基于PID增益模糊调整的核子秤恒流控制系统在制丝线的应用

[摘 要]在核子皮带秤传统PID控制器的基础上．通过大量的实际生产数据和获取的控制经验，利用模糊推理的方法制定模糊控制规则表，确定模糊增益调整参数。实现对PID增益的在线自动整定，大大提高了核子皮带秤物料恒流控制的稳定性、可靠性和准确性，取得了较好的控制效果。 传统PID控制器结构简单，具有一定的鲁棒性，容易实现，稳态无静差，控制精度高，能满足大工业过程的要求，长期以来广泛应用于工业过程控制，并取得了良好的控制效果。但是，大多数工业过程不同程度地存在非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性等特点，普通的PID控制器难以获得满意的控制效果。 为了克服传统PID控制器的缺点，利用模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强的特点，将模糊控制与PID控制器结合起来，扬长避短，实现核子皮带秤物料恒流控制系统PID控制器的增益模糊在线自动整定就是一种典型的应用。 1 核子秤恒流控制系统 核子皮带秤作为一种新型的先进在线非接触式计量设备，被广泛应用于烟草、化工、水泥、食品等行业，其恒流控制系统对于稳定物料流量、保证产品质量方面具有重要作用，是烟草、食品、化工等行业物料恒流量的关键控制技术。 核子皮带秤的恒流控制系统主要由三大部分组成：物料流量测量系统、电气控制系统、输出调节系统。物料流量测量系统主要是通过γ射线源发出的射线穿过物料后产生一定的衰减，电离室将测量到的射线信号通过模数转换器送到PLC控制器。电气控制系统则主要将接收到的流量信号与设定的标准流量信号进行对比，并通过一定的软件程序进行处理，产生流量输出控制信号；输出调节系统则主要由变频器及皮带调速电机组成，控制系统产生的流量输出控制信号送到变频器，由变频器控制皮带电机转速，从而实现流量的调节与控制。 2 增益模糊调整PID控制器的设计 2．1 模糊控制系统结构 增益模糊调整PID控制器的系统结构主要由参数可调PID和模糊控制系统两部分构成，其结构如图1所示。 PID控制器实现对系统的控制，模糊推理系统以误差e和误差变化率ec作为输入，采用模糊推理方法对PID参数Kp、Kd、Ki进行在线整定，以满足不同的误差e和误差变化率ec对控制器参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动态、静态性能。 2．2 PID控制器参数自整定原则 通常，PID控制器的控制算式为： 针对不同的e和ec，总结出了一套Kp，Ki、Kd、的整定原则： (1)当｜e｜较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的Kp与较小的Kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取足Ki=0； (2)当｜e｜和｜e｜中等大小时，为使系统具有较小的超调，Kp应取得小些。在这种情况下，Kd的取值对系统的影响较大，应取得小一些，Ki的取值要适当。 (3)当｜e｜较小时，为使系统具有较好的稳定性能，Kp与Ki均应取得大些，同时为避免系统在设定值出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当｜e｜较大时，Kd可取得小些；｜ec｜较小时，Kd可取大一些。 2．3 输入模糊化 根据要求，用于PID参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式。该控制器是以｜e｜和｜ec｜作为输入，以Kp、Ki、Kd作为输出。通过检测输入变量｜e｜和｜ec｜的值，进行标尺变换，将输入变量值变换成相应的论域，将输入数据转换成合适的语言值。 2．4 各变量隶属度函数的确定 输入语言变量｜e｜和｜ec｜的论域均为{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，输出语言变量Ki、Kp、Kd的论域均为{0，1，2，3，4，5，6}，其隶属度函数分别如图2和图3所示。 2．5 制定模糊控制规则 在核子皮带秤物料恒流控制系统中，PID增益模糊控制规则的形式为 在给定误差和误差变化率的情况下，比例、积分、微分系统Kp、Ki、Kd由模糊控制规则相应地确定。 3 增益模糊调整PID控制器在核子皮带秤恒流控制系统中的应用 核子皮带秤以设定的标准值控制恒定的物料流量，以达到控制产品质量或重量的目的。在许多应用场合，如烟草制丝生产线，烟丝流量并不是呈现一定的线性关系，而是具有一定的时变性，在过去的PID控制中，参数K等是根据一般的控制经验设定后而一直不变的，这样在物流流量呈现不规则变动，具有时变性时，这种不变参数PID控制器的效果受到很大的影响。 通过上述增益模糊调整规则，通过PLC编辑相应的程序，可以在线实时修改增益参数，从而实现物料流量非线性而相对应的PID增益调整参数，以达到减小超调和增加控制精度的目的。 4 应用效果 本控制系统已应用于济南卷烟厂制丝线，经过2年多的使用，效果良好，达到了较高控制精度的要求。在生产现场采集数据进行计算分析表明，应用具有增益模糊调整的PID恒流控制系统较传统PID控制器效果要好，可进一步提高烟草产品质量。