粉狀物料計(jì)量的PID控制

1、粉狀物料計(jì)量的 PID 控制【摘 要】傳統(tǒng)的 PID 控制也存在許多不足，最突出 的一點(diǎn)就是有關(guān) PID 參數(shù)的問題。 首先， 傳統(tǒng) PID 無自適應(yīng) 能力。 其次傳統(tǒng)的 PID 控制器的參數(shù)只能整定為滿足生產(chǎn)過 程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中人 們主要關(guān)心的問題是 “設(shè)定值跟蹤特性” 和“干擾抑制特性” 。 而傳統(tǒng)的 PID 控制器，只能通過整定一組 PID 參數(shù)來滿足一 個(gè)方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù)， 這樣得到的控制效果顯然不是最佳的?！娟P(guān)鍵詞】 PID 調(diào)節(jié)算法 雙環(huán)調(diào)節(jié) PI 調(diào)節(jié)下面是通過PLC內(nèi)置模塊中的帶死區(qū) PID調(diào)節(jié)算法實(shí)現(xiàn) 煤粉計(jì)量

2、系統(tǒng)，提高計(jì)量設(shè)備的穩(wěn)定性。通過的 SPU 對稱重傳感器提供高精度 10VDC 電源，經(jīng) 稱重傳感器產(chǎn)生 0-20mA 壓差信號(hào)，毫伏變送器將稱重信號(hào) 轉(zhuǎn)換為 4-20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送給 PLC 進(jìn)行處理。 在系統(tǒng)中 皮轉(zhuǎn)子秤運(yùn)轉(zhuǎn)速度由置于電機(jī)上的接近開關(guān)直接測定，作速 度反饋信號(hào)送給 P L C 。在運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子秤一轉(zhuǎn)，其運(yùn)轉(zhuǎn)繼電 器吸合， PLC 便將稱重信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換與預(yù)置速度相乘， 然后對時(shí)間積分，求出物料流量， 并將求出的瞬時(shí)值與 DCS 給定值進(jìn)行比較，再通過 PLC 里的帶死區(qū)的 PI 調(diào)節(jié)由變頻器控制的電機(jī)的速度，來達(dá)到穩(wěn)定物料的要求工業(yè)生產(chǎn)過程中不可預(yù)測的干擾很多

3、。若只有一組固定 的參數(shù)，要滿足各種負(fù)荷或干擾時(shí)的控制性能的要求是困難 的，因此必須設(shè)置多組 PID 參數(shù)。當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，能及 時(shí)改變 PID 參數(shù)以與其相適應(yīng)，使過程控制性能最佳。目前 使用的有如下幾種形式：（1）對某些控制回路根據(jù)負(fù)荷不同，采用幾組不同 的 ， ， 參數(shù)，以提高控制質(zhì)量。（2）時(shí)序控制：按照一定的時(shí)間順序采用不同的給定 值和 ， ， 參數(shù)。（3）人工模型：模擬現(xiàn)場操作人員的操作方法，把操 作經(jīng)驗(yàn)編制成程序，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)改變給定值或 ， ， 參數(shù)。（4）自尋最優(yōu)：編制自動(dòng)尋優(yōu)程序，一旦工況變化， 控制性能變壞，計(jì)算機(jī)執(zhí)行自動(dòng)尋優(yōu)程序，自動(dòng)尋找合適的 PID 參數(shù)，保持

4、系統(tǒng)的性能處于良好的狀態(tài) 。本系統(tǒng)是一個(gè)多變量、 多回路的滯后系統(tǒng)， 用常規(guī)的 PID 控制很難獲得良好的控制性能。在控制方式上，針對煤粉物 料的特性， 系統(tǒng)軟件采用了預(yù)置控制加前饋?zhàn)赃m應(yīng) PID 調(diào)節(jié) 的方式。首先，根據(jù)設(shè)定流量預(yù)置喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)初步 預(yù)給料，再通過設(shè)定荷重與檢測荷重的差值來調(diào)節(jié)喂料機(jī)， 同時(shí)對喂料機(jī)的調(diào)節(jié)加約束條件，保證轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的負(fù)荷維持在設(shè)定的相應(yīng)水平，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定喂料；通過設(shè)定流量 與檢測流量的差值來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子秤，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。 上述雙環(huán)調(diào)節(jié)既相互配合又相互影響，為了防止兩環(huán)振 蕩，軟件上采取了一些特殊的措施，如調(diào)節(jié)時(shí)間的選擇、步 長的選擇、 PID 參數(shù)的優(yōu)

5、化等。在調(diào)節(jié)時(shí)間上選擇外環(huán)時(shí)間 T 大于內(nèi)環(huán)時(shí)間 T 的 3 倍，步長上選擇分段可變步長， pid 參數(shù)的整定上選擇具有控制參數(shù)收斂快，計(jì)算工作量相對較 小、使用的單純型加速法自適應(yīng)控制方式，它既能反映動(dòng)態(tài) 性能，又能反映穩(wěn)態(tài)特性 39 。作為性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，將之離散化可得 在采樣周期 T 固定時(shí)， T2 為常量，上式可簡化為 對于本系統(tǒng)， J 是極值函數(shù)，最優(yōu)化理論表明：在經(jīng)過 有限步搜索以后能夠找到極值點(diǎn)。軟件框圖如圖 1： 其中流量差值、流量差值變化率及荷重差值變化率決定 流量環(huán)的自適應(yīng) PID ，荷重差值變化率的引入有抑制系統(tǒng)對 于流量環(huán)的擾動(dòng)；荷重差值、荷重差值變化率及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速

6、 的變化率決定荷重環(huán)的自適應(yīng) PID ，荷重差值變化率及轉(zhuǎn)子 秤轉(zhuǎn)速的變化率的引入相當(dāng)于對預(yù)給料機(jī)加了前饋，從而能 有效抑制系統(tǒng)擾動(dòng)特別是倉內(nèi)煤粉流態(tài)改變導(dǎo)致的下料擾 動(dòng)。系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置控制系統(tǒng)中控制參數(shù)的設(shè)置是系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)的基 礎(chǔ)，可以保證系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，在煤粉定量給料控 制系統(tǒng)中，主要設(shè)置的參數(shù)以及作用如下：流量趨勢：用來觀察流量跟蹤的品質(zhì)，調(diào)節(jié)它可使流量 跟蹤更穩(wěn)定。荷重趨勢：用來觀察轉(zhuǎn)子秤荷重跟蹤的情況，調(diào)節(jié)它可 使荷重更趨穩(wěn)定。內(nèi)核參數(shù)：跟閘門調(diào)節(jié)有關(guān)， 當(dāng)轉(zhuǎn)子秤荷重偏差大于 5Kg 時(shí)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)參數(shù)：主要是實(shí)現(xiàn)流量跟蹤控制過程。荷重檢測：檢測顯示秤稱量段上物料量。掛碼

7、重量：做滿點(diǎn)標(biāo)定時(shí)，所掛砝碼重量。 零點(diǎn)參數(shù)：在靜態(tài)掛碼標(biāo)定時(shí)，在秤轉(zhuǎn)空情況下，所檢 測到的采樣數(shù)據(jù)，與標(biāo)定滿點(diǎn)相對應(yīng)，一般做完零點(diǎn)標(biāo)定， 需要做滿點(diǎn)標(biāo)定。滿點(diǎn)參數(shù)：在靜態(tài)掛碼標(biāo)定時(shí)，在秤轉(zhuǎn)空情況下，掛一 定量砝碼后檢測到的采樣數(shù)據(jù)，與零點(diǎn)標(biāo)定相對應(yīng)。皮重參數(shù)：在零點(diǎn)與滿點(diǎn)標(biāo)定做完后，去除所有砝碼及 標(biāo)定桿，確保秤內(nèi)沒料，開啟皮帶秤后檢測到的采樣數(shù)據(jù)。實(shí)物標(biāo)定修正系數(shù)：在某一時(shí)間段，當(dāng)秤上的累計(jì)量值 與實(shí)際下料量有偏差，需要改此參數(shù)修正。新的系數(shù)=（實(shí)際下料量 /秤上累計(jì)量） * 以前的系數(shù)。在線動(dòng)態(tài)標(biāo)定：在倉很準(zhǔn)的情況下，停止向倉內(nèi)進(jìn)料，在某一時(shí)間段，用倉重來標(biāo)秤過程。使秤上累計(jì)與倉物料減

8、少相符。荷重設(shè)定：反映秤上料層厚度。 比例系數(shù)：控制過程中的比例放大系數(shù)。 積分系數(shù)：控制過程中的時(shí)間滯后系數(shù)。 微分系數(shù)：控制過程中的超前調(diào)節(jié)系數(shù)。在皮帶秤秤參 數(shù)中一般為零。荷重參數(shù)： 當(dāng)荷重偏差大于 5kg 時(shí)，皮帶秤在調(diào)節(jié)周 期內(nèi)調(diào)節(jié)一次，調(diào)節(jié)幅度為 荷重參數(shù) 2*15 轉(zhuǎn)，當(dāng)荷重偏差 大于 10kg 時(shí)，調(diào)節(jié)幅度為 荷重參數(shù) 1*15 轉(zhuǎn)。流量偏差：表示當(dāng) |設(shè)定值 -瞬時(shí)流量 |> 流量偏差 時(shí)，預(yù) 置閥門開度為 預(yù)置系數(shù) * 設(shè)定產(chǎn)量。流量參數(shù)： 當(dāng) |設(shè)定值 -瞬時(shí)流量 |小于 流量參數(shù) 時(shí)，皮帶 秤在 流量延時(shí) 時(shí)間內(nèi)不調(diào)節(jié)，專門調(diào)節(jié)皮帶秤秤的動(dòng)態(tài)平 衡點(diǎn)。同時(shí)，閥門在 荷重延時(shí) 時(shí)間內(nèi)不調(diào)節(jié)。以上兩個(gè)延 時(shí)單位為 100MS 。喂料機(jī)上限差：是從當(dāng)前預(yù)置到調(diào)速上限之間的差值。 喂料機(jī)下限差：是從當(dāng)前預(yù)置到調(diào)速下限之間的差值。 流量平衡系數(shù)： 確保 FR 喂料機(jī)的物料 RWF 轉(zhuǎn)子秤能夠 走掉，不堵料。參考文獻(xiàn)：1 白志剛 .自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與 PID 整定 . 化學(xué)工業(yè)出版社， 2012.2 呂劍虹，徐治皋，陳來九.適用于仿真工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件包 J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)