基于模糊PID控制的配料秤系统的实现

1 引 言

    传统的配料皮带秤系统通常采用 PID( 比例- 积分- 微分) 控制器来整定各参数, 在误差较小的范围内 PID 控制算法具有一定的优越性。但是在实际运行当中, 配料皮带秤系统的准确度会受到各种因素的影响, 这些往往使得系统误差不稳定, 动态特性不理想, 无法达到预期的控制效果。

    本文提出了基于模糊 PID 控制器的配料皮带秤系统, 将模糊控制技术与传统的 PID 控制技术结合起来共同应用于系统的调节当中, 大大提高了系统抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性[1], 有效地解决了误差不稳定、动态特性不理想的问题。

2 系统组成及工作原理

    配料皮带秤系统一般由 PLC 上位机、变频器、振动给料机、配料皮带、主皮带、仪表等部件组成, 在配方给定的情况下, 仪表可以独立对配比流量实施闭环控制和调节, 其中采用模糊 PID 控制算法进行调节, 算法内嵌于仪表当中[2]。以配料系统中的一台皮带秤为例, 控制方框图如图 1 所示。

    当皮带以一定速度运行时, 称重传感器输出的重量信号和测速传感器输出的速度信号进入仪表,仪表经运算后得到皮带秤的瞬时流量和累计流量。瞬时流量与仪表内设定的流量值进行比较, 其偏差经模糊 PID 运算后输出 4mA~20mA 电流信号。该信号作为调节信号一路送往变频器, 通过改变变频器的频率调节给料机的振动速度, 从而调节物料的流量, 达到配料的目的; 另一路信号送往 PLC 上位机, 上位机根据得到的信息实时调整仪表内的流量给定值。采用模糊 PID 控制器系统可以根据现场不确定的环境变化引起的实际系统误差变化进行实时控制。

3 模糊 PID 控制器的设计

    模糊 PID 控制器是当误差较小时采用传统的PID 控制, 而当误差较大时采用模糊控制, 两种控制方式并行使用, 由比较器进行切换。设 e_g表示大小偏差量的临界值, 当|e|g时, 采用 PID 控制规律;当|e|>e_g时, 采用模糊控制规律。模糊 PID 控制器结构图如图 2 所示。

3.2 模糊控制器

3.2.1 模糊控制原理

    模糊控制是一种基于规则的控制, 它采用语言型控制规则, 将现场操作人员的控制经验或相关专家的知识变成计算机可以接受的控制模型, 让计算机来代替人进行有效的控制[3]。模糊控制系统的基本结构如图 3 所示。

    图 3 中 S———系统的设定值, 是精确量;

    e, c———系统偏差与偏差变化率, 是精确量, 它们是模糊控制器的输入;