电子皮带秤配料系统的模糊PID控制

1、. . . 摘要随着科学技术的不断发展，电子皮带秤配料系统已在煤炭、化工、烟草、冶金、建材等行业中广泛应用。目前大多数皮带秤配料系统仍然是采用传统的PID控制算法，灵敏度较高，可以说在理论上调节是能做到无误差的，或者说在误差较小的围的确很有优势，但是出现较大误差时，其动态特性并不是很理想，超调量一般较大。所以，本课题设计了一套更为合理高效的电子皮带秤配料系统，本设计主要针对皮带秤配料系统中配料这一环节，采用模糊PID和传统PID控制相结合的方法。同时用PLC控制和组态软件对皮带秤配料系统中配料这一环节实现自动控制，可以调节误差较大时，超调量也较大的问题。本课题主要容包括皮带秤的原理与组成，系统

2、的总体设计，模糊控制算法结合本系统的分析以与采用MATILAB进行模糊PID控制仿真。首先，在论文中阐述了现有皮带秤的现状与实际工艺中遇到的难点问题，给出自己的设计方案。在保证系统称量精度与控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。从而提高系统的统总体设计方案和基本组成；配料皮带秤的工作原理与总体控制方案；称重传感器和测速传感器的选择；电机调速方式的选择等；然后，在第三章中阐述模糊PID的设计。通过系统分析结合配料系统的现场实际工作情况，由模糊控制技术的理论，给出模糊控制结构框图。根据模糊控制器的设计步骤，设计出与传统PID相结合的模糊PID控制器。解决了皮带秤配料系统的控制与误差调节问题，从而

3、提高配料系统的配料速度与精度。 论文中用两章的篇幅分别介绍了PLC控制和MATLAB仿真，第四章讲述系统电气部分的组成以与PLC控制使输煤现场的配料系统按要求自动完成下料、称重、配比全过程。第五章应用MATLAB仿真软件中的Simulink图形化工具平台对配料秤仪表采用的模糊PID控制进行了仿真。从仿真波形图上可以看出，引入模糊控制后，在系统受到干扰出现偏差时调节效果很好。通过该系统的研究，有效地解决了电子皮带秤的控制精度与配料速度问题。大大提高了系统的计量精度和配料速度。在很大程度上降低了工人劳动强度，最终提高了生产率和产品质量。关键词：配料；模糊PID；精度；速度；配料速度 ；Matlab

4、1、绪论1.1课题背景与其意义电子皮带秤是工业生产过程中对皮带传送的散装固体物料进行连续称量的计量设备，在科学技术日益发展的今天也随之日益改进，不仅要求称量准确，在冶金、煤炭、化工、烟草、水泥等行业中还要求称量过程能大幅度提高生产效率。原料在输送中进行动态连续称量的同时还要在输送中对流量进行调节、控制，以达到准确的配比。本设计主要针对的是皮带秤配料系统中配料这一环节，因为配料的质量如果达不到要求，一是会浪费原材料，二是影响生产的顺利进行，重则影响和生产效率，在某些重要生产岗位上，配料失误甚至会酿成事故。可见配料精度与配料速度影响着整个生产的质量和产量，所以要对配料过程的质量和有足够的重视。皮带

5、秤有如下几个特点：(l)皮带秤的计量对象是连续流动的物料可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间的累计流量。(2)皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。当物料多少不等、皮带轻重不均匀和上下跳动以与皮带速度发生变化时，皮带秤应有较好的适应能力。(3)由于传送皮带速度大多在12m/s左右，故皮带秤必须具有较高的响应速度。现实中，许多皮带秤的控制精度并不很理想，易发生故障，在复杂的生产工艺中不能适应一些恶虐的环境。所以仅仅是传统的PID控制是不能实现良好的调节效果的。鉴于此状况，需要设计技术更为先进，更合理有效的设计方案。本课题设计的电子皮带秤自动配料系统能有效解决动态计量衡器的控制精度

6、问题。可以完全替代原有的旧设备，应用模糊控制使得系统具有优良的性能，就配料系统而言，配料坏节采用模糊控制后，可以提高配料速度与质量，也降低了工人的劳动强度。从更深的角度去说，是为企业创收，为国家经济发展做出贡献。1.2系统工作现状与工艺难点问题 1.2.1皮带秤配料系统的现场结构组成如图1.1所示是配料系统的结构组成图，本结构图中有4个称重单元，每个单元有料仓、给料电机、皮带秤组成。这是一种使用最为广泛的皮带秤配料系统，也是最简单最基本的结构形式。煤炭、化工、水泥等行业中的配料系统是要把多种原料按照一定的配比混合到一起。本设计研究的是4种原料的混合。系统共设有4个给料仓，每个给料仓通过各自的给

7、料电机来控制给料速度，进而调节给料量。电机的调速方式有多种，在第二章中分析了电机的调速方式。物料到达皮带秤后，由皮带秤测量原料的瞬时流量以与累计流量等数据送入控制器去控制执行器。每个料仓的下料最后到达主皮带，混合后再送入下一级。1.2.2一般的控制方案目前各行业中使用的电子皮带秤的生产厂家也比较多，一些厂家采用的是用基于单片机的PID调节，这样的配料系统控制精度不高，可靠性也不高。而一些大型厂家的皮带秤配料系统则是基于PID调节器和WINDOWS平台的。系统中的传感器将测量到的信号送到称重仪表，皮带秤仪表将接收到的重量信号和速度信号经积算后以420mA模拟电流的形式送至PID调节器，PID调节

8、器根据测量的瞬时流量值与设定流量值的偏差，进行比较运算后通过变频器去调整电机的转速，以达到稳定瞬时流量的目的。如果需要改变流量或者配比时就可以直接在调节器上操作，操作起来简单方便快捷。具体控制过程如下图。第i号给料机的控制方框图模型如图1.2所示。1.2.3现有配料系统的难点问题对于现有皮带秤要想使系统稳定，受到干扰时有好的调节品质，而且要求稳、准、快。那么就需要满足以下几个条件：第一，物料出量要与给料机的控制电机转速成正比。第二，皮带秤系统结构要稳定，由实践总结出一些共同的结构性质，对调节对象的动态特性有影响的性质有：容量系数、阻力、传递距离。容量系数大，对象抵抗扰动的能力强，被调量在受扰动

9、后变化慢，呈现较大惯性。反之，容量系数小，被调量变化快，惯性小；调节对象的阻力或大或小，例如，物料在下料时会遇到仓壁或阀门等给它的阻力，所以阻力也是调节对象的一种结构性质；物料在运送过程中有一定的传送距离，从而有一定的传递时间，这也是控制的难点。第三，PID的三个参数的设置要合理。只有这些条件都满足，而且他们之间相互配合，才可以获得令人满意的控制效果，调节器才可以稳定快速的运行。当然在这些条件中系统自身结构的稳定是最基本的，只有在这个前提下，才能去设置合理的PID控制参数，传统的PID控制对参数固定的系统有好的调节品质，因为它的参数整定是按照阶跃响应的过渡过程去整定的。所以理想中可以做到无误差

10、。但是，实际生产中不可能做到像上述描述中的那么理想，实际电子皮带秤自动配料系统的控制精度会受到如下多个因素的影响。首先是物料物理特性的影响，物料的粒度、湿度、温度会因为外界因素的变化而变化，这样给料设备无常工作供料。比如物料在气温低或者湿度大时会出现结块的情况，从而影响给料设备的给料，应该采取一些保护措施。保证物料不结块、结球，粒度保持一致，水分适中，流动性好。这样才能达到控制准确度指标。湿度的影响一般在皮带受潮最初的巧分钟之能与时的调整零点，可以消除，当湿度变化剧烈时，此影响要引起重视。第二是设备机械震动和设备安装的影响，皮带传输物料时机械振动会造成瞬时流量不稳定，要尽量避免机械振动对系统控

11、制精度的影响。安装时要尽量避免周围输送设备的振动。给料设备的安装要严格按照要求，否则会把设备安装精度的误差转化为给料量的误差，使系统控制精度降低。另外还有料仓形状的影响，料仓的形状有多种，要选择适合物料下放的形状与壁材料，防止“悬料”现象的发生。综合以上的影响，物料瞬时流量的测量误差会较大，再加上系统工作时工艺现场受其它外界的干扰，比如仪表附近的大功率变频器、电磁波的干扰、电机的频繁启停等现场情况，都使系统计量准确度和配料精度降低。通常只是工作人员根据多年的工作经验人工给出粗略的PID参数。使系统在一个较宽围控制。还需解决的问题有:电机调速方式的选择;传感器的选择;系统抗干扰能力的提高;管理软

12、件的设计;系统调试等问题。1.3本设计解决的问题与主要容本设计要解决的问题是物料在皮带传送过程中的控制精度问题，基于考虑上节提到的配料系统现存的难点与影响系统控制的诸多因素，本设一计主要在配料环节中采用模糊PID控制，即综合模糊控制技术和传统PID控制。本设计的主要容是结合皮带秤的现状与实际工艺中遇到的难点问题给出自己的设计方案。在保证系统称量精度与控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。从而提高系统的总体设计方案。通过系统分析结合配料系统的现场实际工作情况，由模糊控制技术的理论，给出模糊控制结构框图。根据模糊控制器的设计步骤，设计出与传统PID相结合的模糊PID控制器。解决了皮带秤配料系统的

13、控制与误差调节问题，从而提高配料系统的配料速度与精度。最后通过仿真看出，引入模糊控制后，在系统受到干扰出现偏差时调节效果很好。解决了原配料系统有较大的误差，动态特性不理想，超调量较大时的控制精度与配料速度问题，大大提高了系统的计量精度和配料速度。为了保证整个控制系统的可靠性，选用研华工控机作为上位机，装四端口串行扩展卡。工控机与4台称重配料仪表采用RS232通讯协议。上位机软件在Windows环境下，采用汇编语言编写，实现全汉化用户界面。程序由生产监控、系统设置、物料设置、客户管理、任务管理和配方管理与各种统计报表等模块组成，具有界面友好、操作简便、功能强大等特点。使整个系统实现了白动化，节省

14、了劳动力，提高了生产效率。本论文第二章阐述了皮带秤配料系统的总体结构设计:第三章是具体分析模糊PID控制器的设计过程;第四章是控制系统电气部分的具体实现;第五章用MATLAB软件对模糊PID控制进行仿真。2、皮带秤配料系统工作原理与总体设计方案皮带秤配料系统中配料皮带秤作为在线测量的动态称量衡器，有着重要的作用，目前已广泛用于冶金、煤炭、烟草、化工、建材等行业中，是集输送、称量、配料于一体的设备。皮带秤仪表除了显示瞬时流量和累积流量外，还能根据由接线盒传过来的数据与给定值的偏差来控制给料机的给料，从而保证瞬时流量的恒定。这样就构成了一个闭环控制系统。2.1皮带秤配料系统组成与工作原理2.1.1

15、皮带秤配料系统组成配料皮带秤系统结构如图2.1所示，由三大部分组成，分别是料斗、给料设备和皮带秤。图2.1中：A-称重传感器；B-测速传感器；C-称重托辊；D-接线盒；E-称重仪表。简要介绍一下各部分的功能：1、料斗料斗主要将物料通过给料设备送至配料皮带秤。料斗一般用普通薄钢板或镀锌薄板冲压或焊接而成。输送磨损性强的物料时料斗的边缘常用折边，卷入钢丝和附加衬板加强，以防止快速磨损。为了防止料斗聚集和沉附物料，前后壁多做成圆弧连接，略带斜角。安装时，也要注意位置距离要合适，避免下料时对皮带秤的冲力。2、给料设备皮带秤配料系统是通过给料设备把物料送入下一级的，给料速度决定了物料流量，给料速度又是通

16、过调速电机去控制的。在调速配料方式中由配料皮带秤本身代替，而在恒速配料和双调速配料方式中给料设备是一个独立设备。给料设备也是形式多样，有电磁振动给料式、圆盘给料式、密封叶轮给料式、螺旋给料式等，对于粘性和含有少量水分的粒状物料可以选择电磁振动给料式或者圆盘给料式;对于干燥的细粉末状物料可以选择密封叶轮给料式或者螺旋给料式。实际当中要根据物料的特性进行选择，而且设备要可以接收上一级的420mA(或15V)模拟信号。在本设计中，针对物料的物理特性选择的是电磁振动给料式给料设备。另外，对给料设备的基本要：l)应能保证一定的给料量，便于随时调节其给料量；2)给料量的准确度应能满足生产工艺的要求；3)应

17、满足生产过程中其它工艺要求，如自动计量、自动控制等；4)给料设备应结构简单、紧凑、工作可靠、便于维护。3、配料皮带秤(机械部分和电气部分)配料皮带秤机械部分由秤架和皮带传输组成，其中秤架是皮带秤的荷重承受和重力传递装置，按照外部特性进行分类，秤架可以分为多托辊式、单托辊式和悬臂式三种。配料皮带秤电气部分由称重传感器、测速传感器、称重仪表和调速电机等部分组成。各部分的工作情况是:当料仓中的物料由给料设备投入到配料皮带上，物料随皮带运行到达称量点时，由称重传感器A将物料的重量转化为电信号，由测速传感器B将皮带的速度值转化为电信号，信号经过接线盒D进行汇总后送入称重仪表E，仪表再对采集到的信号进行相

18、应的运算、处理，最后转化为瞬时流量和累积流量。与此同时称重仪表输出一个标准的控制信号到调速电机来调节给料速度，使物料流量保持稳定，最终可以使系统的配比更为准确。2.1.2皮带秤工作原理皮带秤的计量对象是连续流动的物料，可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间的累计流量。皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。当物料多少不等、皮带轻重不均匀和上下跳动以与皮带速度发生变化时，皮带秤应有较好的适应能力。所以皮带秤的主要特点是连续、自动地称重。如果测单位长度的瞬时流量，一段距离的物料重量，或在一段时间和一段距离的累积重量。这些量的计算可采用积分法和累加法两种方法进行计算。在本设计中采用积分法

19、表示一段时间的累积流量。电子皮带秤输送物料时，物料的瞬时流量为：qxv(kg/s)，其中q(kg/m)为皮带上单位长度的载重，v(m/s)为同一时刻皮带运行的速度。但是实际中，单位长度的载重与物料本身特性有关，可能出现不均匀的情况。所以在T时间间隔的累积流量可用以下积分式(2.1)表示：W-T时间间隔的物料累积量kg或t；T-物料通过秤的时间S或h；q(t)-皮带单位长度上的物料重量kg/m；V(t)-物料在皮带上的运行速度m/s。皮带秤是按照力学中的悬索原理工作的，皮带的力平衡关系介于弹性静不定和柔性悬索之间，因为皮带的横向能力小，更接近于悬索状态，所以皮带秤的计量是以线分布密度代替体分布，

20、按流量进行测量的。2.2配料皮带秤工作方式配料皮带秤是装有皮带秤整个称量装置的皮带输送机，其中给料设备是调节物料多少的，按照给料设备调速方式的不同，配料皮带秤有以下几种工作方式：2.2.1拖料式配料方式拖料式配料的皮带秤指的是无专用的给料机，仅用皮带机调速方式的配料皮带秤。所以也称作调速配料方式。配料皮带秤直接安装在进料斗的下方，以拖料的方式从进料斗中拖出物料。这样可调速的皮带机既完成物料的称量任务，又完成物料量多少的调节任务，所以在拖料皮带秤这种工作方式中，严格地讲，不能称为无给料机，只是无专用的给料机，给料机的功能由配料皮带秤的皮带机顺带完成。拖料式配料方式优点：1)无专有给料机，系统结构

21、简单，设备投资省；2)节省电能消耗；3)皮带上的物料负荷不随物料量的多少而变，对物料称量精确度和控制精确度的提高有好处;的系统无滞后，电机速度一变化，给料量也随之改变，控制精确度高。拖料式配料方式缺点：1)是进料仓直接在皮带秤的皮带机上，入料时对皮带的力大；2)没有专用的给料机，所以调零、更换皮带较难操作；3)对于干粉状和粘性较大的物料不适用;所以对于湿度适中、流动性能较好的物料系统可以采用这种工作方式。2.2.2恒速配料方式恒速式配料指的是给料机调速、皮带机恒速方式的配料皮带科。给料机调速可以完成物料量多少的调节任务，而皮带机不可调速则皮带上的物料负荷随物料量的多少而变。早期的配料皮带秤采用

22、这种方式的较多。恒速式配料的优点是：1)进料斗与配料皮带秤之间有专用给料机，便于皮带秤的调零、更换皮带等操作。2)计量准确度高，可靠性好，应用围较广。缺点是：1)有专用给料机，投资较大；2)皮带上的物料负荷随物料量的多少而变对物料称量精确度有影响。所以对于配料控制精度要求不高，流量设定值变化围小的物料系统适用恒速式配料方式。2.2.3双调速式配料方式双调速式配料皮带秤指的是给料机、皮带机均调速方式的配料皮带秤。给料机调速是为了改变物料给料量，皮带机调速是为了使皮带上的物料负荷始终保持稳定。双调速有两种方式:一是给料机、皮带机同步调速，即采用机械方法，由一台变频器同步带动给料机与皮带机的电机;二

23、是由两台变频器分别带动给料机与皮带机的电机。同步调速方式多了机械装置，但省了一台变频器，总的来说节省了投资;两台变频器调速多用了一台变频器，投资虽然增加了一点，但调整更加灵活，适应物料量设定的变化围更大，目前绝大多数应用都采用两台变频器分别带动给料机与皮带机电机的调速方式。双调速式配料方式优点是：1)皮带上的物料负荷不随物料量的多少而变，可提高物料称量精确度；2)有专用给料机，便于皮带秤的调零、更换皮带等操作。双调速式配料方式缺点是：系统构成较为复杂，有两台设备需要调速，投资最高。所以对于配料精确度要求高、流量设定值变化围大的配料系统适用双调速配料方式。总之，在实际当中采用哪种配料方式，要视具

24、体情况确定，要根据控制准确度、系统可靠性、投资大小等方面的因素综合考虑。由于本设计中配料系统是用于煤焦配比，要求系统可靠性好，计量准确度高，综合多方面考虑所以选择拖料式配料方式。2.3皮带秤配料系统总体设计该设计的配料系统是由4台皮带秤组成，系统组成如图2.1所示。该系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、变频器柜、低压开关柜、现场操作盘、工业控制微型计算机(以下简称工控机)、与监控管理软件几部分组成。l)配料电子皮带秤配料电子皮带秤具有运输和计量两种功能，对经过皮带的物料进行自动地连续地称量和累积。称重部分采用电阻应变式工作原理，多托辊杠杆式结构，实际工作时，通过调节上级给料设备的

25、给料速度来改变物料流量，此种皮带秤大多用于企业部生产工艺的控制。2)仪表控制柜仪表控制柜由4台称重仪表组成。每台称重仪表接受来自各个称重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出瞬时流量和累计量，并将流量信号以420mA模拟电流的形式送给工控机，工控机将流量信号与设定值比较后，根据一定的控制规则输出420mA调节信号，去控制现场给料设备的转速，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。称重仪表通过RS-485通讯接口与工控机进行通讯。3)动力控制柜动力控制柜是动力部分的中央控制部件，里边安装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器(以下称PLC)与电机保护电路。用于监控

26、现场皮带机的运行;对现场皮带机和给料设备的启停进行控制;指示电机运行状态;联锁控制与打滑跑偏报警等。其中PLC通过RS-232通讯接口与工控机进行通讯。4)变频器柜柜中的变频器，接收动力控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时也接收来自工控机的420mA调节信号，通过改变输出动力电源的频率，从而控制现场4台给料设备的转速。5)低压开关柜低压开关柜配置有开关、电压表、电流表、断路器、隔离变压器等器件，为系统各部分和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的线电流和相间电压。6)现场操作盘本设计的皮带秤配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可以在设备旁对现场皮带机和给料设备的

27、启停进行控制，指示可编程逻辑控制器PLC对电机的命令状态。7)工控机与监控软件工控机主机选用研华IPC-610型14架装式工业PC机箱，配置PCA-6179L全长CPU卡、512M存、80G硬盘、一个PCL-746+四端口RS232/422/485通讯接口卡、2个pCI-1720U型4通路隔离模拟量输出卡(设置为420mA模拟量输出)。工控机作为上位机，通过RS485双向通讯接口与称重仪表进行通讯，通过RS232双向通协接口与动力控制柜中的PLC进行通讯，输出模拟信号控制给料设备的给料流量，进而构成了完整的配料系统。工控机另外留有一个RS485双向通讯接口，以备用。监控软件的界面采用菜单方式，

28、用户可以通过鼠标或键盘进行操作，使用非常方便，对整个配料系统进行主要是根据生产配方和产量要求对称重过程进行自动控制，对称重数据进行统计管理。系统工作时，工控机首先根据生产任务先进行各种值的初始化，其中包括各种物料的名称、料斗编号、标准流量、标准配比等，然后按照一定顺序控制各给料设备。各给料设备按一定流量给料，同时工控机读取来自称重仪表的重量信号和累计量数据，然后根据各成分的累积量计算当前的实际配比，通过与标准配比的比较，来修正各给料设备的给定值，这样，系统就可以工作在最优配比状态。当达到设定累积产量时，按一定顺序停止各给料设备。该系统由一台上位机来控制多台给料设备，为了实现一定的配比，各给料设

29、备之间的工作要相互联系，而且给定流量要随当前的实际配比进行修正，因此其控制结构是较为复杂的。基于以上这些因素考虑，设计如图2.3所示的第i号给料设备的控制方框图模型。Pgi-希望产量Pfi-当前的累积量Fgi-给定流量Ffi-实际流量Fi-瞬时流量由图2.3中可知，该系统的设计是一个双闭环控制结构。就第i号给料仓而言，有2个闭环和一个前馈，外环根据当前的累积值和希望产量之差P以与前馈环节的给料机当前流量来修正环的给定值。环是一个模糊PID控制器，根据给定流量Fgi去控制调速给料机，使给料流量Fi控制在给定值Fgi理想的围之。控制器采用模糊PID控制方式和传统PID传统方式相结合，当偏差较大时采

30、用模糊控制，当偏差减小到较小围时采用传统PID控制方式。这样就可以解决系统误差较大，其动态特性不理想，超调量较大的控制难题。2.4测速传感器的选择通过前边皮带秤工作原理的介绍，可见在电子配料过程中，重要参数瞬时流量和累积流量是与皮带上的物料负荷q以与皮带速度v有关的。即：w(t)=qv其中物料负荷是通过称重传感器测得，皮带速度是通过测速传感器测得。所以传感器的测量精度就显得尤为重要。提高传感器精度是提高电子皮带秤系统精度有效的途径。所以对于传感器的选择就要慎重一些。在这一节，先来看测速传感器的选择。当前常用的测速传感器的的精度大多为千分之几。在皮带秤配料系统中速度检测的准确度直接影响到皮带秤的

31、准确度，测速传感器主要分数字式和模拟式两种。目前主要有磁阻脉冲式、光电脉冲式两类。模拟式测速发电机式测速传感器早已不再使用，取而代之的是上述两种输出脉冲信号的数字式测速传感器。以下主要介绍数字式测速传感器。2.4.1磁阻式测速传感器磁阻式测速传感器的构造是转子与定子是端面等间隔铣有齿槽的纯铁圆盘，定子装有轴。转轴外套有环形磁钢和环形线圈，并由压块压紧。转轴和被测轴相连，并带动转子旋转。当定子和转于齿顶相对时，磁阻最小；当齿顶与齿槽底相对时，磁阻最大。由于磁通为：因此磁阻变动时，磁通也变动，线圈将感应出电势。若转子与定子面齿数为z，转子转速为n(r/min)。线圈输出电势的频率f为：一般：z=6

32、0，这时n=f。因此，对频率计数，即每秒脉冲数，就代表转速，即每分钟旋转数。也可以采用频率电压转换电路，将频率线性地转换成模拟电压输出。另外，采用脉冲频率法测量转速，可以用标准信号发生器进行标定。以信号发生器频率代替光电式或磁阻式转速传感器的脉冲频率。因此，标定既简便又准确。目前，脉冲频率法测转速已成为转速测量中一种主要的方法。但用于高转速测量时，因磁路磁滞影响，使线圈中感应电压太小而不易测量。另外，一但运输带有振动，磁接收器便不能正常工作，易遗失信号。2.4.2光-电式测速传感器光-电式测速传感器有透射式与反射式两种。透射式光电转速传感器在旋转轴上安装测速圆盘。圆盘上均匀地开有狭缝或孔，在圆

33、盘两侧装有光源与光电接收元件。当圆盘旋转时，便产生光脉冲，光电元件将输出电脉冲。反射式光电转速传感器在被测轴数上用金属箔或反射纸带沿圆周方向均匀间隔贴成黑白的吸收反射面。传感器的光源经聚光透镜，形成平行光，再由半透明膜片反射向转轴的黑白反射面，为使光线聚焦而设置透镜。反射光再经透镜形成平行光，并透过膜片后，由透镜向光电元件聚焦。因此，转轴旋转时，光电元件输出电脉冲。对电脉冲计数，便可测得转速，也可通过频率电压转换器，将电脉冲转变成电压模拟量输出。测速脉冲信号经整形、放大后转换成010VDC模拟信号，并作为称重传感器的供桥电压，在称重传感器实现乘法运算。对本身不调速的皮带秤来说，皮带速度的变化量

34、主要取决于供电电源频率。但对于由大电网供电的用户来说，由于电网电源频率相当稳定，即使在不同负载率情况下，通常皮带速度的变化率也小于0.2%。通过多年经验可以得出以下结论:当皮带速度变化超过0.2%或配料秤称重精度要求高于0.5%时，应该采用测速传感器。反过来说，当皮带速度变化小于0.2%或称重精确度要求低于0.5%时，则可以考虑不用测速传感器。在皮带秤配料系统中，控制室的显示仪表中有一个开关可以进行脉冲和外脉冲的切换。打到外脉冲一端时，是由皮带秤上的测速传感器提供脉冲信号，当打到脉冲时，由显示仪表本机的信号脉冲源提供脉冲信号。当测速传感器出现故障或其他原因不能正常工作时。只要皮带运行平稳，力均

35、匀，就可以使用脉冲来代替实际测速信号。2.5称重传感器的选择称重传感器是电子皮带秤的重要部件之一，称重传感器的性能指标在很大程度上决定了电子秤的精度和稳定性。目前，称重传感器的精确度多为万分之几。在选择时需要综合考虑传感器的量程、灵敏度以与结构、材质等等环节。2.5.1量程的选择称重传感器的受力有物料的作用力，有传感器自身的重量还有称量围的皮带重量。其中：物料流量作用力F。的计算方法见式 (2.2)式（2.2）中，物料额定流量：L-称量段长度;R-杠杆比=传感器受力/实际称量段受力(一般取R=0.5)；Vt-物料在皮带上的运行速度。总之，综合考虑在系统运行过程中会遇到震动、过载或者是物料物理特

36、性等等诸多因素的影响。通常安全系数设为1.5，这样选择的两成可以保证皮带秤运行中的可靠平稳。同时，传感器的材质要选择稳定性强、抗冲击、抗过载的钢制材质。2.5.2灵敏度的选择灵敏度(或称传感器系数)，指传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1伏时的输出电压。单位为毫伏/伏(mV/V)。灵敏度的选择关系到系统是否能正常工作，因为要考虑这个系统中各个部件的技术参数能否匹配。对电子皮带秤来讲，也就是称重传感器所选用最大秤量值、灵敏度值、称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等等这些参数最终必须满足整个系统的整体指标要求。例如，一台电子皮带秤的传感器受力最大为110kg，选用2只称重传感器并联使用，其最

37、大秤量均为100kg，灵敏度为3mV/V；选用的称重仪表的供桥电压为14V，最高输入灵敏度为1.4uV/e；皮带秤的检定分度数n=5000。则称重传感器最大净输出信号为，每个检定分度值输出信号为，因为衡器的每个检定分度值输出信号大于称重仪表最高输入灵敏度，所以该衡器相关部件的灵敏度选择合适。2.5.3称重传感器结构类型的选择称重传感器是电子皮带秤的一个重要组成部分，称重传感器的型式和种类按其物理效应分，常用的有电阻应变式、电容式、电感式、压电式、压阻式和力平衡式.但在电子皮带秤中作为力-电转换元件，电阻应变式称重传感器应用最为广泛。主要有以下几种类型。(a)圆柱式：量程为0500r，灵敏度为1

38、2mV/V，精度为0.10.02%可用于组装大吨位的轨道衡、汽车衡和液罐秤。(b)组合梁式：量程为02t，灵敏度为3mV/V，精度为0.050.02%，常用于电子计价秤，小量程平台秤，电子皮带秤等。(e)桥式：量程为020t，灵敏度为13mV/V，精度为0.10.03%，用于组装行车电子秤、电子汽车衡、电子料斗秤和电子轨道衡。(d)轮幅式：量程为050t，灵敏度为2mV/V，精度为0.050.03%，用于组装行车电子秤、电子汽车衡、电子料斗秤和电子轨道衡。(e)S梁式：量程为05t，灵敏度为13mV/V，精度为0.10.03%，用于机电两用秤，小称量吊钩秤，电子皮带秤等。S型称重传感器应变输出

39、大、线性好。(f)悬臂梁式：量程为010t，灵敏度为13mV/V，精度为0.050.02%，常用于电子料斗秤、电子汽车衡、电子皮带秤等。悬臂梁式称重传感器结构简单，灵敏度高，便于制作加工，但对立的作用点较敏感，对于震动大的场合，其输出信号不稳定。通过以上分析，结合系统对于配料皮带秤精度的要求，可选用钢质的S型称重传感器，其连接方式采用关节轴承，处于受拉状态，其抗侧向力的能力强，可安装于密封的梁，结构紧凑。2.5.4六线制长线补偿技术因为称重传感器一般都采用四线式连结方法，在制造和测试时将电缆线的电阻与传感器部的应变计电阻和各种补偿电阻一起进行考虑，所以要改变电缆长度时，导线电阻就会增加，电源就

40、会不稳定，最终给称重带来误差。加到传感器上的桥压计算方法见式 (2.3)。式(2.3)中，R-传感器的桥臂电阻；r-导线电阻；U-加到传感器上的桥压；U-称重仪表输出端的桥压。六线制长线补偿的电路原理图如图 (2.4)皮带秤常需要多只传感器，采用并联的方式共同使用一个电源供桥。为保证信号传输稳定，常用如图2.4所示六线制长线补偿技术。在接线盒端增加2根电缆芯作为供桥电压的反馈线与供桥源取样电阻相连。这样可以使传感器受温度的影响程度降到最小。这种方法的传送距离在50之，如果适当增加电缆线截面，那么长度可以适当增加到百米左右。2.6配料系统电动机的调速控制方案在皮带秤配料系统中，通过变频器给电动机

41、提供可变电源来调整电机转速的方法，改变给料设备的给料速度，这是最简单方便、采用最多的调速控制方案，本设计中电源的电压与频率之比是按一定规律变化的。2.6.1交流变频调速原理近年来，随着电力电子技术的飞速发展，使交流调速迅速发展。交流电动机与直流电动机相比，有结构简单、牢固、成本低廉等许多优点，缺点是调速因难。但现在有实用和先进的交流电动机调速控制理论，与电力电子技术、微电子技术相结合，已很好解决了交流电动机调速问题。异步电动机的转速公式见式 (2.4)式(2.4)中，n-电机转速；n1-旋转磁场转速；S-转差率；f-定子电源频率；PN-极对数。由式(2.4)可知，改变f1、S、PN中任意一个变

42、量，n都会随之相应改变，但是我们常采用的是改变石的方式，因为此方式调速围大，平滑性好，效率高，动态和静态性能都比较良好。唯有改变频率调速是交流电动机较为理想的调速方法。异步电动机的主体是一种铁磁机构，对于任何铁磁机构，为了使铁磁材料得到充分利用，使用中都要尽可能使它的磁通保持为额定磁通。对于异步电动机，磁通有如下关系式：式 (2.5)中，U1-定子相电压的有效值N1-定子每相绕组串联匝数，F1-定子频率KN1-定子每相绕组的绕组系数-气隙磁通在变频调速时，为了得到所需的电磁转矩，使它的铁磁材料得到充分利用，则应尽可能地使气隙磁通恒定为额定磁通。由上式可知，为保持气隙磁通必近似不变，在调节定子频

43、率f时则必须同时改变定子电压U，即U/f=常数。电磁转矩为：Mem=CmI2scos2s (2.6)式(2.6)中，Cm-与电动机自身结构有关的比例常数， I2s-转子相电流的有效值，2s-转子电流比转子电动势滞后的角度，在交流变频器的控制下，异步电动机在调速过程中有两种工作状态，一种是恒定转矩调速;另一种是恒定功率调速。(a)恒定转矩调速由式 (2.5)、(2.6)可知，当某一异步电机调速时，若磁通增加，则励磁电流会突增，会使得绕组过热从而引发一些不良后果；若磁通减少，则输出转矩减小。此时，如果负载转矩仍很大，也会导致定、转子的过电流，引起过热。因此，在一些长时间有超大负载的工艺过程中，一般

44、使用恒定转矩调速方式。要求U1/f1，而且U1、f1均在额定值之，不允许超过额定值。所以，变频器工作于恒定转矩状态可以避免发生电机过电流或者过热。通常变频器额定输出电流要大于电机额定电流的1.5倍左右。(b)恒定功率调速当定子频率f1大于电机额定频率fN时，由于电机上的电压受绕阻绝缘强度的限制，不可能无限制提高，所以保持定子相电压U1等于电机额定电压UN，但由于转速增加，输出功率近似不变，相当于恒定功率调速。2.6.2变频器的控制回路设计变频器的基本控制回路:同外部进行信号交流的基本回路有模拟和数字两种：420mA模拟电流信号回路和15V域05V模拟电压信号回路；开关信号回路，即变频器的开停指

45、令、正反转指令等(数字)。外部控制指令信号通过上述基本回路导入变频器，同时干扰源也在其回路上产生干扰电势，以控制电缆为媒体入侵变频器。变频器在使用时还需注意以下几点：(l)为了延长变频器的使用寿命，需要将数字开关信号接入控制输入端口。(2)变频器的供电电源端不能接入熔丝类断路器件，这样是为了避免变频器缺相运行。但是可以接入空气断路器，这样在保护变频器的同时切断三相电源。2.7系统的抗干扰设计在本系统中有多台大功率电机与变频器，所以干扰比较大，这些干扰会对称重信号、速度信号、420mA模拟电流信号、通讯信号等弱小信号产生很大影响。因此，在本次设计中结合常用的经验，采取了以下多种措施来尽量减小这些

46、干扰。1、工频电源对于仪表柜中较为敏感的仪表产生干扰，所以需要在低压开关柜安装380V/220V隔离变压器，电源谐波比较严重时，可在隔离稳压器前面加低通滤波器消除电源的高频干扰和高次谐波，通常低通滤波器先与电源相接，低通滤波器输出再接隔离变压器。2、一些现场信号尽量采用高伏值开关量信号，原来速度传感器是采用微型步进电机，其输出为正弦波，伏值为3V左右，20-30Hz频率围，该信号传输距离长，信号衰减大，最易受干扰，经常叠加进其他相近频率的干扰信号，在仪表显示上的表现是速度信号不稳定，严重影响到计量精度。改进为：采用开关量传感元件作为测速元件，其输出为方波，伏值为12V以上，抗干扰效果很好。3、

47、现场信号电缆应尽量选择屏蔽线或双绞线，配线应时注意动力与控制、强电与弱电分别拉开间距。控制柜采用金属外壳，变频器柜与其他柜体间留有一定距离。另外还要有良好的接地系统。3、电子皮带秤模糊PID控制3.1概述在电子皮带秤配料控制系统中，为了满足配比的要求每一台皮带秤仪表不仅要指示对应皮带上物料的瞬时流量，而且还要根据皮带上物料的瞬时流量和设定值的偏差去调整瞬时流量的大小，构成一个闭环系统，维持流量恒定。在传统的皮带秤配料系统中，通常是通过控制仪表将设定的给定流量与实际的瞬时流量进行减法运算，得到偏差值进行PID调节或者是其它形式的控制模型的运算，然后配料皮带秤仪表根据运算结果控制给料设备的给料量，

48、从而维持瞬时流量的不变。以电子皮带秤上的物料流量作为目标值，通过压重传感器采集的单位压重，并通过速度传感器获得电机转速，从而获得皮带秤上的物料流量，再经过信号调理之后，由计算机根据设定的目标值，由PID控制算法得出新的速度，输出到变频器，调节给料机的频率，从而将流量稳定到目标值附近，进而获得所需的物料流量。PID控制器其算法简单、鲁棒性好，使用中不需建立精确的系统模型，因此成为应用最为广泛的控制器。PID控制器是根据系统的偏差，利用偏差的比例、积分、微分运算出控制量进行控制的。采用PID控制器来调节物料的瞬时流量往往需要在仪表中预置PID控制调节的3个参数KP，kI，kD，只有当这3个参数选取

49、适当，PID控制的比例-积分-微分环节才能配合良好，使调节过程快速、稳定、准确。但是这3个参数的选取一般是通过工程师和现场操作人员根据实际经验不断进行试探总结出来的，一旦确定就不能轻易改变。而在实际运行时，皮带秤配料系统会受到各种因素的影响，比如机械振动、物料情况和参数改变等，而运行过程当中系统无法随着外界条件的变化而实时自动调整PID3个参数来调节PID输出，缺乏灵活性。传统PID控制时通过调节PID的三个参数，就可以得到较理想的响应曲线，所以系统的控制效果与参数的设置有很大的关系，但是往往三个参数的调整非常繁琐。而且，系统也会随外界环境的变化而不断变化，这样参数必须进行重新调整，所以达不到

50、最优控制。在本设计中，系统在采用传统PID控制的基础上加入了模糊控制，应用模糊控制原理来实现PID控制的智能化，简称模糊PID控制器。模糊PID控制器将PID参数的整定经验和专家知识进行模糊化，运用模糊原理将之变成计算机可以接受的控制模型，让计算机来代替人进行有效地控制，从而达到实时在线调整3个参数的目的。3.2系统的控制模型设计控制系统的设计是针对实际应用的受控对象进行的，其设计过程与受控对象密不可分。在本设计中当系统正常工作时，料斗中的物料通过给料设备下放到配料皮带上，物料经过称量段时，由称重传感器和测速传感器将物料的重量与皮带的速度值转化为电信号，信号经过接线盒进行汇总后送入称重仪表，称

51、重仪表对采集到的重量和速度信号进行相应的运算、处理，最终转化为物料的瞬时流量和累计量。同时称重仪表输出一个标准的控制信号到调速电机来调节给料设备的给料速度，最终维持皮带上仰料流量的恒定，达到准确配料的目的。该系统的特点是由一台控制机来控制多台给料机，为了实现一定的配比，各给料机之间的工作又是相互联系的，而且给定量要随当前的实际配比进行修改，因此其控制结构是较为复杂的。第i号给料机的控制方框图模型如图3.1所示。从图3.1中可以看出，该系统的设计是一个双闭环控制结构。就第i号给料仓而言，有2个闭环和1个前馈，外环根据当前的累积值和希望产量之差P以与前馈环节的给料机当前流量来修正环的给定值。环是一

52、个模糊PID控制器，根据给定流量Fgi去控制调速给料机，使给料流量Fi控制在给定值Fgi理想的围之。3.3模糊控制技术在PID控制系统中，为了使调节过程达到满意的品质，设置和调节合适的PID参数极其重要。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，二是工程整定方法。实际当中一般采用简易工程整定法，但是需要将得到的参数值预先置入控制器中，当系统结构或参数发生变化时无法进行自动调节，具有一定的局限性。模糊理论是美国柏克莱加州大学Lotfi.A.Zadeh教授在1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的容。

53、模糊控制模仿人的思维方式，计算控制量时并不需要参数的精确量，而是以参数的模糊信息为基础，通过模糊推理得到控制量的模糊形式，然后再经过反模糊化处理输出具体的控制量。它与基于被控过程数学模型的传统控制理论有很大的区别。他是一类应用模糊集合理论的控制方法。在模糊控制中，并不是需要像传统控制那样对被控过程进行定量的数学建模，而是试图通过专家行为和经验成功控制被控对象。当被控过程十分复杂到难以想象时，建立被控过程的数学模型或不可能，或需要很高的代价，此时模糊控制就相当具有吸引力和使用性。由于模糊控制是建立在模糊逻辑基础上的，因此也称为模糊逻辑控制。在本设计中，配料系统受许多因素的影响，比如说传感器的选择

54、、设备的安装、物料的物理特性等等，当有较大误差，其动态特性不理想，超调量也较大时，需要结合模糊控制的原理创建系统的模糊控制结构与模型。改进控制效果，提高配料系统的精度。3.3.1模糊控制原理模糊控制是一种基于规则的控制，它采用语言型控制规则，通过模糊逻辑和近似推理的方法，将现场操作人员的控制经验或相关专家的知识形式化、模型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机来代替人进行有效的控制。为实现模糊控制，语言变量的概念可以作为手动控制策略的基础，并在此基础上发展为一种新型的控制器一模糊控制器。模糊控制结构图如图3.2所示：图中：Fgi-系统的设定流量，是精确量。 Ffi-系统测量的瞬时流量，是精

55、确量。e，c-系统偏差与偏差变化率，是精确量，它们是模糊控制器的输入。E，C-经模糊量化处理后偏差与偏差变化率的模糊量。U-模糊量的偏差与偏差变化率经模糊控制规则、近似推理处理后，得到输出控制的模糊量。u-输出控制的模糊量经模糊判决后得到的精确控制量，控制被控对象。Fi-系统的输出。3. 3. 2模糊控制器的设计与实现 如图3.3所示，被控量为给料流量Fi，控制量为Ui，采用模糊PID控制器和传统PID相结合，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小围时采用传统PID控制方式。二种控制方式由Bang - Bang开关进行切换， 控制器结构图如图3.3所示。图3. 3模糊PID控制器结构图 B

56、ang-Bang转换开关 Bang - Bang转换开关实际上是控制器中的软件开关，由它决定采用那种控制算法。设e1表示大小偏差的分界值，其切换规律如下：当|e|e1时，KP=1，Kf=0，即采用PID控制规律；当|e|e1时，KP=0，Kf=1，即采用模糊控制规律。由图3.4可知，模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口、被控对象给料机和测量装置称重仪表等四个部分组成。其中，模糊控制器是模糊控制系统的核心，本设计中系统采用二维输入一维输出模型，即以系统的偏差和偏差变化率为输入量，以对被控对象的控制量作为输出量。模糊控制系统的品质在很大程度上取决于控制规则与隶属度的确定，控制规则是其核心，一般用IF a THEN b的表达形式，条件a可以是多个条件逻辑积。具体实现步骤如下：(l)输入输出变量的模糊化(2)输入输出变量的模糊集论域(3)根据专家知识或实际操作经验得出模糊控制器的控制规则(4)由模糊控制器的控制规则表得出由输入到输出的模糊关系R(5)模糊推理(6)模糊判决(输出量的去模糊化)(7)模糊控制查询表模糊控制器的结构设计是