电子皮带秤配料系统的模糊PID控制

1、概括随着科学技术的不断发展，电子皮带秤配料系统已广泛应用于煤炭、化工、烟草、冶金、建材等行业。目前，大多数皮带秤配料系统仍采用传统的PID控制算法，具有较高的灵敏度。可以说，调整理论上可以做到无误差，或者说在误差小的地方确实有优势，但是问题很多。当误差较大时，其动态特性不是很理想，超调量一般较大。因此，本课题设计了一种更为合理、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的配料环节，采用模糊PID与传统PID控制相结合的方法。同时采用PLC控制和组态软件，实现了皮带秤配料系统中配料的自动控制。当误差很大时，超调也很大。本课题主要包括皮带秤的原理和组成、系统的总体设计、结合系统分析的

2、模糊控制算法、利用MATILAB进行模糊PID控制仿真。论文首先阐述了现有皮带秤的现状及实际过程中遇到的困难，并给出了自己的设计方案。在保证系统称重精度和控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。为了完善系统的整体设计方案和基本组成；配料带秤的工作原理及总体控制方案；称重传感器和速度传感器的选择；电机调速方式的选择等；结合配料系统的实际工作情况，通过系统分析，给出了基于模糊控制技术理论的模糊控制结构框图。根据模糊控制器的设计步骤，设计了一种与传统PID相结合的模糊PID控制器。解决了皮带秤配料系统的控制和误差调整问题，从而提高了配料系统的配料速度和精度。论文分两章介绍PLC控制和MATLAB仿真

3、。第四章介绍了系统电气部分的组成，使运煤现场的配料系统能够根据PLC控制的要求，自动完成卸料、称重、配料的全过程。第五章利用MATLAB仿真软件中的Simulink图形工具平台，对配料秤仪表使用的模糊PID控制进行仿真。从仿真波形可以看出，引入模糊控制后，当系统出现扰动和偏差时，调节效果非常好。通过该系统的研究，有效解决了电子皮带秤的控制精度和配料速度问题。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的劳动强度，最终提高了生产率和产品质量。关键词：批处理；模糊PID；精确;速度;配料速度； MATLAB1 简介1.1 课题背景及其意义电子皮带秤是工业生产过程中对皮带输送的散装固体

4、物料进行连续称重的计量装置。今天，随着科技的发展，它也越来越完善。在冶金、煤炭、化工、烟草、水泥等行业，不仅要求称量准确，而且要求称量过程能大大提高生产效率。虽然原料在运输过程中是动态连续称量的，但在运输过程中必须对流量进行调节和控制，以达到准确的配比。这种设计主要针对皮带秤配料系统中的配料环节，因为如果配料质量不符合要求，会造成原材料的浪费，影响生产的顺利进行，而且生产效率会受到影响。在关键的生产岗位，错误的成分甚至会导致事故。可见，配料精度和配料速度影响着整个生产的质量和产量，因此需要对配料过程的质量和质量给予足够的重视。皮带秤具有以下特点：(l) 皮带秤的测量对象是连续流动的物料，可以显

5、示物料的瞬时流量和一定时间内的累计流量。(2) 皮带秤在皮带运行时测量，因此测量的稳定性非常重要。当物料量变化，皮带重量不均匀，上下跳动随皮带速度变化时，皮带秤应有较好的适应性。(3)由于输送带的速度大多在1-2m/s左右，因此皮带秤必须有较高的响应速度。现实中，很多皮带秤的控制精度并不理想，容易出现故障，在复杂的生产过程中不能适应一些残酷的环境。因此，仅采用传统的PID控制并不能达到很好的调节效果。针对这种情况，需要更先进的设计技术和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可以有效解决动态衡器的控制精度问题。可完全替代原有的旧设备，模糊控制的应用使系统具有优良的性能。对于配料

6、系统，对配料不良部位进行模糊控制，可以提高配料速度和质量，也可以减轻工人的劳动强度。从更深层次来说，就是为企业创造收入，为国民经济的发展做出贡献。1.2 系统工作条件及技术难点1.2.1 皮带秤配料系统现场结构组成图 1.1 显示了配料系统的结构组成。结构图中有4个称重单元，每个单元由一个料仓、一个进料电机、一个皮带秤组成。这是应用最广泛的皮带秤配料系统，也是最简单最基本的结构。煤炭、化工、水泥等行业的配料系统是将各种原料按一定比例混合在一起。该设计研究是 4 种原材料的混合物。系统共有4个喂料仓，每个喂料仓通过自带的喂料电机控制喂料速度，进而调节喂料量。调节电机转速的方法有很多。第二章分析了

7、电机的调速方式。物料到达皮带秤后，皮带秤测量物料的瞬时流量，并将累计流量等数据送至控制器控制执行机构。每个筒仓的排放物最终到达主输送带，在那里混合并送到下一个阶段。1.2.2 一般控制方案目前，各行业使用的电子皮带秤厂家很多。有的厂家采用基于单片机的PID调节。这样的配料系统控制精度低，可靠性低。一些大型工厂的皮带秤配料系统是基于PID调节器和WINDOWS平台的。系统中的传感器将测得的信号致给称重仪表，皮带秤仪表将接收到的重量信号和速度信号综合后以4-20mA模拟电流的形式致给PID调节器。比较瞬时流量值与设定流量值的偏差，通过变频器调节电机转速，达到稳定瞬时流量的目的。如需改变流量或比例，

8、可直接在调节器上操作，简单、方便、快捷。具体控制流程如下图所示。馈线 i 的控制框图模型如图 1.2 所示。1.2.3 现有配料系统的难点对于现有的皮带秤，为了使系统稳定，在受到干扰时必须具有良好的调整质量，要求稳定、准确、快速。那么必须满足以下条件：首先，输出应与给料机控制电机的速度成正比。二是皮带秤系统结构要稳定，从实践中总结出一些常见的结构特点。影响调整对象动态特性的属性有：容量因子、阻力和传输距离。容量系数大，物体抗干扰能力强，调节变量受干扰后变化缓慢，惯性大。反之，容量系数小，调整量变化快，惯性小；调节对象的阻力有大有小。比如卸货时会遇到来自仓壁或阀门的阻力，所以阻力也是调整对象的一

9、部分。物料在运输过程中有一定的传输距离，所以有一定的传输时间，这也是控制的难点。第三，PID的三个参数的设置要合理。只有满足这些条件，相互配合，才能获得满意的控制效果，调节器才能稳定、快速地运行。当然，在这些条件下，系统自身结构的稳定性是最基本的。只有在此前提下，才能设定合理的PID控制参数。传统的PID控制对参数固定的系统具有良好的调节质量，因为它的参数整定是根据阶跃响应的过渡过程来设定的。所以理想情况下它可以做到没有错误。但在实际生产中，不可能像上述那样理想，实际的电子皮带秤自动配料系统的控制精度会受到以下因素的影响。首先是材料物理特性的影响。物料的粒度、湿度和温度会因外界因素的变化而发生

10、变化，使给料设备无法正常工作。比如温度低或湿度大时，物料会结块，影响给料设备的给料。应采取一些保护措施。确保物料不结块起球，粒度一致，水分适中，流动性好。只有这样才能达到控制精度指标。通过在皮带变湿的最初几分钟内调整零点，可以消除湿度的影响。当湿度急剧变化时，应注意这种影响。二是设备机械振动和设备安装的影响。当物料由皮带输送时，机械振动会引起瞬时流动不稳定。必须尽可能避免机械振动对系统控制精度的影响。安装时尽量避免周围输送设备的振动。加料设备的安装必须严格按照要求进行，否则设备安装精度的误差会转化为加料量的误差，从而降低系统的控制精度。此外，还有筒仓形状的影响。筒仓有多种形状。必须选择形状和壁

11、材以适应被降低的材料，以防止“漂浮物”现象。综合以上影响，物料瞬时流量的测量误差会很大，系统工作时工艺现场会受到其他外界干扰，如仪器附近的大功率逆变器、电磁波干扰、频繁启动和电机停机。系统的计量精度和配料精度。通常只有粗略的 PID 参数由工作人员根据多年的工作经验手动给出。使系统控制范围更广。需要解决的问题是：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；管理软件的设计；系统调试等。1.3 本设计解决的问题及主要内容本设计要解决的问题是皮带输送过程中物料的控制精度。基于上节所述的配料系统的难点，并考虑到影响系统控制的诸多因素，本设计主要在配料过程中采用模糊PID。控制，即模糊控制技

12、术与传统PID控制相结合。本次设计的主要内容是结合皮带秤的现状和实际过程中遇到的困难，给出自己的设计方案。在保证系统称重精度和控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。从而改进系统的整体设计。结合配料系统的实际工作情况，通过系统分析，给出了基于模糊控制技术理论的模糊控制结构框图。根据模糊控制器的设计步骤，设计了一种与传统PID相结合的模糊PID控制器。解决了皮带秤配料系统的控制和误差调整问题，从而提高了配料系统的配料速度和精度。最后从仿真中可以看出，引入模糊控制后，当系统受到扰动而出现偏差时，调节效果非常好。解决了原配料系统误差大、动态特性不理想、超调大时的控制精度和配料速度问题，大大提高了系统

13、的计量精度和配料速度。为保证整个控制系统的可靠性，选用研华工控机作为主机，并安装了四口串口扩展卡。工控机和4台称重配料仪表采用RS232通讯协议。上位机软件在Windows环境下用汇编语言编写，实现全中文用户界面。该程序由生产监控、系统设置、物料设置、客户管理、任务管理、配方管理和各种统计报表等模块组成。具有界面友好、操作简单、功能强大的特点。整个系统实现自动化，节省人工，提高生产效率。本文第二章阐述了皮带秤配料系统的整体结构设计；第三章是模糊PID控制器设计过程的具体分析；第四章是控制系统电气部分的具体实现；模拟PID控制。2、皮带秤配料系统的工作原理及总体设计皮带秤配料系统中的配料皮带秤作

14、为在线计量的动态衡器起着重要的作用。已广泛应用于冶金、煤炭、烟草、化工、建材等行业。它集运输、称重、配料于一体。安装。皮带秤仪表除显示瞬时流量和累计流量外，还可以根据接线盒传来的数据与给定值的偏差控制给料机的给料，保证瞬时流量恒定。这构成了一个闭环控制系统。2.1 皮带秤配料系统的组成及工作原理2.1.1 皮带秤配料系统组成配料皮带秤系统结构如图2.1所示，由料斗、进料设备和皮带秤三部分组成。在图 2.1 中：A-称重传感器；B-速度传感器；C-称重托辊；D型接线盒；电子衡器。简述各部分的作用：1. 料斗料斗主要通过给料设备将物料送到配料皮带秤。料斗通常由普通钢板或镀锌板冲压或焊接而成。输送磨

15、料时，料斗边缘经常折叠并用钢丝和附加衬垫加固，以防止快速磨损。为防止物料在料斗内堆积，前后壁多采用略带斜角的圆弧连接。安装时注意适当的距离，以免卸载时对皮带秤造成冲击。2、喂料设备皮带秤的配料系统通过上料装置将物料送入下一级。进料速度决定物料流量，进料速度由调速电机控制。在调速配料模式下，更换配料皮带秤本身，而在恒速配料和双速配料模式下，给料装置是一个独立的装置。给料设备的形式也多种多样，有电磁振动给料式、盘式给料式、密封叶轮给料式、螺旋给料式等。对于含有少量水分的粘性和颗粒状物料，可采用电磁振动给料或循环给料。用过的。选择。圆盘进料式；对于干燥的细粉物料，可选择密封式叶轮进料式或螺旋进料式。

16、在实际应用中，应根据材料的特性进行选择，设备应能接收上一级的420mA（或15V）模拟信号。本设计根据物料的物理特性选用电磁振动给料式给料设备。此外，对喂料设备的基本要求：l) 应能保证一定的进料量，便于随时调整进料量；2）加料量的精度应满足生产工艺的要求；3）应满足生产过程中的其他工艺要求，如自动测量、自动控制等；4) 上料设备应简单、紧凑、可靠、易于维护。3、配料皮带秤（机械部分和电气部分）配料皮带秤的机械部分由秤架和皮带传动组成。秤架是皮带秤的承重和重力传递装置。秤架按形状特点可分为多滚轮式、单滚轮式和悬臂式。三。配料皮带秤的电气部分由称重传感器、速度传感器、称重仪表和调速电机组成。各部

17、分的工作情况如下：当料仓内的物料由上料设备送入配料皮带，物料随皮带到达称重点时，物料的重量通过电信号转换成电信号。一个电信号。称重传感器 A，并使用速度传感器。 B 将皮带的速度值转换为电信号。信号通过接线盒D汇总后送到称重仪表E，仪表再对采集到的信号进行计算处理，最终转化为瞬时流量和累积流量。同时，称重装置向调速电机输出标准控制信号，调节进料速度，从而保持物料流动稳定，最终使系统配比更加准确。2.1.2 皮带秤工作原理皮带秤的测量对象是连续流动的物料，可以显示物料的瞬时流量和一定时间内的累计流量。皮带秤在皮带运行时进行测量，因此测量的稳定性非常重要。当物料量变化，皮带重量不均匀，上下跳动随皮

18、带速度变化时，皮带秤应有较好的适应性。因此，皮带秤的主要特点是连续自动称重。如果测量单位长度的瞬时流量，它是物料在一段距离内的重量，或者是一段时间内一段距离内的累积重量。这些量的计算可以在积分和累积方法中进行。在本设计中，积分法用于表示一段时间内的累积流量。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）为皮带单位长度的载荷，v（m/s）为同时皮带的速度。但在实践中，单位长度的载荷与材料本身的性质有关，可能会出现不均匀的情况。因此，时间间隔T内的累积流量可以用以下积分公式（2.1）表示：WT 间隔 kg 或 t 期间的物质积累；T物料通过秤的时间S或h；q( t

19、) 单位皮带长度的物料重量kg/m；V(t)物料在皮带上的运行速度m/s。皮带秤根据力学中的悬索原理工作。带的受力平衡关系是弹性静态不确定度和柔性悬索之间的关系。由于皮带的横向承载力小，更接近于悬浮状态，所以皮带秤的测量是用线性分布密度代替体积分布，根据流量来测量。2.2 配料皮带秤工作方式配料皮带秤是配备皮带秤整个称重装置的皮带输送机。喂料设备调整产量。根据给料设备调速方式的不同，配料皮带秤有以下工作模式：2.2.1 拖动批处理方式牵引式配料皮带秤是指没有专用给料机，只用皮带输送机调节速度的配料皮带秤。因此也称为调速配料法。配料皮带秤直接安装在进料斗下方，通过拖动将物料从进料斗中拉出。这样的

20、调速带式输送机既完成了称量物料的任务，又完成了调整物料量的任务。因此，在拖曳秤的工作模式下，严格来说，没有专用的给料机就不能称为给料机，给料机的功能是由配料皮带秤的皮带输送机完成的。拖式配料法的优点： 1）无需专用给料机，系统结构简单，设备投资低； 2）省电； 3）皮带上的物料负载不随物料量的变化而变化，物料的准确称量有利于提高速度和控制精度；系统无滞后，电机转速变化时，进给速度也随之变化，控制精度高。拖式配料法的缺点： 1）进料仓直接在皮带秤的皮带输送机上，进料时皮带受力； 2）没有专用的送料器，调零和更换皮带困难； 3）不适用于干粉和粘性物料；因此，这种工作方法可用于湿度适中、流动性好的材

21、料体系。2.2.2 恒速配料法等速配料是指给料机调速的配料带段和带式输送机的等速方式。给料机的调速可以完成料量的调节任务，而皮带输送机的速度是不可调的，皮带上的物料负荷随料量的变化而变化。早期的配料皮带秤多采用这种方法。等速配料的优点是： 1）进料斗与配料皮带秤之间有专用的给料机，便于皮带秤调零和皮带更换。 2）测量精度高，可靠性好，适用范围广。缺点是：1）有专用馈线，投资大； 2）皮带上的物料负荷随物料量的不同而变化，影响物料的称量精度。因此对配料控制精度要求不高，恒速配料方式适用于流量设定值变化较小的物料系统。2.2.3 两档可调配料方式双速可调配料皮带秤是指给料机和皮带输送机均调速的配料

22、皮带秤。给料机的调速是为了改变给料量，而皮带输送机的调速是为了使皮带上的物料负载始终保持稳定。双调速有两种方式：一种是给料机与皮带机同步调速，即采用机械方式通过变频器同步驱动给料机和皮带机的电机；给料机和皮带输送机的电机。同步调速方式机械装置较多，但省去了一台变频器，总体上节省投资；两台变频器多用一台变频器进行调速，虽然投资增加了一点，但调节更灵活，适应性更强。强大的。料量设置的变化范围较大。目前，大多数应用使用两个变频器分别驱动给料机和皮带输送机电机。二速配料方式的优点是：1）皮带上的物料负荷不随物料量的变化而变化，可以提高物料的称量精度； 2）有专用送料器，方便皮带秤调零、皮带更换等操作。

23、双速配料法的缺点是系统组成比较复杂，需要调整的设备有两台，投资最高。因此，对于配料精度要求高、流量设定值变化较大的配料系统，两档调节配料方式更为合适。总之，实际采用哪种配料方式应根据具体情况确定，并根据控制精度、系统可靠性、投资规模等因素综合考虑。由于本设计的配比系统用于煤和焦炭的配比，要求系统具有良好的可靠性和较高的计量精度。综合考虑各方面，选择拖投方式。2.3 皮带秤配料系统总体设计本设计的配料系统由4个皮带秤组成，系统组成如图2.1所示。系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、电源控制柜、逆变柜、低压开关柜、现场操作面板、工控机（以下简称工控机）、监控管理软件、等等l) 配料电子皮带秤配料

24、电子皮带秤具有输送和计量两种功能，对通过皮带的物料进行自动连续称重和堆积。称重部分采用电阻应变工作原理和多滚轮杠杆结构。在实际工作中，通过调节上料设备的进料速度来改变物料流量。这种皮带秤多用于企业部门生产过程的控制。2）仪表控制柜仪表控制柜由4个称重仪表组成。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速度传感器的速度脉冲信号，计算出瞬时流量和累计量，并将流量信号以4-20mA模拟电流的形式致给工控机。将流量信号与设定值进行比较，按照一定的控制规则输出4-20mA的调节信号，控制现场加料设备的速度，从而形成单机闭环系统，实现目的是控制某种物质的流动。衡器通过RS-485通讯接口与工控

25、机通讯。3) 电源控制柜电源控制柜是电源部分的中央控制部分，装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器（以下简称PLC）和电机保护电路。用于监控现场带式输送机的运行情况；控制现场皮带输送机和给料设备的启停；指示电机的运行状态；联锁控制、打滑偏差报警等。PLC通过RS-232通讯接口与工控机通讯。4）变频柜柜内变频器接收电源控制柜的开关信号，控制上级馈线电机的启停，同时也接收工控机的4-20mA调节信号，控制现场的四台馈线。以下方式。改变输出功率的频率。设备的旋转速度。5) 低压开关柜低压开关柜装有开关、电压表、电流表、断路器、隔离变压器等装置，为系统各部分和配煤系统的动力部分提供电源，并检测线

26、路电流和相位- 到电源部分的同相电压。6) 现场操作面板本设计设计的皮带秤配煤系统电机现场控制部分设有控制按钮和指示灯，可控制现场皮带输送机和侧喂设备的启停。设备，并指示可编程逻辑控制器PLC控制电机的运行。命令状态。7) 工控机及监控软件工控机主机采用研华IPC-610 14机架工控机机箱。PCA-6179L全长CPU卡，512M内存，80G硬盘，一张PCL-746+四口RS232/422/485通讯接口卡，两张pCI-1720U 4通道隔离模拟输出卡（设置为420mA模拟输出卡输出）。工控机作为上位机通过RS485双向通讯接口与衡器通讯，通过RS232双向通讯接口与动力控制柜内PLC通讯，

27、输出模拟信号控制进料流量和给料设备，从而形成一个完整的配料系统。工控机还具有RS485双向通讯接口，用于备份。监控软件界面采用菜单方式，用户可通过鼠标或键盘操作，使用非常方便。整个配料系统主要根据生产配方和产量要求自动控制称重过程，并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初始化各种数值，包括各种物料的名称、料斗编号、标准流量、标准比例等，然后按一定的顺序控制各个上料设备。每个进料装置以一定的流量进料。工控机从称重仪表中读取重量信号和累计量数据，然后根据各组分累计量计算出当前的实际比例，并与标准比例进行比较。纠正各喂料装置的喂料。设置该值，使系统工作在最佳比率状态。当达到设定

28、的累计产量时，各送料装置按一定顺序停止。该系统由上位机控制，控制多台供料装置。为了达到一定的配比，各加料装置的工作要相互联动，给定的流量要根据当前的实际配比进行修正，所以控制结构比较复杂。基于以上考虑，设计了如图2.3所示的i号给料设备控制框图模型。Pgi - 希望收益Pfi - 电流累积Fgi - 给定流量Ffi - 实际流量Fi-瞬时流量从图2.3可以看出，系统设计为双闭环控制结构。对于第 i 个 bin，有 2 个闭环和一个前馈。外环根据当前累加值与期望输出之间的差值P和前馈链路中馈线的电流来修改给定环。价值。该回路为模糊PID控制器，根据给定流量Fgi控制调速给料机，使给料流量Fi控制

29、在给定值Fgi的理想环境内。控制器采用模糊PID控制方法与传统PID传统方法相结合。当偏差较大时，采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时，采用传统的PID控制方法。这样就可以解决系统误差大、动态特性不理想、超调量大等控制问题。2.4 速度传感器的选择从前面对皮带秤工作原理的介绍可以看出，在电子配料过程中，重要参数瞬时流量和累积流量与皮带上的物料负荷q和皮带速度v有关。是： w(t)=qv 其中物料负载由称重传感器测量，皮带速度由速度传感器测量。因此，传感器的测量精度尤为重要。提高传感器的精度是提高电子皮带秤系统精度的有效途径。因此，传感器的选择要慎重。在本节中，我们首先看一下速度传感器的选择。常

30、用的速度传感器的精度大多为千分之几。皮带秤配料系统中速度检测的准确性直接影响皮带秤的精度。速度传感器主要分为数字式和模拟式两种。目前主要有磁阻脉冲型和光电脉冲型两种。不再使用模拟速度发生器型速度传感器，取而代之的是上述两个输出脉冲信号的数字速度传感器。下面主要介绍数字速度传感器。2.4.1 磁阻式速度传感器磁阻式转速传感器的结构是转子和定子为纯铁圆盘，端面等间距铣削，定子上装有轴。转轴壳上装有环形磁铁和环形线圈，由压块压紧。转轴与被测轴连接，带动转子转动。当定子与齿顶相对时，磁阻最小；当齿顶与齿槽底部相对时，磁阻最大。由于磁通量为：因此，当磁阻发生变化时，磁通量也会发生变化，并且线圈会感应出电

31、势。如果转子和定子面上的齿数为 z，则转子速度为 n (r/min)。线圈输出电位的频率 f 为：一般：z=60，则 n=f。因此，计算频率，即每秒脉冲数，就代表转速，即每分钟转数。频率电压转换电路也可用于将频率线性转换为模拟电压输出。此外，采用脉冲频率法测量转速，可用标准信号发生器校准。用信号发生器的频率代替光电或磁阻速度传感器的脉冲频率。因此，校准简单而准确。目前，脉冲频率法测量转速已成为转速测量的主要方法。但用于高速测量时，由于磁路磁滞的影响，线圈中的感应电压太小而无法测量。此外，一旦运输工具受到震动，磁接收器将无法正常工作，信号很容易丢失。2.4.2 光电速度传感器光电速度传感器有透射

32、式和反射式两种。传动式光电速度传感器在转轴上装有测速盘。圆盘上均匀分布有槽或孔，光源和光电接收元件安装在圆盘的两侧。当圆盘旋转时，产生光脉冲，光电元件输出电脉冲。反射式光电速度传感器是利用金属箔或反射纸带在被测轴数上沿圆周方向等间隔形成黑白吸收反射面。传感器的光源通过聚光透镜形成平行光，然后被半透膜反射到转轴的黑白反射面上。提供一个透镜来聚焦光线。反射光再由透镜形成平行光，通过光阑后，透镜聚焦在光电元件上。因此，当轴旋转时，光电元件输出电脉冲。对电脉冲进行计数可以测量转速，或通过频率电压转换器将电脉冲转换为电压模拟输出。测速脉冲信号经过整形放大后转换成0-10VDC的模拟信号，作为称重传感器的

33、桥电压，在称重传感器中实现倍增。对于不自行调速的皮带秤，皮带速度的变化主要取决于电源的频率。但是对于大电网供电的用户，由于电网的工频比较稳定，即使在不同的负载率下，皮带速度的变化率通常小于0.2%。通过多年的经验可以得出结论，当皮带速度变化大于0.2%或配料秤称重精度高于0.5%时，应使用速度传感器。反之，当皮带速度变化小于0.2%或称重精度要求小于0.5%时，可以考虑使用速度传感器。在皮带秤的配料系统中，控制室的显示仪表中有一个开关，用于脉冲和外接脉冲之间的切换。当它碰到外部脉冲的一端时，皮带秤上的速度传感器提供一个脉冲信号。当遇到脉冲时，由显示仪表本身的信号脉冲源提供脉冲信号。当速度传感器

34、出现故障或其他原因不能正常工作时。只要皮带运行平稳，受力均匀，就可以用脉冲代替实际的速度信号。2.5 称重传感器的选择称重传感器是电子皮带秤的重要组成部分之一。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，称重传感器的精度大多为千分之几。选择时应综合考虑传感器的量程、灵敏度、结构、材料等方面。2.5.1 范围选择称重传感器的力是物料的力、传感器本身的重量和称重环周围皮带的重量。存在：材料流动力 F FLOWRATE 。计算方法见公式（2.2）式（2.2）中，Fi物料的额定流量：L称量段长度；R-杠杆比=传感器力/实际称重截面力（一般取R=0.5）；Vt物料在皮带上的运行速度

35、。总之，在系统运行过程中应考虑振动、过载或材料物理特性等诸多因素的影响。通常安全系数设置为1.5，因此选择的20%可以保证皮带秤的可靠稳定运行。同时，传感器的材料应为钢，具有较强的稳定性、抗冲击性和抗过载能力。2.5.2 灵敏度的选择灵敏度（或传感器系数）是指在额定负载下电桥电压为1伏时传感器的输出电压。单位是毫伏每伏 (mV/V)。灵敏度的选择关系到系统能否正常工作，因为要考虑系统中各部件的技术参数是否能匹配。对于电子皮带秤而言，最大称重值、称重传感器选择的灵敏度值、称重仪表选择的桥电压值、最高灵敏度值等参数最终必须满足整个系统的整体指标要求。例如，电子皮带秤的传感器最大受力为110kg，并

36、联使用2个称重传感器。最大称量100kg，灵敏度3mV/V；所选衡器的电桥电压为14V，最大输入灵敏度为1.4uV/e；皮带秤的校准分度为n=5000。那么称重传感器的最大净输出信号为各标定分度值的输出信号为： 由于衡器各标定分度值的输出信号大于衡器的最大输入灵敏度，故选用衡器相关部分的灵敏度。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重要组成部分。称重传感器的种类和类型是根据其物理功能来划分的。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。 .但作为电子皮带秤中的力电转换元件，电阻应变式称重传感器应用最为广泛。主要有以下几种。(a) 圆柱型：量程0500r，

37、灵敏度12mV/V，精度0.10.02%。可用于组装大吨位轨道衡、汽车衡、液罐秤。(b) 合束型：量程02t，灵敏度3mV/V，精度0.050.02%。(e) 桥式：量程020t，灵敏度13mV/V，精度0.10.03%。用于组装电子汽车衡、电子汽车衡、电子料斗秤、电子轨道衡。(d) 辐条式：量程050t，灵敏度2mV/V，精度0.050.03%。用于组装移动式电子秤、电子汽车衡、电子料斗秤、电子轨道秤。(e) S型光束：量程05t，灵敏度13mV/V，精度0.10.03%。用于机电两用秤、小型称重吊钩秤、电子皮带秤等。S型称重传感器应变输出大，线性好。(f)悬臂梁式：量程010t，灵敏度13

38、mV/V，精度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，易于制造加工。通过以上分析，结合系统对配料皮带秤精度的要求，可选择钢制S型称重传感器。横梁，结构紧凑。2.5.4 六线长线补偿技术由于称重传感器一般采用四线连接方式，因此在制造和测试时，电缆的电阻与应变片电阻和传感器部分的各种补偿电阻一起考虑。因此，当电缆的长度发生变化时，导线电阻会增加。如果增大，电源就会不稳定，最终会给称量带来误差。施加在传感器上的电桥电压的计算方法如公式（2.3）所示。式(2.3)中，R-sensor的桥臂电阻；r 线路电阻；U施加在传感器上的电桥电压；U

39、- 称重仪器输出端的电桥电压。六线长线补偿电路原理图如图（2.4）皮带秤通常需要多个传感器并使用并联电源桥。为保证信号稳定传输，常用六线长线补偿技术，如图2.4所示。在接线盒端加2根线芯作为桥电压的反馈线，接在桥源的采样电阻上。这最大限度地减少了温度对传感器的影响。这种方法的传输距离为50%。如果电缆的横截面适当增加，长度可适当增加至100米左右。2.6 配料系统电机调速方案在皮带秤的配料系统中，通过变频器给电机提供可变动力，改变给料设备的给料速度来调节电机转速的方法是最简单方便的调速控制方案。在本设计中，电源电压与频率的比值按照一定的规律变化。2.6.1 交流变频调速原理近年来，随着电力电子

40、技术的飞速发展，交流调速发展迅速。与直流电机相比，交流电机具有结构简单、坚固、成本低等诸多优点。缺点是很难调整速度。但现在有了实用先进的交流电机调速理论，结合电力电子技术和微电子技术，很好地解决了交流电机调速问题。异步电动机的速度公式如公式（2.4）所示式(2.4)中，n-电机转速；n 1旋转磁场的转速；S-滑；f-定子电源频率；PN极对数。由式(2.4)可以看出，改变f 1 、S、PN中的任意一个变量，n都会相应改变，但我们经常使用换子的方法，因为这种方法调速范围大，效果好流畅。和效率。高，动、静态性能更佳。只有改变变频调速才是交流电机理想的调速方式。异步电动机的主体是一个铁磁机构。对于任何

41、铁磁机构，为了充分利用铁磁材料，在使用过程中应尽可能保持磁通量为额定值。对于异步电动机，磁通量具有以下关系：式(2.5)中，U 1 定子相电压有效值N 1 - 每相定子绕组的串联匝数，F 1 - 定子频率K N1 定子各相绕组的绕组系数-气隙磁通在频率控制中，为了获得所需的电磁转矩并充分利用其铁磁材料，气隙磁通应尽可能恒定至额定磁通。由上式可知，为了使气隙磁通近似恒定，在调整定子频率f时必须同时改变定子电压U，即U/f=常数。电磁转矩为：Mem=C m I 2s cos 2s (2.6)式(2.6)中，C m 与电机本身结构有关的比例常数，I 2s - 转子相电流的有效值， 2s - 转子电流

42、滞后转子 EMF 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，一种是恒转矩调速；另一种是恒功率调速。(a) 恒转矩调速由式（2.5）和式（2.6）可以看出，当异步电动机调速时，如果磁通增大，励磁电流会突然增大，从而导致绕组过热，造成一些不利影响。结果;如果磁通量 减小很小，则输出转矩减小。这时，如果负载转矩仍然很大，也会导致定转子过流，引起过热。因此，在一些长期重载的过程中，一般采用恒转矩调速。要求U 1 /f 1 、U 1和f 1都在额定值范围内，不允许超过额定值。因此，逆变器工作在恒转矩状态，以避免电机过流或过热。通常变频器的额定输出电流比电机额定电流大1.5倍左右

43、。(b) 恒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组绝缘强度的限制，不可能无限制地增加，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，输出功率基本不变，相当于恒功率调速。2.6.2 逆变器控制回路设计变频器的基本控制回路：与外界信号交换的基本回路是模拟和数字：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，即逆变器的启动。停止命令、正反转命令等（数字）。外部控制指令信号通过上述基本电路引入逆变器，干扰源也在其电路上产生干扰电位，以控制电缆为介质侵入逆变器。使用变频器时，请注意以下几点：(l) 为了延长变频器的使用寿命，需要

44、将数字开关信号连接到控制输入端口。(2) 逆变器的电源端不能接保险丝，以防止逆变器无相运行。但是可以连接空气断路器，这样可以在保护逆变器的同时切断三相电源。2.7 系统抗干扰设计本系统中大功率电机和变频器较多，干扰较大。这些干扰会对重量信号、速度信号、4-20mA模拟电流信号、通讯信号等微弱信号产生很大影响。因此，在本设计中，结合常用经验，采取以下措施，尽量减少这些干扰。1、工频电源对仪表柜内的敏感仪表产生干扰。低压开关柜内需安装380V/220V隔离变压器。当电源谐波严重时，可在隔离稳压器前加低通滤波器，消除电源。通常低通滤波器先接电源，再将低通滤波器的输出接隔离变压器。2、一些现场信号尽量

45、使用高压开关信号。原速度传感器采用微型步进电机，其输出为正弦波，伏特值约为3V，频率范围为20-30Hz。信号传输距离长，信号衰减。大，最易受干扰，常叠加在其他类似频率的干扰信号上，仪表显示显示转速信号不稳定，严重影响测量精度。改进之处在于：采用开关量传感元件作为测速元件，输出方波，电压值在12V以上，抗干扰效果很好。3、现场信号电缆应尽可能屏蔽或绞合。接线时要注意供电和控制，强弱电分开。控制柜采用金属外壳，逆变柜与其他机柜之间有一定距离。此外，必须有良好的接地系统。3、电子皮带秤的模糊PID控制3.1 概述在电子皮带秤配料控制系统中，为满足配料要求，每台皮带秤仪表不仅要指示相应皮带上物料的瞬

46、时流量，还要根据物料在相应皮带上的瞬时流量进行调整。对应的腰带。皮带偏差和设定值。瞬时流量的大小构成了一个闭环系统，以保持恒定的流量。在传统的皮带秤配料系统中，通常通过控制仪表从实际瞬时流量中减去设定的给定流量，得到偏差值进行PID调节或其他形式的控制模型计算，然后使用配料皮带秤。 . .仪表根据计算结果控制加料装置的加料量，保持瞬时流量恒定。以电子皮带秤上的物料流量为目标值，通过速度传感器得到压力传感器采集的单位压力和电机转速，从而得到皮带秤上的物料流量。信号调理后，电脑根据设定的目标值，通过PID控制算法得到新的转速，输出给变频器调节给料机的频率，使稳定流量接近目标值，然后得到所需的物料流

47、。PID控制器算法简单、鲁棒，在使用中不需要建立精确的系统模型，因此成为应用最广泛的控制器。 PID控制器是根据系统的偏差，利用偏差的比例、积分、微分计算控制量进行控制。要用PID控制器调节物料的瞬时流量，往往需要在仪器中预先设置好PID控制调节的三个参数K P 、k I和k D 。只有这三个参数选择得当，PID控制环节的比例-积分-微分才能很好地协调，使调节过程快速、稳定、准确。但是，这三个参数的选择一般都是工程师和现场操作人员根据实际经验总结出来的，一旦确定就不能轻易改变。在实际运行中，皮带秤的配料系统会受到各种因素的影响，如机械振动、物料条件和参数变化等。在运行过程中，系统不能随着外界条

48、件的变化而实时自动调整PID3参数。 PID输出，缺乏灵活性。在传统的PID控制中，通过调节PID的三个参数可以得到理想的响应曲线，因此系统的控制效果与参数的设置有很大的关系，但是三个参数的调节往往非常繁琐。而且系统也会随着外部环境的变化而不断变化，因此必须重新调整参数，无法达到最优控制。本设计在传统PID控制的基础上，在系统中加入模糊控制，应用模糊控制原理，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参数整定经验和专家知识模糊化，利用模糊原理将其转化为计算机可接受的控制模型，使计算机代替人进行有效控制，从而实现三个参数的实时在线调节。目的。3.2 系统控制模型设计控

49、制系统的设计是针对实际应用的被控对象进行的，其设计过程离不开被控对象。在本设计中，当系统正常工作时，料斗中的物料通过给料装置落到配料带上。当物料通过称重段时，物料的重量和皮带的速度由称重传感器和速度传感器转化为电能。信号，信号通过接线盒汇总后送至称重仪表。称重仪表对采集到的重量、速度信号进行相应的计算处理，最终转化为物料的瞬时流量和累计量。同时，衡器向调速电机输出标准控制信号，以调节加料设备的加料速度，最终使输送带上的加料电流保持恒定，达到准确配料的目的。该系统具有一个控制器控制多个馈线。为达到一定的配比，各给料机的工作是相互关联的，给定量应按当前实际配比进行。因此，其控制结构较为复杂。馈线

50、i 的控制框图模型如图 3.1 所示。从图3.1可以看出，系统的设计是双闭环控制结构。就第 i 个筒仓而言，有 2 个闭环和 1 个前馈。外环根据累计电流值与预期输出的差值P和前馈环节中馈线的电流对环路的馈电进行修正。价值。该回路为模糊PID控制器，根据给定流量Fgi控制调速给料机，使给料流量Fi控制在给定值Fgi的理想环境内。3.3 模糊控制技术在 PID 控制系统中，设置和调整适当的 PID 参数以达到令人满意的调整过程质量是极其重要的。 PID控制器参数整定的方法有很多，可以概括为两类：一类是理论计算整定方法，一类是工程整定方法。实践中一般采用简单的工程整定方法，但需要将得到的参数值提前

51、放入控制器中。当系统结构或参数发生变化时，无法进行自动调整，具有一定的局限性。模糊理论是在1965年加州大学伯克利分校Lotfi.A.Zadeh教授创立的模糊集理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制。模糊控制模仿人类的思维方式。在计算控制量时，不需要参数的精确量，而是根据参数的模糊信息，通过模糊推理得到控制量的模糊形式，然后对具体量进行去模糊化处理。控制量。它与基于受控过程数学模型的传统控制理论有很大不同。它是一种利用模糊集理论的控制方法。在模糊控制中，受控过程不需要像传统控制那样进行量化建模，而是通过专家的行为和经验成功地控制被控对象。当受控过程非常复杂

52、且难以想象时，可能无法建立受控过程的数学模型，或者可能成本高昂。在这个时候，模糊控制是相当有吸引力和有用的。由于模糊控制是建立在模糊逻辑的基础上的，所以也称为模糊逻辑控制。在本设计中，配料系统受传感器的选择、设备的安装、物料的物理性质等诸多因素的影响，当出现较大误差时，其动态特性不理想，出现过冲。它也很大，需要结合模糊控制的原理来创建系统的模糊控制结构和模型。提高控制效果，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。它采用基于语言的控制规则，通过模糊逻辑和近似推理，对现场操作人员的控制经验或相关专家的知识进行形式化和建模，并成为计算机可接受的。控制模型允许计算机代

53、替人类执行有效控制。为了实现模糊控制，可以利用语言变量的概念作为手动控制策略的基础，并在此基础上开发一种新型控制器模糊控制器。模糊控制结构图如图3.2所示：图中：Fgi系统的设定流量是一个准确的量。Ffi - 系统测量的瞬时流量是一个精确的量。e和c的系统偏差和偏差率是精确量，它们是模糊控制器的输入。E、C模糊量化处理后的模糊偏差量和偏差变化率。通过模糊控制规则和近似推理，对U-模糊量的偏差和偏差变化率进行处理，得到输出控制的模糊量。u 输出控制的模糊量是模糊判断后得到的精确控制量，用于控制被控对象。Fi 系统输出。3.3.2 模糊控制器的设计与实现如图 3.3 所示，控制量为进料流量 Fi，

54、控制量为 Ui。模糊PID控制器与传统PID相结合。当偏差较大时，采用模糊控制。当偏差减小到很小的范围时，使用模糊控制。传统的PID控制方法。两种控制方式由Bang-Bang开关切换，控制器结构图如图 3.3 所示。图 3.3 模糊 PID 控制器结构图邦邦转换开关Bang-Bang 开关实际上是控制器中的一个软件开关，用于确定使用哪种控制算法。设e 1表示偏差的边界值，切换规律为：当|e|e 1时，K P =1，K f =0，即采用PID控制规律；当|e|e 1时，K P =0，K f =1，即采用模糊控制律。从图3.4可以看出，模糊控制系统通常由四部分组成：模糊控制器、输入/输出接口、被控

55、对象的给料器和计量装置的称重仪表。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，即以系统偏差和偏差变化率作为输入量，以被控对象的控制量作为控制量.输出。模糊控制系统的好坏很大程度上取决于控制规则和隶属度的确定。控制规则是其核心。通常使用表达式 IF a THEN b。条件 a 可以是多个条件的逻辑乘积。具体实施步骤如下：(l) 输入输出变量的模糊化(2) 输入和输出变量的模糊集全域(3)根据专家知识或实际操作经验，得到模糊控制器的控制规则(4) 从模糊控制器的控制规则表中得到输入到输出的模糊关系R(5) 模糊推理(6) 模糊决策（输出去模糊化）(7) 模糊控制查找

56、表模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。在本设计中，模糊控制器的输入变量个数为2，即模糊控制器的维数为2，所以它是一个二维模糊控制器。在本设计中，针对批处理过程设计了一个关于流量的模糊控制器，并捕获了瞬时流量 Fi 与设定流量之间的偏差。和偏差变化率 ec 作为模糊控制器的 2 个输入变量。模糊控制器的输出是 PID 控制器的三个整定参数 k P 、 k I和 k D 。经过PID调节器后，变频器控制流量。控制模型如图 3.4 所示。该实现方法可以获得偏差e、偏差变化率ec与PID3参数之间关系的模糊控制查找表。系统在运行过程中不断检测e和ec，并通过查表在线调整三个参数

57、以满足不同的要求。和 ec 对 3 个参数有不同的要求。具体实施步骤如下：输入和输出变量的模糊化系统中输入变量的实际变化称为变量的基本全域输入偏差 e 的基本域是 -e, e量化域为 E=-3,-2,-1,0,l,2,3量化因子ke =3如果基本宇宙是 a,b 并且量子化宇宙是 E=-3,-2,-1,0,1,2,3，那么离散化是X = 23b-a( x*- a+b2) 是一个整数，其中 xE, 输入偏差变化率ec的基本域是-ec,ec量化域为 EC=-3,-2,-1,0,1,2,3量化因子 K ec =3如果基本宇宙是 c,d 并且量子化宇宙是 EC=-3,-2,-1,0,1,2,3，那么离散

58、化是y = 23d-c(y * - c+d2) 是一个整数，其中 yEC, y 输出 K P为 -m,m量化域为 KP=-3,-2,-1,0,1,2,3比例因子 K kp =m如果输出 K p的基本全域为 m,n 且量化全域 KP=-3,-2,-1,0,1,2,3，则离散化为 z= 23n-m(z * - n+m2)，这是一个整数，其中 z KP , z 的模糊量化原理类似，这里不再详述。(2) 确定输入输出变量的模糊子集和隶属表模糊控制输入所需的变化范围称为它们的模糊子集。全域模糊子集的确定与下一次模糊推理所需的模糊值有关。模糊值可以用模糊词集来表示。人们对数值的模糊表示一般可以用大、中、小

59、来区分。另外，正负模糊词集可以表示为：负大、负中、负小、零、正小、正中心、正大，用符号表示：负大NB（NegativeBig），负中NM（NegativeMedium），负小NS（NegativeSmall），零ZE（零），正小PS（PositiveSmall），正PM（PositiveMedium），正大PB（PositiveBig），即NB 、纳米、NS、O、PS、PM、PB。输入e，ec的模糊子集为E，EC=NB, NM, NS, O, PS, PM, PBP , k I , k D的模糊子集是 KP , KI, K D = NB, NM, NS, 0, PS, PM, PB。模糊变量的

60、隶属函数与普通变量的特征函数相同，但其取值范围不是简单的0或1，而是在0,1之间连续变化。隶属函数的形状常采用梯形、三角形、钟形、高斯等。在实际应用中，为了方便使用更多的三角形。选择三角函数作为隶属函数。对于输入和输出的每个模糊子集，可以确定其各自定量域中每个元素的隶属表，如表 3.1 和 3.2 所示。表 3.1 E 和 EC 的成员欧洲经济共同体-3-2-10123带领000000.51下午00000.510.5后记0000.510.50000.510.500NS00.510.5000纳米0.510.50000注意10.500000表 3.2 K P 、 K I 、 K D隶属度表K P