1　引　言
在塑料工业的造粒设备中,助剂配料系统大多采用振动给料和皮带给料两种形式。振动配料器在遇到粉粒较细、熔点较低的助剂料时,经常会出现堵塞的情况,迫使主生产流程中断。皮带秤配料系统虽能避免堵塞情况的发生,却往往受皮带张力变化等多方面因素影响,控制精度达不到理想效果。在某石化企业的技术改造项目中,我们结合皮带秤配料系统本身的工作原理及相关物料特性,提出采用传统的PID和模糊控制算法相结合的控制策略。经过一段时间的生产应用,表明该控制方案能完全满足工艺精度需求,控制效果简单有效。
2　系统介绍
该企业早期建设的造粒配料系统皮带配料秤采用德国申克公司生产的计量秤,原内部集成MULTICONT控制系统。因为开放性差,在系统异常时维护困难,决定进行技术改造,以性能可靠的PLC控制系统取而代之。
系统运行时,由给料装置使物料随皮带传动下料,卸料口的挡板设计,保证了落到单位长度皮带上的物料厚度不变。料仓下方的称重传感器实时地将称重信号传送到控制器SIMATICS72300PLC。通过计算前后两次采样的称重值差,控制器实现对流量的计算v=Δm/t(kg/h)。获得的实时流量与给定值比较后,控制器调节输出到控制电机转速的变频器电流i,从而使下料速度稳定在设定值上。
3　系统控制实现
常规PID控制器是一种应用最为广泛的控制方式,它的最大优点在于算法简单、可靠性高,缺点是难以控制非线性、时变和机理复杂的过程;而单纯模糊控制器尽管能对难以建模的复杂过程进行有效控制,但却不能消除配料控制系统的稳态误差,容易在平衡点附近产生小幅振荡,影响了过程控制的效果[1]。针对本系统,被控量i(4～20mA),控制量Δv=v-vs(vs为设定负荷),采用Fuzzy2PID复合控制策略:当偏差较大时采用Fuzzy控制,当偏差减小到较小范围时采用PID控制方式。两种控制模式并行能使得系统响应时间缩短,同时明显地消除稳态误差。
3.1　控制模式选择切换

系统运行过程中控制模式的在线切换,是利用PLC程序中的软件开关实现。工艺要求助剂下料控制精度达4%,结合各助剂常规负荷,令7%vs为大小偏差分界值,设定规律如下:当|Δv|=|v-vs|≤7%vs时,采用PID控制策略;当|Δv|=|v-vs|≥7%vs时,采用Fuzzy控制策略。为避免在控制策略切换时出现值跳变扰动,当Fuzzy控制策略向PID控制策略切换时,调节器的输出将保持Fuzzy控制策略下的输出值if,直到PID控制器输出|ip|≤|if|;PID控制策略向Fuzzy控制策略切换时,调节器的输出将保持PID控制策略下的输出值ip,直到Fuzzy控制器输出|if|≥|ip|。
3.2　PID控制器(CONT_C)设计
STEP7软件中相关PID功能块有3种:连续控制器(CONT_C)、开关控制器(CONT_S)和脉冲宽度调制器(PULSEGEN)。本系统输入的称重信号和输出的电流信号均为I/O模拟量,选择连续控制器(CONT_C)进行调节符合本设计的实际应用。连续控制器内部PID作为一种位置算法进行控制,比例、积分及微分运算并行连接。PID调节控制在定时中断OB35功能块中完成,为避免系统紊乱,确保中断间隔值比OB35中程序运行时间长。PID控制参数(比例系数kP、积分时间tI和微分时间tD)的整定在现场的反复试验中完成:初期先关闭积分项和微分项,比例度按经验数据给定,根据过程值PV的趋势曲线整定比例系数使PV达4∶1的衰减振荡;将比例度加至原来1.2倍后,将积分时间tI由大到小调节整定至PV曲线再次得到4∶1衰减振荡;将比例系数kP调回原值后,微分时间tD以(1～1)tI给定后从小到大调节,直至PV曲线再43次成形。
3.3　Fuzzy控制器设计
采用Mamdani推理法把对应于当前输入值的所有有效规则推理得出的控制量的模糊子集相“并”,再根据重心法公式if=ρ[xiμN(xi)]当|Δv|=|v-vs|≥7%vs时,系统构建Fuzzy二维控制模型。精确量下料速度误差Δv、误差变化率c=dΔv分别在区间[-6,6]及[-6,6]中进行数dt值量化处理,得到模糊量E和C。控制器输出语言变量为模糊电流量I。对应模糊子集分为七档:E=C=I={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},其论域均为:E=C={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},I={-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。决定Fuzzy控制器品质的模糊规则,是根据控制原理及现场实际经验总结得出的。在软件实现中用“IF……THEN……”的结构表达,条件选择中可以ρμN(xi)对输出控制量进行模糊判决,可以求得I[2～4]。在PLC程序中,以模糊控制量查询表的方式实现PLC对于变频器的智能模糊控制。
4　总结
结合工程实际的改造后,该方案下运行的PLC控制机构已成功取代原设备。全系统长时间稳定运行,其控制精度、性能指标完全满足生产需要。
本设计有效解决了以往皮带秤配料系统存在的系统误差较大、动态特性不理想的问题,提高了系统的控制准确度和可靠性,为控制螺旋配料秤、圆盘配料秤等其他配料装置探索了一种可行的方案。

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