基于PLC的微粉生产线控制系统的研究与实现

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  【摘 要】:针对微粉生产线上的气浪这个强干扰的问题,对分级机的控制采用了九点控制器设计方法。指出传统的控制方案在分级机转速的控制上的不足,介绍九点控制的理论基础,提出了进行九点控制控制器设计的步骤,最后结合PLC对九点控制器进行工程化实现,通过最终的现场调试结果验证了控制策略的正确性,并证明了这种方法在滑石微粉生产线控制中使整个系统响应快,调节时间短,鲁棒性好,转速输出值特别稳定,具有推广价值。
  【关键词】:实时微粉生产线 分级机 PLC 九点控制器
  1 引 言
  微粉生产线系统的控制是个非常复杂的过程,要求对分级机和给料机进行精确的控制,分级机的分离点能决定的最终产品的细度,而给料机又直接影响着生产线的生产效率,这就对自动控制提出了较高的要求。随着控制理论和控制技术的发展,目前在微粉生产线中有以下几种常用的控制方案:1)常规PID控制方案,2)最优控制和自适应方案,3)智能控制方案。
  比较以上三种方案,第一种方案中算法简单、参数调整方便的并有一定的控制精度的特点的PID算法,是目前国内用的最为普遍的控制算法,这种方法也有其局限性:PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果,当一个调好参数的PID控制器被应用到模型参数时变的系统时,系统的性能会变差。第二种方案中变频调速本身具有非线性特性,因此建模时常假设它在工作点附近为线性来逼近实际系统,最优化控制和自适应控制就是以此为基础来设计控制器的,而对此类系统进行非线性控制,我国还停留在仿真研究阶段。第三种方案的技术特点是把人工智能的方法引进控制系统,利用人的实践经验、逻辑推理和自学习能力,从定性和定量相结合的方法入手,对那些因结构复杂、参数时变而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出灵活的控制策略。但智能控制技术较为复杂,我国在这方面起步较晚,很多研究成果还停留在实验室研究阶段上,真正在工业上应用并取得成功的不多。
  本文中采用一种新的先进的控制方法--九点控制器设计方法来改进整个生产的控制过程,通过这种方法控制之后,在特定的场合中也能达到系统对相应响应时间、精度、稳定性的要求,从而可以提高生产效率,并且节约资源。
  2 微粉生产线的九点控制器设计
  2.1九点控制器的原理
  九点控制器基于模糊控制的理论,运用泛布尔代数控制方法,具体分析人类思考控制过程,创造性提出的新型控制算法。它利用反馈信号的大小和导数不断调整系统的输出,使其达到预期的要求。根据不同的偏差和偏差率,九点控制器把系统分为九个工况,通过设定九点控制器的九个参数,可以对系统不同工况进行有效的调控,以达到系统的稳定。
  九点控制器属于逻辑控制而不属于模糊控制,逻辑控制、传统控制与模糊控制三者区别如下:传统控制理论是依据微分方程实现自动控制,模糊控制和逻辑控制都是依据概念控制,这是对传统控制的一种突破。模糊控制与逻辑控制的差别在于:模糊控制是按照查德LA 提出的模糊集理论及相应的定义运算进行的,逻辑控制是按照泛布尔代数所服从的规律进行的。模糊集的补余律不成立, 泛布尔代数的补余律成立。非的运算在两个系统中定义也是不同的,与带修正因子的模糊控制差别在于:一种用数学解析式来表示控制规则或输出响应, 而另一种用泛布尔表达式来表示(符合人类逻辑思维规律)。它是根据当前所测得偏差和偏差变化相互之间关系来判断未来响应变化趋势,控制器及时采取措施使得被控对象的输出快速向偏差零带e(0)靠拢。称偏差零带是偏差设定所允许的范围(精度),此时偏差变化零带de(0)是偏差变化设定所允许的范围。九点控制器的输入偏差(e)量, 其控制策略的依据是偏差零带与偏差变化之间的关系。选用不同控制策略进行调节控制。
  2.2 九点控制器的控制策略
  控制系统组成如图1所示。
  系统由三部分组成:被控对象、工况鉴别器和九点控制器。图中r--系统给定输入,c--系统输出响应,e=r-c --系统本次偏差, e=(e-e-1)/T --偏差变化率,其中e-1--上一时刻偏差,T --采样周期,uc --九点控制器产生的控制作用。考虑系统运行时,系统的偏差及偏差变化率可能产生九种工况。可以用相平面图来对这9 种组合状态进行描述,如图4-4所示。设±e0为系统允许偏差(偏差零带), 0为系统允许偏差变化率(偏差变化率零带)。
  图2 e和 组成的相平面
  则所应采取的控制策略如下:
  九点控制器控制策略如表1所示:
  表1 九点控制器控制策略表
  Ki+/-表示九点控制器采取的控制策略,分别表示多加、加、稍加、微加、保持、微减….等九种控制策略。下标i表示控制作用的强度(i=0,1,…4),下标+/-表示为控制作用方向(加/减)。
  根据这些偏差--偏差变化率的组合形成九种工况,根据这些工况所采取相应的控制策略(指令),及时的向被控对象进行能量补充或消耗,从而达到控制目的和性能要求。每一时刻仅有一种控制策略。例如: 就为一个工况;其逻辑含义为;偏差为负且偏差变化也为负,所应该采取的控制策略为K4-= ;即强减。根据表1:其控制策略的逻辑关系表达式为:
  相应的工况区, 控制器的输出uc = Kie , 其中,Ki ( i = 1 ,2 , …,9) 为控制器的控制参数, 控制策略分析如下:
  ①对于Ⅰ区, 表示系统的输出值小于设定值,并有继续偏小的趋势。这时控制器应给出很大的控制作用, 发出强加(++++)的指令(即K4+取值很大) 。
  ②对于Ⅱ区, 表示系统的输出值小于设定值, 没有继续变化的趋势。这时控制器应给出较大的控制作用,发出稍加(+++) 的指令(即K3 取值较小) 。
  ③对于Ⅲ区, 表示系统的输出值小于设定值, 但有向设定值靠拢的趋势。这时控制器应给出较小的控制作用,发出弱加(++) 的指令(即K2 取值较大) 。   ④对于Ⅳ区, 表示系统的输出值等于设定值, 但有负向偏离设定值的趋势。这时控制器应给出很小的控制作用,发出微加(+) 的指令(即K1+取值很小) 。
  ⑤对于Ⅴ区, 表示系统的输出值大于设定值, 并有继续偏大的趋势。这时控制器应给出很大的反向控制作用,发出强减(- - - -)的指令(即K4-取值很大) 。
  ⑥对于Ⅵ区, 表示系统的输出值大于设定值, 没有继续变化的趋势。这时控制器应给出较大的反向控制作用,发出稍减( - - - ) 的指令(即K3-取值较大) 。
  ⑦对于Ⅶ区, 表示系统的输出值大于设定值, 但有向设定值靠拢的趋势。这时控制器应给出较小的反向控制作用,发出弱减(- -)的指令(即K2-取值较小)。
  ⑧对于Ⅷ区, 表示系统的输出值等于设定值, 但有正向偏离设定值的趋势。这时控制器应给出很小的反向控制作用,发出微减(-)的指令(即K1-取值很小) 。
  ⑨对于Ⅸ区,
  表示系统的输出值等于设定值, 且没有变化的趋势。这时控制器处于期望的零带,控制器应发出保持(0) 的指令(即K0取值非常小)。
  上述控制策略中,“+”、“- ”号表示控制作用力的方向,符号的个数表示控制作用的强弱程度。一般情况下, K4≥ K3 ≥ K2 ≥ K1 , K0一般取较小值使得系统稳态时的振荡频率较小。
  3 九点控制器的仿真参数分析
  以 为控制对象进行系统仿真。利用九点控制器,可以很容易地进行各项控制指标的分解。为了获得最优的控制策略,找出各控制策略对系统动态指标和稳态过程的影响,选用九点控制器控制策略表中不对称的控制策略
  分别利用九点控制策略下各控制策略对系统进行控制,得到控制系统仿真图如图4-5所示,以时间轴方向进行分析,控制过程如下: “0”时刻起,采用K4+进行控制;0-t1时刻内,采用K3+进行控制,该控制策略对系统超调和上升时间产生间接影响,而对系统的延迟时间产生了直接影响;t1-t2时刻内,采用K2+进行控制,该控制策略对系统的超调产生了间接影响,对系统的上升时间产生直接影响;t2-t3时刻内,采用K1+进行控制,该控制策略直接影响了系统的稳定度,同时欲增加阻尼的作用,使输出保持在零带范围内; t3-t4时刻内,采用K4进行控制,该控制策略直接影响系统超调量,同时间接影响了系统的调节时间;t4-t5时刻内,采用K3进行控制,该控制策略直接影响系统的超调量,同时对系统的调节时间产生间接影响;t5-t6时刻内,采用K2-进行控制,该控制策略对调节时间产生直接影响,同时间接影响系统的振荡次数和稳定度;t6-t7时刻内,采用K1-进行控制,该控制策略对系统稳定度产生直接影响; t7-t8时刻内;采用K4+进行控制,对系统调节时间产生直接影响;t8-t9时刻内,采用K3+进行控制,对系统的调节时间产生直接影响;t9-t10时刻内,采用K2+进行控制,对系统调节时间产生直接影响;t10-t11时刻内,采用K0进行控制,对系统稳定度产生直接影响;t12-t13时刻内,采用K3+进行控制,对系统的稳态误差产生直接影响,在稳态时起主要作用;稳态时,交替出现上两种状态。
  根据上述控制过程进行分析可知:
  1)系统动态响应的延迟时间受K3+/-的影响(K3+/-↑→td↓);
  2)系统动态响应的上升时间受K2+的影响(K2+↑→tr↓但小于K3+);
  3)系统的阻尼带受K1+/-的影响(K1+/-↓→ξ↑);
  4)系统受到强干扰作用时,其超调量受K4+/-的较强的抑制。
  5)系统的震荡次数受K2-的影响(K2-↓→N↓);
  6)系统处于稳态状态下,高次谐波分量受K0的影响。
  7)系统的调节时间受多个因素的共同影响,调节时间在各部分达到最佳状态时即可达到理想状态。
  因此可得到如下结论:
  1)九点控制器是变结构非线性控制。用仿人控制方式可将偏差--偏差变化率的平面划分为九个工况点,每个工况点均视为一个线性区,可用线性控制理论分析。
  2)系统动态响应时;K3+影响系统的延迟时间;K2+影响系统的上升时间;K4-影响系统超调;K2-影响系统的振荡次数。
  3)系统进入静态时:在“零”型系统里,由K3+产生的稳态偏差ess3与偏差零带e0之间的关系为,若:ess3>e0则稳态偏差:ess=ess3;反之:ess=e0。
  4)增益系数K4+在阶跃响应时,主要作用为快速抑制超调从而影响系统的峰值时间,因此K4+> K2+系统收敛;K4+= K2+系统等幅振荡;K4+< K2+系统发散。
  5)动态指标的调节时间ts与超调量σ%与多个增益系数有关,优选各工况点的增益参数,可组合成为一个理想的最佳系统。
  6 结语
  通过对微粉生产过程中常用控制方案和九点控制器设计方法的比较结果,我们发现实际生产过程中对分级机在两种控制方案下的监测结果和在实验室实验的数据结论一致,因此我们用九点控制器成功实现了在微粉生产线控制系统中对分级机转速的控制,比较而言,九点控制器设计方案能使我们的分级机转速始终稳定保持在我们产品所需对应的转速上,这就使得我们的产品颗粒均匀,粒径大小一致,产品质量非常高,满足了用户的生产要求。
  但是九点控制器中也一样存在自己的问题:
  1)九点控制器应用不广泛。如果它能得到广泛应用,变频器厂家直接在变频器内内置九点控制算法,这就会减少我们设计人员很多麻烦。
  2)九点控制器的控制状态的各个K值,允许偏差和允许偏差率的选定要根据实际过程实时的调控和设置,针对不同的控制输出值,调试会显得相对麻烦,而且所需设置的参数值也较PID多,设置过程相对比较繁琐。
  参考文献
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  作者简介
  肖青青,女(汉族)湖北省荆州市长江大学文理学院,专业:机电与信息工程系 434020
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