基于PID模糊算法的閉環控制技術在物料混合攪拌上的應用

關鍵詞：模糊算法;閉環;物料混合

中圖分類號：TP273 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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 ?以往物料混合設備所存在的一些問題

混合攪拌工藝已廣泛應用于石化、藥品、食品等諸多行業。在使用過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，因此工作的現場環境普遍十分惡劣，工人現場操作存在危害系數大等特點，此外生產要求也要求該系統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，這也造成目前人工操作設備和半自動化控制比較難實現。

由于可編程控制器（PLC）具有高可靠及穩定性、抗外界干擾能力強、整個控制系統的設計及制造工作量相對較小等優勢，建成后具有維護方便、升級改造容易的特點，從更實用的角度來看，應用先進的檢測技術及建立有效的數學模型，準確獲得攪拌器中的各種技術數據，從而設計開發新型的攪拌設備，對現有的攪拌設備進行優化設計有著十分重要的意義。

2 ?PLC應用與物料混合攪拌設備的控制

本次設計由于采用可編程序控制器（PLC）的方案，以實現對瀝青各物料進行配比、混合、攪拌的控制。依據混合、攪拌設備的各項功能特性、動作流程等，在設計過程中可以選用流量計、電磁閥來作為執行機構，實現控制液態物料的流入，以達到其控制目的。

依據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間先后順序控制系統。設計過程中可以按照設備運行的時間先后次序畫出對應的流程圖，再根據流程圖來畫PLC梯形圖，最終用模擬仿真軟件對程序進行仿真試運行。

3.1 ?混合物料工藝流程的分析

（1）首先依據混合物料A和物料B的混合比例通過傳送皮帶中的秤重計量傳感器與流量計分別發送一個送料的信號;

（2）控制系統給各個電氣設備上電，各個電氣設備開始運行，攪拌電機M3帶動攪拌器進行混合攪拌;

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

（4）變頻調速系統的轉速主要通過接受皮帶秤的重量傳感器所反饋的4-20MA電流信號強度和速度傳感器反饋的脈沖信號，通過PLC中的模擬量轉換成數字量的A/D模塊，再進行PID運算，將輸入的值不斷與系統設置的給定值進行比較，再將差值由數字轉換成模擬的D/A模塊，輸出反饋信號至變頻器中。變頻器根據這一反饋信號調節變頻電機轉速，達到定量給料的目的;

（5）輸送物料A和B的同時，PLC控制打開電磁閥，物料C開始向攪拌器中輸送，由流量傳感器輸出的反饋電流信號，經過PLC是A/D轉換成數字信號，進行PID運算，將輸入的信號與系統設置的給定值進行比較，再把差值經過D/A轉換將信號發送到電動調節閥中，通過信號達到控制調節閥的開合度，達到定量給料的目的;

（6）將多種物料在攪拌器中進行混合攪拌，達到自動生產。

3.2 ?控制系統流程

控制系統啟動流程是：

（1）啟動反應器內的攪拌電機M3;

（2）打開物料C注入電磁閥;

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

根據電子皮帶秤及電磁流量計所反饋的信號實時地調節變頻調速系統，控制傳送帶速度以及調節閥，達到控制物料A及物料B的配比量的目的。

3.3 ?硬件系統設計

控制系統方案的要求物料A和物料B主要用到PLC的PID控制模塊。PID控制理論上是根據反饋系統反饋回的誤差，分別用比例、積分、微分算法計算出相應的控制量來進行調節控制。一旦被控端的結構和系統參數不符合系統需求時，或者得到的數學模型不夠精確時、控制原理的其他方法、模型都難以應用時，控制系統的結構和參數設置必須依靠以往的經驗和人工進行現場調試的方法進行最終的確定，這時使用PID控制則顯得最為有效。

4 ?PID算法

PLC的PID模塊設計是以連續控制系統的規律為原型，經過系統設計對其算法進行數字化處理，然后形成離散形式的PID算法方程式，最后依據離散算法方程來進行控制系統的程序設計。PID算法包括3項，分別為比例項、積分項和微分項。原理為：輸出值=比例項+積分項+微分項。控制器在固定周期里進行數據采樣并發送給控制器離散化后進行運算，具體運算方法如下：

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

比例項Kp×（SQe-QVe）：快速產生與偏差（SQe-QVe）成正比值調節的作用，比例系數Kp值越大，比例調節所起的作用越大，系統的動作越靈敏、速度越快、穩態誤差縮小、靜態穩定精度越高。但系數Kp值太大，輸出數值振蕩不穩加劇，系統將會趨于不穩定狀態，Kp值太小系統動作又會變得緩慢。

積分項Kp×（Tx/Ti）×（SQe-QVe）+Dt：該項與偏差值幅度大小有關，只要偏差值不為0，PID控制器的輸出值就會受積分作用影響而不斷改變，一直到偏差值徹底消失，系統才會處于穩定狀態，所以積分項的主要作用是消除穩態誤差，提高系統的控制精度。積分項的動作反應緩慢，會導致系統的動態穩定性差，調整周期延長，一般不單獨使用。積分項的時間常數Ti越大，積分項所起的作用越大，延緩了消除穩態誤差的時間。

微分項Kp×（Td/Tx）×（QVe-1-QVe）：結合誤差值發生變化的速度來進行相應的調節，具有預估的特點。微分時間常數Td偏大時，超調量較大，調節時間較短，動態屬性性能得到相應改善;當數值Td過大，系統的相應輸出量在接近穩態時可能反應緩慢。當數值Td偏小，超調量也較大，調節時間較長，只有數值Td合適時，才能使超調量較小，有效減少調節時間。

在工業自動控制系統里，根據實際應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型。如只要用到比例控制或者比例和積分兩項進行控制，可以選擇設置參數對控制的類型進行選擇。

目前在工業領域中廣泛應用的PID控制器的理論基礎以及其對連續系統性能指標的改善作用，實現了以誤差和誤差變化率為輸入，利用模糊推理的方法對PID參數的在線自動整定。通過仿真結果可以看出，參數自整定模糊PID控制器控制效果優于傳統PID控制器，提高了控制系統的動靜態性能。這種混合系統把PID控制的簡便性與靈活性融為一體，易于實現，便于工程應用，具有較強的實際意義，對進一步應用研究具有較大的參考價值。

5 ?設計的主要功能與創新點

可編程控制器（PLC）集合應用了時下計算機技術和自動控制技術等，具備高可靠性、模塊化應用、程序結構靈活、簡單直觀、能耗低等諸多優點，成為在機電設備自動控制系統中應用最多的一種控制方式。

通過應用PLC對物料混合控制系統的控制，使用不同功能的輔助傳送裝置，使系統能夠對不同屬性的物料按照設定的程序進行混合，控制系統轉換、添減功能靈活多樣。應用PLC及模糊算法PID控制技術的物料混合自動化裝置，具有代替人工在高溫和危險的部分崗位作業區進行作業的作用，而且在物料配比產品發生變化或臨時更換混合物料種類任務時，簡單更改系統設定參數或更換程序即可方便地切換，能在最短時間內投產，降低拆裝設備進行轉換生產的時間和費用。

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作者簡介：李陟遠（1991.10-），男，漢族，安徽宿松人，技術員，助理工程師，本科，研究方向：機械設計制造及自動化。