基于PID模糊算法的闭环控制技术在物料混合搅拌上的应用

关键词：模糊算法;闭环;物料混合

中图分类号：TP273     文献标识码：A 文章编号：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  以往物料混合设备所存在的一些问题

混合搅拌工艺已广泛应用于石化、药品、食品等诸多行业。在使用过程中所需要用到的材料，大多具有易燃易爆、有毒且具有腐蚀性的特质，因此工作的现场环境普遍十分恶劣，工人现场操作存在危害系数大等特点，此外生产要求也要求该系统需具有混合精确度高、控制可靠性高、工作效率高等诸多特点，这也造成目前人工操作设备和半自动化控制比较难实现。

由于可编程控制器（PLC）具有高可靠及稳定性、抗外界干扰能力强、整个控制系统的设计及制造工作量相对较小等优势，建成后具有维护方便、升级改造容易的特点，从更实用的角度来看，应用先进的检测技术及建立有效的数学模型，准确获得搅拌器中的各种技术数据，从而设计开发新型的搅拌设备，对现有的搅拌设备进行优化设计有着十分重要的意义。

2  PLC应用与物料混合搅拌设备的控制

本次设计由于采用可编程序控制器（PLC）的方案，以实现对沥青各物料进行配比、混合、搅拌的控制。依据混合、搅拌设备的各项功能特性、动作流程等，在设计过程中可以选用流量计、电磁阀来作为执行机构，实现控制液态物料的流入，以达到其控制目的。

依据混合搅拌工艺控制流程（如图1所示）的要求，可以理解此程序是非常典型的时间先后顺序控制系统。设计过程中可以按照设备运行的时间先后次序画出对应的流程图，再根据流程图来画PLC梯形图，最终用模拟仿真软件对程序进行仿真试运行。

3.1  混合物料工藝流程的分析

（1）首先依据混合物料A和物料B的混合比例通过传送皮带中的秤重计量传感器与流量计分别发送一个送料的信号;

（2）控制系统给各个电气设备上电，各个电气设备开始运行，搅拌电机M3带动搅拌器进行混合搅拌;

（3）物料A和B分别通过物料系统输送到由装有速度传感器和变频调速电机带动具有电子皮带秤的输送带上，由恒速电机带动的传输带将物料送进搅拌器中进行混合搅拌;

（4）变频调速系统的转速主要通过接受皮带秤的重量传感器所反馈的4-20MA电流信号强度和速度传感器反馈的脉冲信号，通过PLC中的模拟量转换成数字量的A/D模块，再进行PID运算，将输入的值不断与系统设置的给定值进行比较，再将差值由数字转换成模拟的D/A模块，输出反馈信号至变频器中。变频器根据这一反馈信号调节变频电机转速，达到定量给料的目的;

（5）输送物料A和B的同时，PLC控制打开电磁阀，物料C开始向搅拌器中输送，由流量传感器输出的反馈电流信号，经过PLC是A/D转换成数字信号，进行PID运算，将输入的信号与系统设置的给定值进行比较，再把差值经过D/A转换将信号发送到电动调节阀中，通过信号达到控制调节阀的开合度，达到定量给料的目的;

（6）将多种物料在搅拌器中进行混合搅拌，达到自动生产。

3.2  控制系统流程

控制系统启动流程是：

（1）启动反应器内的搅拌电机M3;

（2）打开物料C注入电磁阀;

（3）启动物料A的输送传送带电机M1、电子皮带秤、电磁流量计及PLC的电源。

根据电子皮带秤及电磁流量计所反馈的信号实时地调节变频调速系统，控制传送带速度以及调节阀，达到控制物料A及物料B的配比量的目的。

3.3  硬件系统设计

控制系统方案的要求物料A和物料B主要用到PLC的PID控制模块。PID控制理论上是根据反馈系统反馈回的误差，分别用比例、积分、微分算法计算出相应的控制量来进行調节控制。一旦被控端的结构和系统参数不符合系统需求时，或者得到的数学模型不够精确时、控制原理的其他方法、模型都难以应用时，控制系统的结构和参数设置必须依靠以往的经验和人工进行现场调试的方法进行最终的确定，这时使用PID控制则显得最为有效。

4  PID算法

PLC的PID模块设计是以连续控制系统的规律为原型，经过系统设计对其算法进行数字化处理，然后形成离散形式的PID算法方程式，最后依据离散算法方程来进行控制系统的程序设计。PID算法包括3项，分别为比例项、积分项和微分项。原理为：输出值=比例项+积分项+微分项。控制器在固定周期里进行数据采样并发送给控制器离散化后进行运算，具体运算方法如下：

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

比例项Kp×（SQe-QVe）：快速产生与偏差（SQe-QVe）成正比值调节的作用，比例系数Kp值越大，比例调节所起的作用越大，系统的动作越灵敏、速度越快、稳态误差缩小、静态稳定精度越高。但系数Kp值太大，输出数值振荡不稳加剧，系统将会趋于不稳定状态，Kp值太小系统动作又会变得缓慢。

积分项Kp×（Tx/Ti）×（SQe-QVe）+Dt：该项与偏差值幅度大小有关，只要偏差值不为0，PID控制器的输出值就会受积分作用影响而不断改变，一直到偏差值彻底消失，系统才会处于稳定状态，所以积分项的主要作用是消除稳态误差，提高系统的控制精度。积分项的动作反应缓慢，会导致系统的动态稳定性差，调整周期延长，一般不单独使用。积分项的时间常数Ti越大，积分项所起的作用越大，延缓了消除稳态误差的时间。

微分项Kp×（Td/Tx）×（QVe-1-QVe）：结合误差值发生变化的速度来进行相应的调节，具有预估的特点。微分时间常数Td偏大时，超调量较大，调节时间较短，动态属性性能得到相应改善;当数值Td过大，系统的相应输出量在接近稳态时可能反应缓慢。当数值Td偏小，超调量也较大，调节时间较长，只有数值Td合适时，才能使超调量较小，有效减少调节时间。

在工业自动控制系统里，根据实际应用情况可能只需要用到P、I、D三种控制中的某一种或者两种控制的类型。如只要用到比例控制或者比例和积分两项进行控制，可以选择设置参数对控制的类型进行选择。

目前在工业领域中广泛应用的PID控制器的理论基础以及其对连续系统性能指标的改善作用，实现了以误差和误差变化率为输入，利用模糊推理的方法对PID参数的在线自动整定。通过仿真结果可以看出，参数自整定模糊PID控制器控制效果优于传统PID控制器，提高了控制系统的动静态性能。这种混合系统把PID控制的简便性与灵活性融为一体，易于实现，便于工程应用，具有较强的实际意义，对进一步应用研究具有较大的参考价值。

5  设计的主要功能与创新点

可编程控制器（PLC）集合应用了时下计算机技术和自动控制技术等，具备高可靠性、模块化应用、程序结构灵活、简单直观、能耗低等诸多优点，成为在机电设备自动控制系统中应用最多的一种控制方式。

通过应用PLC对物料混合控制系统的控制，使用不同功能的辅助传送装置，使系统能够对不同属性的物料按照设定的程序进行混合，控制系统转换、添减功能灵活多样。应用PLC及模糊算法PID控制技术的物料混合自动化装置，具有代替人工在高温和危险的部分岗位作业区进行作业的作用，而且在物料配比产品发生变化或临时更换混合物料种类任务时，简单更改系统设定参数或更换程序即可方便地切换，能在最短时间内投产，降低拆装设备进行转换生产的时间和费用。

参考文献：

[1] 李皓，陈超波，高嵩，等.基于模糊算法的变步长电导增量法仿真研究 [J].自动化与仪表，2019，34（1）：84-88.

[2] 于志民.基于模糊神经网络的船舶锅炉水位控制优化及仿真模拟 [J].天津职业院校联合学报，2017，19（4）：116-122+128.

[3] 毛志慧，王艳.基于灰色模糊算法的机床产品制造系统能效评价方法 [J].计算机系统应用，2016，25（7）：1-7.

作者简介：李陟远（1991.10-），男，汉族，安徽宿松人，技术员，助理工程师，本科，研究方向：机械设计制造及自动化。