北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 劉 勇 虎恩典 胡時(shí)高

1.引言

1.1 項(xiàng)目背景

隨著科技、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各行業(yè)的生產(chǎn)都在向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，一方面提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面為降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)競爭能力。但在高耗能、高污染的金屬鎂產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)過程中，球團(tuán)壓制過程仍舊是人工調(diào)節(jié)，自動(dòng)化程度極低，基本都是人工調(diào)節(jié)，對(duì)人力資源需求大且產(chǎn)能無保障等缺點(diǎn)，因此應(yīng)某金屬鎂企業(yè)的要求開發(fā)穩(wěn)定性高、實(shí)用性強(qiáng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2 金屬鎂球團(tuán)壓制工藝

國內(nèi)金屬鎂的生產(chǎn)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(tuán)，再在1100℃真空爐內(nèi)加熱進(jìn)行還原，生成鎂蒸氣及其他物質(zhì)，再將鎂蒸氣冷凝回收鑄成鎂錠。現(xiàn)在我們需要開發(fā)的是關(guān)于球團(tuán)壓制的控制系統(tǒng)。圖1.1為球團(tuán)壓制設(shè)備示意圖：

圖1.1 球團(tuán)壓制設(shè)備示意圖

由圖1.1可知，該機(jī)構(gòu)主要由給料螺旋機(jī)、預(yù)壓機(jī)和壓球機(jī)三部分組成。給料螺旋機(jī)將料倉內(nèi)的料輸送到預(yù)壓艙內(nèi)，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓機(jī)的轉(zhuǎn)速盡而控制出料量，出料量的多少直接影響著壓球機(jī)的電流，即主機(jī)電流，長期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)料充足時(shí)主流增大，否則減小，只有在保證主機(jī)電流維持在一定強(qiáng)度范圍之內(nèi)，球團(tuán)質(zhì)量及生產(chǎn)效率才能提高。壓球機(jī)是由一對(duì)帶有均勻凹槽的石輥組成，通過油壓系統(tǒng)來控制兩個(gè)輥?zhàn)又g的距離，在生產(chǎn)過程中兩者之間的距離是固定的。

目前螺旋機(jī)和預(yù)壓機(jī)的轉(zhuǎn)速都是由人工根據(jù)主機(jī)電流的大小來調(diào)節(jié)的，其系統(tǒng)框圖如圖1.2所示：

圖1.2 人工調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電磁調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓機(jī)和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過傳動(dòng)裝置達(dá)到調(diào)節(jié)主電機(jī)的電流，由圖可知該系統(tǒng)是一個(gè)局部閉環(huán)而整體開環(huán)的控制系統(tǒng)。因此，從產(chǎn)能及人力資源各方面來講，開發(fā)新的自控控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

2.控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

我們需要設(shè)計(jì)一閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，盡量減少人為干預(yù)，該系統(tǒng)要穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，主機(jī)電流維持在120A(±10%)，操作上越簡單越好。設(shè)計(jì)的難度在于此系統(tǒng)是一個(gè)干擾較多且有大滯后特性的非線性系統(tǒng)，增加了對(duì)被控對(duì)象的控制難度。經(jīng)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(diào)節(jié)器)和調(diào)速控制器相結(jié)合方案。二是采用歐姆龍PLC、變頻器與調(diào)速控制相結(jié)合方案。

2.1 模擬電路控制方案

該方案是設(shè)計(jì)一個(gè)兩路輸出的PI調(diào)節(jié)器代替人工調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)直接去調(diào)節(jié)預(yù)壓機(jī)和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過傳動(dòng)裝置起到調(diào)節(jié)主機(jī)電流的目的，通過電流互感器和電流變送器將主機(jī)電流轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與主電流設(shè)定值形成誤差信號(hào)送入調(diào)節(jié)器中，進(jìn)行PI計(jì)算輸出控制信號(hào)，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如2.1所示：

圖2.1 PI調(diào)節(jié)方案系統(tǒng)控制框圖

其中的PI調(diào)節(jié)器是由模擬電路搭建而成，由PI調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器電路框圖

此方案最大的特點(diǎn)就是成本低，經(jīng)過試驗(yàn)，在一定程度上收到好的控制效果，驗(yàn)證了此思路的可行性，但弊端較多，穩(wěn)定性低且抗干擾能力差，只能進(jìn)行單方向調(diào)節(jié)，進(jìn)行PI參數(shù)修改非常困難，因此將主控制該用歐姆龍PLC。

2.2 數(shù)字控制器方案

該方案是將方案一中的PI調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)預(yù)壓機(jī)和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上這是一種變頻調(diào)速方案。原理結(jié)構(gòu)如2.3框圖所示：

圖2.3 歐姆龍PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電流互感器與變送器作為主機(jī)電流檢測模塊，將轉(zhuǎn)換出來的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，與主電流設(shè)定值做差形成誤差信號(hào)送入PLC中進(jìn)行雙PID運(yùn)算，輸出的數(shù)字控制量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，變?yōu)槟M控制量分別作用到變頻器1和變頻器2進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)預(yù)壓機(jī)和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速的改變來調(diào)節(jié)出料量，最終達(dá)到控制主機(jī)電流的目的。當(dāng)主機(jī)電流增大時(shí)，自動(dòng)把預(yù)壓機(jī)與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)低，反之，則增大轉(zhuǎn)以增加料的進(jìn)給量，使主機(jī)電流增大。

圖2.3中的預(yù)壓機(jī)轉(zhuǎn)速給定和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速給定可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)軟啟動(dòng)的功能，這是出于對(duì)設(shè)備運(yùn)行的安全性考慮設(shè)計(jì)的。

3.控制系統(tǒng)核心算法

3.1 常規(guī)PID與改進(jìn)的PID控制算法

目前工業(yè)控制中比較成熟的計(jì)算機(jī)控制算法是PID控制算法，此控制算法，軟件系統(tǒng)的靈活易修改完善的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，因此PID數(shù)字控制器在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達(dá)式為：

式中，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)為偏差信號(hào)；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，為了能使計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)式(3-1)，必須將其離散化，離散化后得到PID位置式表達(dá)式為：

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

常規(guī)PID控制算法在誤差擾動(dòng)突變時(shí)，顯示出微分項(xiàng)的嚴(yán)重不足。由于本系統(tǒng)就是一個(gè)外擾動(dòng)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(tǒng)，為了克服上述缺點(diǎn)，在PID算法中加一個(gè)低通濾波器，直接加在微分環(huán)節(jié)上，構(gòu)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(tǒng)采用微分先行的不完全微分PID算法，其調(diào)節(jié)器控制輸出傳遞函數(shù)為：

通過調(diào)節(jié)Kp、Ti、Ts、Td、Tf的大小來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

經(jīng)過多次在現(xiàn)場試驗(yàn)，粗略的得出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，傳遞函數(shù)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(yīng)曲線

通過比較發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的PID比常規(guī)PID的超調(diào)量小，響應(yīng)時(shí)間也快。

(2)擾動(dòng)特性的仿真：

圖3.3 兩種PID擾動(dòng)特性響應(yīng)曲象

其它參數(shù)不變，僅使Td=545，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖3.4所示：

圖3.4 兩種PID擾動(dòng)特性響應(yīng)曲象

由仿真結(jié)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(guī)PID控制效果要好，尤其在大滯后、干擾多的控制系統(tǒng)有較好效果。

3.3 PID參數(shù)的整定

經(jīng)過MATLAB軟件仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)法得出一組最佳PID控制參數(shù)范圍如表3-1所示：

表3-1 最佳PID控制參數(shù)

4.設(shè)計(jì)總結(jié)及展望

4.1 設(shè)計(jì)總結(jié)

從算法上，采用改進(jìn)的PID算法比常規(guī)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(duì)象干擾較多且大滯后的控制系統(tǒng)中，采用改進(jìn)的微分先行的不完全微分PID算法能更好的提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)。

采用PLC、變頻器與調(diào)速控制器相結(jié)合的方案，在現(xiàn)場試驗(yàn)中，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高了，抗干擾能力也增強(qiáng)了，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓機(jī)和給料螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，主機(jī)電流基本能維持在120A(±20A)范圍內(nèi)，基本滿足了廠方的控制要求。

4.2 展望

從該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)控制效果還不夠完善，因此作出下一步的工作規(guī)劃：

首先，由于制造工藝的特殊性，因此要進(jìn)一步研究被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行精確建模，實(shí)現(xiàn)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(shù)可以自適應(yīng))，增強(qiáng)抗擾動(dòng)能力。

最后，建立組態(tài)界面，工作人員可以在控制室了解具體的生產(chǎn)情況。

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