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(tǒng)，能快速將散裝物料定重裝載到以一定速度行進(jìn)中的列車/汽車車廂中，適用于礦山企業(yè)煤炭運(yùn)輸、港口物料儲(chǔ)運(yùn)及其他工業(yè)物料儲(chǔ)運(yùn)[1-2]，其自動(dòng)化水平直接影響著工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)在儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)中的應(yīng)用，裝車站自動(dòng)化水平不斷提高，但對(duì)行走過(guò)程中的車廂實(shí)現(xiàn)均勻流量控制還存在問(wèn)題[3-6]，具體表現(xiàn)在待裝散裝物料受料種密度、顆粒體狀不同且其流動(dòng)性不相同，容易受環(huán)境溫濕度的影響。卸料流量控制對(duì)主觀經(jīng)驗(yàn)依賴較大且裝車效果不好，需操作工全程通過(guò)肉眼觀察車廂料位高度和卸料倉(cāng)料位情況，并隨時(shí)調(diào)節(jié)閘門開度。對(duì)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(jìn)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(chǎn)是企業(yè)發(fā)展的主線，智能化是工業(yè)控制的發(fā)展方向。針對(duì)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(dòng)化水平不高、裝車人員工作強(qiáng)度大等問(wèn)題，利用PID 閉環(huán)控制[6-12]理論將物料裝載各個(gè)部分銜接到一起，形成裝載鏈節(jié)協(xié)同、流量閉環(huán)調(diào)節(jié)、裝載自動(dòng)化的控制模式，能夠減員增效、提升物料儲(chǔ)運(yùn)的智能化水平。

1 裝車站卸料控制工藝分析

裝車站自動(dòng)化定量裝車系統(tǒng)基于大型料斗秤的工作原理[1]，在定量倉(cāng)按車廂載重稱重后，通過(guò)控制卸料閘門和溜槽進(jìn)行裝載，實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速定量裝車。卸料執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括定量倉(cāng)、卸料閘門、卸料溜槽、閘門驅(qū)動(dòng)油缸等，具體如圖1所示。

定量倉(cāng)支架與主支撐結(jié)合處裝設(shè)的稱重傳感器，是物料計(jì)量的測(cè)量元件。定量倉(cāng)下口裝設(shè)卸料閘門，該閘門由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，液壓油缸的伸縮由液壓系統(tǒng)的比例閥控制調(diào)節(jié)。定量倉(cāng)卸料閘門下方裝設(shè)可擺動(dòng)裝車溜槽，該溜槽與定量倉(cāng)下口通過(guò)軟連接材料搭接。

圖1 裝車站卸料結(jié)構(gòu)圖

卸料裝車前需按照車廂核定載重對(duì)定量倉(cāng)定重充料。當(dāng)行進(jìn)中的車廂進(jìn)入溜槽卸料口時(shí)，打開卸料閘門對(duì)車廂進(jìn)行裝料。設(shè)車廂核定載重為Q，額定裝車物料流量為q，車廂長(zhǎng)度為L(zhǎng)，車輛行進(jìn)速度為v，裝車時(shí)間為t，由時(shí)間相等原則不難得出等量公式：

當(dāng)確定車廂長(zhǎng)度和核定載重后，額定裝車物料流量與車輛行進(jìn)速度有關(guān)，當(dāng)要求裝車時(shí)間盡量短時(shí)，需適當(dāng)提高車廂行進(jìn)速度并加大閘門開度。同時(shí)，為了使裝車布料均勻，車輛應(yīng)以穩(wěn)定的速度行進(jìn)。由于卸料過(guò)程存在時(shí)滯特性，理想的裝車物料流量輸出不是固定不變的，而是實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的。裝車過(guò)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(jìn)入溜槽卸料口和離開卸料口時(shí)刻，q1為額定裝車物料流量。為了避免灑料，在車廂進(jìn)入裝載位置t1時(shí)刻時(shí)，才允許打開卸料閘門，此后物料流量有一個(gè)由0 到最大值q2過(guò)渡的過(guò)程，用以消除卸料時(shí)滯特性帶來(lái)的影響，然后維持在一個(gè)穩(wěn)定的額定流量q1；在車廂離開裝載位置t2時(shí)刻前，卸料閘門有一個(gè)由完全打開到完全關(guān)閉的過(guò)程，提前放大流量輸出并及時(shí)關(guān)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(shí)時(shí)控制對(duì)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(huán)控制設(shè)計(jì)

物料流量是一個(gè)可控量，是實(shí)時(shí)流量和累積流量的統(tǒng)稱[13]，即單位時(shí)間內(nèi)物料流經(jīng)測(cè)量裝置的量。對(duì)于介質(zhì)分布不均勻、顆粒形狀不規(guī)則的物料流或顆粒物料流很難實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)物料流量的測(cè)量和控制對(duì)于裝車效率和企業(yè)效益具有重要的影響。

卸料閘門是裝車站控制系統(tǒng)的重要組成部分，用來(lái)對(duì)散裝物料的流量和或流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，但對(duì)閘門控制流量的輸入和輸出之間的關(guān)系難以用一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述[14]。不僅是因?yàn)殚l門控制的非線性，還因?yàn)殚l門卸料輸出特性的非線性[15]難以計(jì)算。當(dāng)閘門前后物料壓力固定時(shí)，僅與閘門開度有關(guān)，閘門閘位變化以及定量倉(cāng)物料儲(chǔ)量的變化，使閘門前后壓力隨之變化，使流量增益的計(jì)算困難。由于物料流動(dòng)性及其他環(huán)境等因素的影響也會(huì)引起流量的變化，流過(guò)閘門的物料流量控制與閘門的開度不能以簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系來(lái)表征。由于數(shù)學(xué)模型不確定，需要對(duì)控制模型進(jìn)行分解研究，以滿足流量實(shí)時(shí)控制的要求。

數(shù)字PID 控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是一種最普遍采用的控制方法，在機(jī)電、冶金、機(jī)械、化工、能源等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[7]。PID 控制器根據(jù)過(guò)程控制的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量并進(jìn)行控制。對(duì)裝車卸料控制進(jìn)行PID 設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 卸料控制系統(tǒng)圖

將卸料控制系統(tǒng)劃分為控制器部分和執(zhí)行器部分：控制器為控制系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)流量的閉環(huán)控制；執(zhí)行器為控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括閘門、驅(qū)動(dòng)閘門的油缸以及液壓系統(tǒng)。卸料流量的測(cè)量采用間接測(cè)量的方式，即通過(guò)實(shí)時(shí)采集安裝在定量支撐底座下的4 支稱重傳感器的稱重?cái)?shù)據(jù)，并計(jì)算其變化率（求導(dǎo)）。將給定流量r（t）與計(jì)算的流量的差值e（t）輸入到PID 控制器，PID 控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出控制過(guò)程值給功率放大器（比例閥），協(xié)同液壓泵站驅(qū)動(dòng)伺服液壓缸，通過(guò)閘門調(diào)節(jié)卸料流量y（t）。物料卸料過(guò)程中引起定量倉(cāng)物料質(zhì)量Q 的變化，計(jì)算dQ/dt 得出卸料流量，并返回到PID 控制器形成閉環(huán)控制。另外，裝載過(guò)程中不確定的干擾因素會(huì)引起卸料流量變化，包括定量倉(cāng)料位變化形成的壓強(qiáng)變化對(duì)流量的影響、物料溫濕度及顆粒形狀對(duì)流量的影響等，將不確定的影響因素統(tǒng)一歸為干擾量disv。

根據(jù)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(shù)近似為一階函數(shù)：

對(duì)比例閥控制的伺服液壓缸的傳遞函數(shù)可以近似為二階函數(shù)[16]：

3 系統(tǒng)建模及仿真

卸料執(zhí)行器傳遞函數(shù)可近似定性為一個(gè)三階函數(shù)，對(duì)該傳遞函數(shù)利用PLC 進(jìn)行建模仿真，采樣時(shí)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(duì)PID 控制器參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)并獲取，辨識(shí)過(guò)程如圖4所示。流量輸出隨過(guò)程控制量變化，最終穩(wěn)定在流量給定值。各曲線按照百分?jǐn)?shù)標(biāo)定進(jìn)行記錄。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)算出比例P 參數(shù)為7.29，積分I 作用時(shí)間為16.28 s，微分D 作用時(shí)間為4.11 s。

圖4 PID 參數(shù)系統(tǒng)辨識(shí)

用PID 控制器模擬堵料對(duì)流量控制影響的實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。在流量給定階躍（曲線3）的指令下，過(guò)程控制量（曲線1）及時(shí)反應(yīng)，使流量輸出（曲線2）能夠及時(shí)跟隨給定到穩(wěn)定狀態(tài)，耗時(shí)1.3 s 左右。當(dāng)模擬堵料引起流量輸出跌落5 個(gè)流量單位后，過(guò)程控制量及時(shí)調(diào)整，使流量輸出及時(shí)跟隨給定，耗時(shí)1.1 s。

用PID 控制器模擬料位高低對(duì)流量控制影響的實(shí)驗(yàn)，如圖6 所示。物料質(zhì)量對(duì)卸料口產(chǎn)生的壓強(qiáng)隨著定量倉(cāng)料位的降低也越來(lái)越低，卸料過(guò)程中壓強(qiáng)的降低對(duì)物料流量產(chǎn)生近似線性的負(fù)擾動(dòng)（曲線4），引入該干擾量后，過(guò)程控制量（曲線1）及時(shí)調(diào)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(jié)語(yǔ)

研究基于PID 閉環(huán)流量控制方案，適用于裝儲(chǔ)不同物料時(shí)的均勻布料，給出的建模方法，能夠?yàn)樾读峡刂频腜ID 參數(shù)選擇提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)三階傳遞函數(shù)模型的卸料執(zhí)行器進(jìn)行PID 控制，選取的PID 參數(shù)使流量控制跟隨性較好，對(duì)引入的干擾也能及時(shí)響應(yīng)并調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約1.3 s。