金屬鎂爐料球團壓制自動控制系統的設計

北方民族大學電氣信息工程學院 劉 勇 虎恩典 胡時高

1.引言

1.1 項目背景

隨著科技、經濟的迅速發展，各行業的生產都在向自動化、智能化方向發展，一方面提高生產效率及產品質量，另一方面為降低生產成本，增強競爭能力。但在高耗能、高污染的金屬鎂產業的生產過程中，球團壓制過程仍舊是人工調節，自動化程度極低，基本都是人工調節，對人力資源需求大且產能無保障等缺點，因此應某金屬鎂企業的要求開發穩定性高、實用性強的自動控制系統。

1.2 金屬鎂球團壓制工藝

國內金屬鎂的生產大多采用皮江法，即首先將白云巖（沉積碳酸鹽巖）煅燒后與硅鐵、螢石混合制成球團，再在1100℃真空爐內加熱進行還原，生成鎂蒸氣及其他物質，再將鎂蒸氣冷凝回收鑄成鎂錠?，F在我們需要開發的是關于球團壓制的控制系統。圖1.1為球團壓制設備示意圖：

圖1.1 球團壓制設備示意圖

由圖1.1可知，該機構主要由給料螺旋機、預壓機和壓球機三部分組成。給料螺旋機將料倉內的料輸送到預壓艙內，通過調節預壓機的轉速盡而控制出料量，出料量的多少直接影響著壓球機的電流，即主機電流，長期的生產實踐表明，當料充足時主流增大，否則減小，只有在保證主機電流維持在一定強度范圍之內，球團質量及生產效率才能提高。壓球機是由一對帶有均勻凹槽的石輥組成，通過油壓系統來控制兩個輥子之間的距離，在生產過程中兩者之間的距離是固定的。

目前螺旋機和預壓機的轉速都是由人工根據主機電流的大小來調節的，其系統框圖如圖1.2所示：

圖1.2 人工調節系統框圖

該系統實質上是一個電磁調速系統，通過調節預壓機和螺旋機的轉速經過傳動裝置達到調節主電機的電流，由圖可知該系統是一個局部閉環而整體開環的控制系統。因此，從產能及人力資源各方面來講，開發新的自控控制系統顯得尤為重要。

2.控制系統方案設計

我們需要設計一閉環自動控制系統，盡量減少人為干預，該系統要穩定性高、抗干擾能力強，主機電流維持在120A(±10%)，操作上越簡單越好。設計的難度在于此系統是一個干擾較多且有大滯后特性的非線性系統，增加了對被控對象的控制難度。經過綜合考慮，確定了兩種控制方案，一種是采用模擬電路(PI調節器)和調速控制器相結合方案。二是采用歐姆龍PLC、變頻器與調速控制相結合方案。

2.1 模擬電路控制方案

該方案是設計一個兩路輸出的PI調節器代替人工調節，調節器的輸出信號直接去調節預壓機和螺旋機的轉速，通過傳動裝置起到調節主機電流的目的，通過電流互感器和電流變送器將主機電流轉換為4～20mA的標準信號，與主電流設定值形成誤差信號送入調節器中，進行PI計算輸出控制信號，這樣就形成了一個閉環系統。其結構框圖如2.1所示：

圖2.1 PI調節方案系統控制框圖

其中的PI調節器是由模擬電路搭建而成，由PI調節電路、電壓跟隨電路及射集跟隨器三部分組成，見圖2.2所示：

圖2.2 PI調節器電路框圖

此方案最大的特點就是成本低，經過試驗，在一定程度上收到好的控制效果，驗證了此思路的可行性，但弊端較多，穩定性低且抗干擾能力差，只能進行單方向調節，進行PI參數修改非常困難，因此將主控制該用歐姆龍PLC。

2.2 數字控制器方案

該方案是將方案一中的PI調節器換為歐姆龍CPIE-PLC做為主控制器，然后加入變頻器，通過變頻器調節預壓機和螺旋機轉速，實質上這是一種變頻調速方案。原理結構如2.3框圖所示：

圖2.3 歐姆龍PLC控制系統結構圖

電流互感器與變送器作為主機電流檢測模塊，將轉換出來的4～20mA的標準電流信號送入模數轉換模塊，將模擬量轉換為數字量，與主電流設定值做差形成誤差信號送入PLC中進行雙PID運算，輸出的數字控制量經過數模轉換，變為模擬控制量分別作用到變頻器1和變頻器2進行變頻調節預壓機和螺旋機的轉速，通過轉速的改變來調節出料量，最終達到控制主機電流的目的。當主機電流增大時，自動把預壓機與螺旋機轉速調低，反之，則增大轉以增加料的進給量，使主機電流增大。

圖2.3中的預壓機轉速給定和螺旋機轉速給定可以實現兩臺電機軟啟動的功能，這是出于對設備運行的安全性考慮設計的。

3.控制系統核心算法

3.1 常規PID與改進的PID控制算法

目前工業控制中比較成熟的計算機控制算法是PID控制算法，此控制算法，軟件系統的靈活易修改完善的優點得以充分發揮，因此PID數字控制器在工業生產中得到廣泛應用。在模擬調節系統中，PID控制算法的模擬表達式為：

式中，u(t)為調節器的輸出信號；e(t)為偏差信號；Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

由于計算機系統是一種采樣控制系統，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，為了能使計算機能實現式(3-1)，必須將其離散化，離散化后得到PID位置式表達式為：

式中，Kp為比例系數，KI為積分時間，KD為微分時間；e(k)為系統第k次采樣時刻的偏差值；k=0，1，2…。

常規PID控制算法在誤差擾動突變時，顯示出微分項的嚴重不足。由于本系統就是一個外擾動較多、控制量變化范圍較大且具有大滯后特性的非線性系統，為了克服上述缺點，在PID算法中加一個低通濾波器，直接加在微分環節上，構成了不完全微分PID控制，如圖3.1所示：

圖3.1 不完全微分PID框圖

為了提高其抗干擾性和跟隨性，因此本系統采用微分先行的不完全微分PID算法，其調節器控制輸出傳遞函數為：

通過調節Kp、Ti、Ts、Td、Tf的大小來改善系統的動態特性。

經過多次在現場試驗，粗略的得出被控對象的數學模型，傳遞函數為：

3.2 兩種控制算法的仿真

(1)跟隨性能仿真：

圖3.2 兩種PID算法跟隨性響應曲線

通過比較發現改進的PID比常規PID的超調量小，響應時間也快。

(2)擾動特性的仿真：

圖3.3 兩種PID擾動特性響應曲象

其它參數不變，僅使Td=545，系統響應曲線如圖3.4所示：

圖3.4 兩種PID擾動特性響應曲象

由仿真結果可知，微分先行的不完全微分PID算法不論是在跟隨性還是抗干擾性上都比常規PID控制效果要好，尤其在大滯后、干擾多的控制系統有較好效果。

3.3 PID參數的整定

經過MATLAB軟件仿真和現場試驗法得出一組最佳PID控制參數范圍如表3-1所示：

表3-1 最佳PID控制參數

4.設計總結及展望

4.1 設計總結

從算法上，采用改進的PID算法比常規PID算法在跟隨性和抗干擾能力等方面控制效果要好，尤其是在被控對象干擾較多且大滯后的控制系統中，采用改進的微分先行的不完全微分PID算法能更好的提高其調節品質。

采用PLC、變頻器與調速控制器相結合的方案，在現場試驗中，系統穩定性提高了，抗干擾能力也增強了，通過調節預壓機和給料螺旋機的轉速，主機電流基本能維持在120A(±20A)范圍內，基本滿足了廠方的控制要求。

4.2 展望

從該系統的實際運行中，發現控制效果還不夠完善，因此作出下一步的工作規劃：

首先，由于制造工藝的特殊性，因此要進一步研究被控對象的數學模型，進行精確建模，實現精確控制的目的。

其次，采用智能控制方案，即模糊PID控制算法(參數可以自適應)，增強抗擾動能力。

最后，建立組態界面，工作人員可以在控制室了解具體的生產情況。

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