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一種新型高性能皮帶秤配料系統(tǒng)

上海香川電子衡器有限公司

[摘要] 針對(duì)皮帶秤配料系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中遇到的多種干擾問(wèn)題，應(yīng)用過(guò)程控制理論中的前饋控制技術(shù)，提出一種新的抗干擾的配料過(guò)程控制方案，不但提高了系統(tǒng)配料準(zhǔn)確度，使皮帶秤的動(dòng)態(tài)配料過(guò)程更加理想，而且使系統(tǒng)能應(yīng)用于更多的場(chǎng)合，滿(mǎn)足更高的工藝要求。

一、引言

企業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)大都采用以下控制模式，如圖1所示，稱(chēng)為單回路反饋控制系統(tǒng)，它能夠滿(mǎn)足自動(dòng)配料系統(tǒng)工藝生產(chǎn)的基本要求，是一種最基本、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。

工作原理是：物料通過(guò)給料設(shè)備送至配料皮帶秤，秤體中的稱(chēng)重傳感器和測(cè)速傳感器將稱(chēng)重和速度信號(hào)送至皮帶秤儀表，皮帶秤儀表顯示輸送物料的瞬時(shí)流量、累計(jì)量等數(shù)據(jù)，同時(shí)將瞬時(shí)流量以4～20mA模擬電流形式送往PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值的偏差，通過(guò)變頻器去調(diào)整皮帶秤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之精確地以用戶(hù)設(shè)定的給料流量給料，達(dá)到恒定物料瞬時(shí)流量的目的。適用該工作模式的工藝現(xiàn)場(chǎng)必須滿(mǎn)足這樣一個(gè)前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。

在有些工藝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同的情況，如：用戶(hù)的給料裝置給出的物料，其粒度、濕度等指標(biāo)很不穩(wěn)定，這些干擾使皮帶秤上通過(guò)的單位體積的物料密度不斷發(fā)生變化，造成瞬時(shí)流量發(fā)生較快變化；與此同時(shí)，整個(gè)閉環(huán)控制回路中包含有傳感器、皮帶秤儀表、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、電機(jī)等多個(gè)裝置，當(dāng)物料瞬時(shí)流量不斷變化時(shí)，各裝置存在一定的響應(yīng)時(shí)間，變頻器和電機(jī)的加減速亦存在無(wú)法消除的上升和下降時(shí)間，使整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程相對(duì)于測(cè)量量的變化呈現(xiàn)大滯后，調(diào)節(jié)不及時(shí)；而且PID調(diào)節(jié)器只有在輸入測(cè)量量和設(shè)定量之差后，才輸出調(diào)節(jié)指令，即輸入測(cè)量量和設(shè)定量之間必定存在一定的靜差。

在上述情況下，單回路反饋控制效果很不理想，為此，就需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的高性能過(guò)程控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)即是其中的一種。

二、前饋控制的基本原理

前饋控制與單回路反饋控制系統(tǒng)不同，它可直接按照引起流量變化的干擾的大小進(jìn)行控制，在這種系統(tǒng)中，當(dāng)由于外部干擾引起給料流量發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)器一檢測(cè)到測(cè)量量的變化，就發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)量做相應(yīng)的變化，使調(diào)節(jié)輸出與干擾量相互抵消，保證物料流量穩(wěn)定，因此，前饋調(diào)節(jié)可以有效地克服干擾引起的流量變化。

單純的前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，將它與反饋控制系統(tǒng)結(jié)合組成的前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，可一方面利用前饋控制有效地減少干擾對(duì)被控參數(shù)---給料流量的動(dòng)態(tài)影響，另一方面則利用反饋控制使給料流量穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而保證了系統(tǒng)較高的控制準(zhǔn)確度。圖2為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的方框圖。

圖中，干擾F(S)作用到輸出被控量之間存在著兩個(gè)傳遞通道：一個(gè)是F(S)通過(guò)過(guò)程干擾通道G_F(S)去影響輸出量Y(S)，另一個(gè)從F(S)出發(fā)經(jīng)前饋控制器G_B(S)產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過(guò)程控制通道G_O(S)去影響輸出量Y(S)。輸入量X(S)與干擾量F(S)對(duì)輸出的影響為：

若要實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾F(S)的完全補(bǔ)償，則上式第二項(xiàng)應(yīng)為零，則復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程為：
1+G_C(S） G_O(S)=0
該方程決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因與前饋控制器G_B(S)無(wú)關(guān)，所以反饋系統(tǒng)加入前饋控制器后，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可先設(shè)計(jì)反饋部分，使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)后，再設(shè)計(jì)前饋部分，進(jìn)一步消除干擾對(duì)輸出的影響。

三、前饋控制系統(tǒng)在電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)中的應(yīng)用

電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3中的調(diào)節(jié)及前饋部分可使用計(jì)算機(jī)或高級(jí)過(guò)程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如霍尼威爾公司的UDC6300過(guò)程控制器，它內(nèi)部具備前饋加法器，輸入前饋信號(hào)后，經(jīng)比例/偏移運(yùn)算，直接與PID運(yùn)算輸出相加作為最終調(diào)節(jié)輸出給變頻器。

皮帶秤儀表將測(cè)量到的瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)化為兩個(gè)4～20mA模擬輸出信號(hào)，一個(gè)作為PID調(diào)節(jié)器的反饋輸入與調(diào)節(jié)器機(jī)內(nèi)設(shè)定植比較參與反饋運(yùn)算，另一個(gè)作為PID調(diào)節(jié)器的前饋輸入乘前饋放大系數(shù)，然后再與反饋運(yùn)算輸出相加輸出4～20mA模擬調(diào)節(jié)信號(hào)控制變頻器的頻率從而及時(shí)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。單回路前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)較為實(shí)用可行的電原理圖如圖4所示。

該控制系統(tǒng)已在化工、電力、冶金等行業(yè)中得到應(yīng)用，實(shí)踐表明采用該方案的控制系統(tǒng)其準(zhǔn)確度指標(biāo)令人滿(mǎn)意，可以滿(mǎn)足用戶(hù)較高的工藝要求。

四、前饋控制的應(yīng)用原則

1、當(dāng)系統(tǒng)中存在變化頻率高，幅值大、可測(cè)而不可控的干擾時(shí)，普通反饋控制難于克服此類(lèi)干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，而生產(chǎn)工藝對(duì)被控參數(shù)的要求又十分嚴(yán)格，為改善和提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，可引入前饋控制。
2、當(dāng)過(guò)程控制通道滯后大，其時(shí)間常數(shù)比干擾通道的時(shí)間常數(shù)大，反饋控制不及時(shí)，可引入前饋控制。
3、前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的投資要高于普通的單回路反饋控制系統(tǒng)，具備前饋接口的過(guò)程控制器的價(jià)格大大高于普通的PID調(diào)節(jié)器，如果用戶(hù)對(duì)生產(chǎn)的工藝性要求不高，資金有限，則不必盲從。
4、若控制系統(tǒng)中某一部分的干擾變化特別激烈，而且幅度大，則可在系統(tǒng)中增加副回路，構(gòu)成串級(jí)控制回路，組成前饋-反饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)，控制效果更好。