基于PID 閉環調節的卸料流量可控研究

孫祖明

（天地科技股份有限公司，北京100013）

裝車站是一種快速定量裝載系統，能快速將散裝物料定重裝載到以一定速度行進中的列車/汽車車廂中，適用于礦山企業煤炭運輸、港口物料儲運及其他工業物料儲運[1-2]，其自動化水平直接影響著工業企業的生產效率。隨著計算機技術和微電子技術在儲運生產中的應用，裝車站自動化水平不斷提高，但對行走過程中的車廂實現均勻流量控制還存在問題[3-6]，具體表現在待裝散裝物料受料種密度、顆粒體狀不同且其流動性不相同，容易受環境溫濕度的影響。卸料流量控制對主觀經驗依賴較大且裝車效果不好，需操作工全程通過肉眼觀察車廂料位高度和卸料倉料位情況，并隨時調節閘門開度。對于裝載某些較大的物料還容易造成偏載，需要平料工人爬入車廂進行物料平整操作，降低了裝車效率及增加了人工成本。

綠色生產是企業發展的主線，智能化是工業控制的發展方向。針對目前裝車站存在的物料流量控制難度大、裝車均勻布料自動化水平不高、裝車人員工作強度大等問題，利用PID 閉環控制[6-12]理論將物料裝載各個部分銜接到一起，形成裝載鏈節協同、流量閉環調節、裝載自動化的控制模式，能夠減員增效、提升物料儲運的智能化水平。

1 裝車站卸料控制工藝分析

裝車站自動化定量裝車系統基于大型料斗秤的工作原理[1]，在定量倉按車廂載重稱重后，通過控制卸料閘門和溜槽進行裝載，實現連續快速定量裝車。卸料執行機構包括定量倉、卸料閘門、卸料溜槽、閘門驅動油缸等，具體如圖1所示。

定量倉支架與主支撐結合處裝設的稱重傳感器，是物料計量的測量元件。定量倉下口裝設卸料閘門，該閘門由液壓油缸驅動，液壓油缸的伸縮由液壓系統的比例閥控制調節。定量倉卸料閘門下方裝設可擺動裝車溜槽，該溜槽與定量倉下口通過軟連接材料搭接。

圖1 裝車站卸料結構圖

卸料裝車前需按照車廂核定載重對定量倉定重充料。當行進中的車廂進入溜槽卸料口時，打開卸料閘門對車廂進行裝料。設車廂核定載重為Q，額定裝車物料流量為q，車廂長度為L，車輛行進速度為v，裝車時間為t，由時間相等原則不難得出等量公式：

當確定車廂長度和核定載重后，額定裝車物料流量與車輛行進速度有關，當要求裝車時間盡量短時，需適當提高車廂行進速度并加大閘門開度。同時，為了使裝車布料均勻，車輛應以穩定的速度行進。由于卸料過程存在時滯特性，理想的裝車物料流量輸出不是固定不變的，而是實時調節的。裝車過程中理想的物料流量曲線如圖2 所示，t1和t2分別為車廂進入溜槽卸料口和離開卸料口時刻，q1為額定裝車物料流量。為了避免灑料，在車廂進入裝載位置t1時刻時，才允許打開卸料閘門，此后物料流量有一個由0 到最大值q2過渡的過程，用以消除卸料時滯特性帶來的影響，然后維持在一個穩定的額定流量q1；在車廂離開裝載位置t2時刻前，卸料閘門有一個由完全打開到完全關閉的過程，提前放大流量輸出并及時關閉閘門是為了避免灑料以及完整充填車廂。由以上分析可知，卸料流量的實時控制對均勻布料的裝料非常重要。

圖2 理想卸料流量曲線

2 PID 閉環控制設計

物料流量是一個可控量，是實時流量和累積流量的統稱[13]，即單位時間內物料流經測量裝置的量。對于介質分布不均勻、顆粒形狀不規則的物料流或顆粒物料流很難實時測量，同時物料流量的測量和控制對于裝車效率和企業效益具有重要的影響。

卸料閘門是裝車站控制系統的重要組成部分，用來對散裝物料的流量和或流速進行調節，但對閘門控制流量的輸入和輸出之間的關系難以用一個準確的數學模型來描述[14]。不僅是因為閘門控制的非線性，還因為閘門卸料輸出特性的非線性[15]難以計算。當閘門前后物料壓力固定時，僅與閘門開度有關，閘門閘位變化以及定量倉物料儲量的變化，使閘門前后壓力隨之變化，使流量增益的計算困難。由于物料流動性及其他環境等因素的影響也會引起流量的變化，流過閘門的物料流量控制與閘門的開度不能以簡單的一一對應的關系來表征。由于數學模型不確定，需要對控制模型進行分解研究，以滿足流量實時控制的要求。

數字PID 控制在工業生產過程中是一種最普遍采用的控制方法，在機電、冶金、機械、化工、能源等行業有著廣泛的應用[7]。PID 控制器根據過程控制的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量并進行控制。對裝車卸料控制進行PID 設計，控制系統如圖3 所示。

圖3 卸料控制系統圖

將卸料控制系統劃分為控制器部分和執行器部分：控制器為控制系統的核心，用于實現流量的閉環控制；執行器為控制系統的執行部分，包括閘門、驅動閘門的油缸以及液壓系統。卸料流量的測量采用間接測量的方式，即通過實時采集安裝在定量支撐底座下的4 支稱重傳感器的稱重數據，并計算其變化率（求導）。將給定流量r（t）與計算的流量的差值e（t）輸入到PID 控制器，PID 控制器經過計算輸出控制過程值給功率放大器（比例閥），協同液壓泵站驅動伺服液壓缸，通過閘門調節卸料流量y（t）。物料卸料過程中引起定量倉物料質量Q 的變化，計算dQ/dt 得出卸料流量，并返回到PID 控制器形成閉環控制。另外，裝載過程中不確定的干擾因素會引起卸料流量變化，包括定量倉料位變化形成的壓強變化對流量的影響、物料溫濕度及顆粒形狀對流量的影響等，將不確定的影響因素統一歸為干擾量disv。

根據粉狀物料的流量特性和閥門的阻尼特性[15]，將卸料閘門的傳遞函數近似為一階函數：

對比例閥控制的伺服液壓缸的傳遞函數可以近似為二階函數[16]：

3 系統建模及仿真

卸料執行器傳遞函數可近似定性為一個三階函數，對該傳遞函數利用PLC 進行建模仿真，采樣時間為0.3 s，取Tlag1=29.0 s，Tlag2=17.5 s，Tlag3=3.1 s，Glag1=1.2，Glag2=1.0。對PID 控制器參數進行系統辨識并獲取，辨識過程如圖4所示。流量輸出隨過程控制量變化，最終穩定在流量給定值。各曲線按照百分數標定進行記錄。根據系統參數辨識算出比例P 參數為7.29，積分I 作用時間為16.28 s，微分D 作用時間為4.11 s。

圖4 PID 參數系統辨識

用PID 控制器模擬堵料對流量控制影響的實驗，如圖5所示。在流量給定階躍（曲線3）的指令下，過程控制量（曲線1）及時反應，使流量輸出（曲線2）能夠及時跟隨給定到穩定狀態，耗時1.3 s 左右。當模擬堵料引起流量輸出跌落5 個流量單位后，過程控制量及時調整，使流量輸出及時跟隨給定，耗時1.1 s。

用PID 控制器模擬料位高低對流量控制影響的實驗，如圖6 所示。物料質量對卸料口產生的壓強隨著定量倉料位的降低也越來越低，卸料過程中壓強的降低對物料流量產生近似線性的負擾動（曲線4），引入該干擾量后，過程控制量（曲線1）及時調整使得流量輸出（曲線2）跟隨流量給定值（曲線3）。

圖5 堵料的影響

圖6 料位變化的影響

4 結語

研究基于PID 閉環流量控制方案，適用于裝儲不同物料時的均勻布料，給出的建模方法，能夠為卸料控制的PID 參數選擇提供參考。實驗結果表明，對三階傳遞函數模型的卸料執行器進行PID 控制，選取的PID 參數使流量控制跟隨性較好，對引入的干擾也能及時響應并調節，動態響應時間約1.3 s。