

（4）變頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速主要通過(guò)接受皮帶秤的重量傳感器所反饋的4-20MA電流信號(hào)強(qiáng)度和速度傳感器反饋的脈沖信號(hào)，通過(guò)PLC中的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的A/D模塊，再進(jìn)行PID運(yùn)算，將輸入的值不斷與系統(tǒng)設(shè)置的給定值進(jìn)行比較，再將差值由數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬的D/A模塊，輸出反饋信號(hào)至變頻器中。變頻器根據(jù)這一反饋信號(hào)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到定量給料的目的;

（5）輸送物料A和B的同時(shí)，PLC控制打開(kāi)電磁閥，物料C開(kāi)始向攪拌器中輸送，由流量傳感器輸出的反饋電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC是A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行PID運(yùn)算，將輸入的信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)置的給定值進(jìn)行比較，再把差值經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將信號(hào)發(fā)送到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中，通過(guò)信號(hào)達(dá)到控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)合度，達(dá)到定量給料的目的;

（6）將多種物料在攪拌器中進(jìn)行混合攪拌，達(dá)到自動(dòng)生產(chǎn)。

3.2 ?控制系統(tǒng)流程

控制系統(tǒng)啟動(dòng)流程是：

（1）啟動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)的攪拌電機(jī)M3;

（2）打開(kāi)物料C注入電磁閥;

（3）啟動(dòng)物料A的輸送傳送帶電機(jī)M1、電子皮帶秤、電磁流量計(jì)及PLC的電源。

根據(jù)電子皮帶秤及電磁流量計(jì)所反饋的信號(hào)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制傳送帶速度以及調(diào)節(jié)閥，達(dá)到控制物料A及物料B的配比量的目的。

3.3 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)方案的要求物料A和物料B主要用到PLC的PID控制模塊。PID控制理論上是根據(jù)反饋系統(tǒng)反饋回的誤差，分別用比例、積分、微分算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。一旦被控端的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)不符合系統(tǒng)需求時(shí)，或者得到的數(shù)學(xué)模型不夠精確時(shí)、控制原理的其他方法、模型都難以應(yīng)用時(shí)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置必須依靠以往的經(jīng)驗(yàn)和人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的方法進(jìn)行最終的確定，這時(shí)使用PID控制則顯得最為有效。

4 ?PID算法

PLC的PID模塊設(shè)計(jì)是以連續(xù)控制系統(tǒng)的規(guī)律為原型，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)其算法進(jìn)行數(shù)字化處理，然后形成離散形式的PID算法方程式，最后依據(jù)離散算法方程來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。PID算法包括3項(xiàng)，分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。原理為：輸出值=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。控制器在固定周期里進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并發(fā)送給控制器離散化后進(jìn)行運(yùn)算，具體運(yùn)算方法如下：

Ut=Kp×（SQe-QVe）+Kp×（Tx/Ti）×（SQe-QVe）+Dt+Kp×（Td/Tx）×（QVe-1-QVe）

比例項(xiàng)Kp×（SQe-QVe）：快速產(chǎn)生與偏差（SQe-QVe）成正比值調(diào)節(jié)的作用，比例系數(shù)Kp值越大，比例調(diào)節(jié)所起的作用越大，系統(tǒng)的動(dòng)作越靈敏、速度越快、穩(wěn)態(tài)誤差縮小、靜態(tài)穩(wěn)定精度越高。但系數(shù)Kp值太大，輸出數(shù)值振蕩不穩(wěn)加劇，系統(tǒng)將會(huì)趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，Kp值太小系統(tǒng)動(dòng)作又會(huì)變得緩慢。

積分項(xiàng)Kp×（Tx/Ti）×（SQe-QVe）+Dt：該項(xiàng)與偏差值幅度大小有關(guān)，只要偏差值不為0，PID控制器的輸出值就會(huì)受積分作用影響而不斷改變，一直到偏差值徹底消失，系統(tǒng)才會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分項(xiàng)的主要作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分項(xiàng)的動(dòng)作反應(yīng)緩慢，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差，調(diào)整周期延長(zhǎng)，一般不單獨(dú)使用。積分項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)Ti越大，積分項(xiàng)所起的作用越大，延緩了消除穩(wěn)態(tài)誤差的時(shí)間。

微分項(xiàng)Kp×（Td/Tx）×（QVe-1-QVe）：結(jié)合誤差值發(fā)生變化的速度來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，具有預(yù)估的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，動(dòng)態(tài)屬性性能得到相應(yīng)改善;當(dāng)數(shù)值Td過(guò)大，系統(tǒng)的相應(yīng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能反應(yīng)緩慢。當(dāng)數(shù)值Td偏小，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，只有數(shù)值Td合適時(shí)，才能使超調(diào)量較小，有效減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)里，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況可能只需要用到P、I、D三種控制中的某一種或者兩種控制的類(lèi)型。如只要用到比例控制或者比例和積分兩項(xiàng)進(jìn)行控制，可以選擇設(shè)置參數(shù)對(duì)控制的類(lèi)型進(jìn)行選擇。

目前在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的PID控制器的理論基礎(chǔ)以及其對(duì)連續(xù)系統(tǒng)性能指標(biāo)的改善作用，實(shí)現(xiàn)了以誤差和誤差變化率為輸入，利用模糊推理的方法對(duì)PID參數(shù)的在線自動(dòng)整定。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，參數(shù)自整定模糊PID控制器控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。這種混合系統(tǒng)把PID控制的簡(jiǎn)便性與靈活性融為一體，易于實(shí)現(xiàn)，便于工程應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義，對(duì)進(jìn)一步應(yīng)用研究具有較大的參考價(jià)值。

5 ?設(shè)計(jì)的主要功能與創(chuàng)新點(diǎn)

可編程控制器（PLC）集合應(yīng)用了時(shí)下計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等，具備高可靠性、模塊化應(yīng)用、程序結(jié)構(gòu)靈活、簡(jiǎn)單直觀、能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為在機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種控制方式。

通過(guò)應(yīng)用PLC對(duì)物料混合控制系統(tǒng)的控制，使用不同功能的輔助傳送裝置，使系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌瑢傩缘奈锪习凑赵O(shè)定的程序進(jìn)行混合，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、添減功能靈活多樣。應(yīng)用PLC及模糊算法PID控制技術(shù)的物料混合自動(dòng)化裝置，具有代替人工在高溫和危險(xiǎn)的部分崗位作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)的作用，而且在物料配比產(chǎn)品發(fā)生變化或臨時(shí)更換混合物料種類(lèi)任務(wù)時(shí)，簡(jiǎn)單更改系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)或更換程序即可方便地切換，能在最短時(shí)間內(nèi)投產(chǎn)，降低拆裝設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的時(shí)間和費(fèi)用。

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作者簡(jiǎn)介：李陟遠(yuǎn)（1991.10-），男，漢族，安徽宿松人，技術(shù)員，助理工程師，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。