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              基于模糊控制的皮带仪表给料式定量包装秤优化控制器研究

              发布时间:2019-11-05 09:08:23 |来源:网络转载

              0.引言

              随着经济的发展,对于皮带给料式定量包装秤的需求不断增加…。众多学者对其进行了相关研究,文献[2]提出了一种三级给料控制的方法,减小了称重误差,但难以同时满足计量精度与计量速度的要求,且适应性差。文献[3]在变频调速的基础上加入模糊PID控制器,增强了系统稳定性,提高了系统的计量速度与精度,但仍无法满足适应性的要求。提出了一种基于误差自动修正的控制算法,对误差进行在线修正,有效地改善了系统性能,但该算法在连续工作情况下才能保证较好的效果,且动稳态性能较差。

              为了进一步提高皮带给料式定量包装秤的性能,本文在多级给料方式的基础上,设计了一种基于模糊控制算法的定量包装秤模糊控制器,并将其与异步电机模糊自适应PID。。矢量控制调速系统相结合,构成定量包装秤模糊矢量控制系统,从而提高其动稳态性能,增强其对多种物料多种定量的适应性,解决计量速度与精度的矛盾。通过仿真分析证明了该方法的合理性与有效性。

               

              1.皮带给料式定量包装秤称重系统

              1.1系统的组成

              皮带传输机构、异步电机和减速箱构成皮带给料机。包装袋和夹带装置构成了称重容器,称重控制系统是整个系统的核心。自动运行过程为:称重控制系统检测到上袋信号后,夹袋装置夹紧包装袋,然后启动电机,通过调节电机的转速来控制给料速度当物料重量达到设定值时,给料装置停止给料,打开卸料门,物料放完后自动关闭卸料门。如此循环往复自动运行。

              1.2动态称重模型及误差分析

              称重部分和称重传感器可以等效为一个二阶系统。对其进行受力分析可知,在动态称重过程中,物料重量G(t)和物料下落的冲击力F(t)随物料下落而改变,称重模型随时间变化,此时称重系统为时变线性系统。造成动态称重系统不能及时称量出物料重量的主要原因有两个:

              一、是物料下落产生冲击力,使得称量值大于实际物料重量;

              二、是存在空中落料差,由于这部分物料存在滞后性,导致称量值小于实际物料重量。在给料过程中,当落差高度h和流量系数C等于皮带上物料横截面积S和物料密度P的乘积)一定时,降低给料机的转速n(t),可减小称量误差,但同时降低了计量速度。好的动态称重系统,关键是保证称重速度的同时,具有高的称重精度。本文采用三级给料方式,为保证称量精确度,要求中速和慢速给料存在稳定段,且末级稳定给料时间t>2/g,h为中速给料切换到慢速给料时的落差高度。所以保证计‘量精度的前提下提高计量速度就必须缩短各级给料的过渡时间。

               

              2.模糊控制器设计

              模糊控制器是模糊控制系统的核心,由输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机、输出量解模糊接口组成。

              2.1模糊自适应PID速度调节器设计

              速度调节器本质上是一个PID控制的转差调节器,为了提高系统的鲁棒性、适应性以及动静态性能,本文结合模糊控制对比例系数k、积分系数k和微分系数k进行在线整定。模糊控制器的输入量为转速偏差e和偏差变化率ec,输出量为PID调节器参数增量Ak、Ak、Ak。偏差e和偏差变化率ec的隶属函数如图3所示,图4为输出量△、△、△的隶属函数。根据操作经验和实验分析获得推理规则如表1所示(分别为Ak。/&k/Akd)。

              2.2定量包装秤模糊控制器设计

              根据物料密度、流量和给料皮带转速之间存在的模糊关系,设计了一个模糊控制器,通过物料密度P和目标定量值D得到给料皮带的转速n,从而调节物料流量Q。增强了定量包装秤的适应性,且在保证称量精度前提下提高了定量包装的速度。本设计方案中语言变量P的基本论域为[0.3g/cm。3.5g/cm。1,D的基本论域为[0.5kg,5O],n的基本沦域为[5rad/s,76.5rad/s],输入输出量采用均匀量化形式。

               

              3.控制系统MATLAB仿真

              3.1仿真模型的建立

              为了验证该方法的正确性,本文用MATLAB搭建仿真模型进行验证。系统采用三级给料方式,给料过程中S几乎不变,为了方便计算认为S等于0.0lm,皮带与电机转速之比卵为0.04。所选电机参数如下:额定电压380V,额定功率15kW,额定频率50Hz,额定转速730r/min,定子电阻0.332n,转子电阻0.153n,定转子漏感1mH,互感31.5mH,4对极,转动惯量0.15kg·m。

              3.2仿真结果及分析

              本文将定量包装秤模糊控制器分别与模糊自适应PID和常规PID速度调节器调速给料系统相结合进行了仿真实验。仿真结果,模糊自适应PID调速给料系统均采用快速给料至0.9D、中速给料至0.95D、慢速加料至D,常规PID调速给料系统分别采用快速给料至0.9/0.85/0.8D、中速给料至0.95/0.95/0.92D、慢速加料至D。D:50kg且P=1.5g/cm时,与模糊自适应PID速度调节器相结合的控制系统响应速度快,动稳定性高,存在中速和慢速给料稳定段,且末级给料稳定时间满足要求,既保证了计量精度又提高了计量速度。与常规PID速度调节器相结合的控制系统响应速度慢,动稳定性差,不能同时满足计龟精度和速度的要求。D=25kg且P=1.0g/cm时,与模糊自适应速度调节器相结合的控制系统响应速度快,动稳定性高,存在中速和慢速给料稳定段,且末级给料稳定时间满足称重要求,在保证计量精度的前提下缩短了给料时间。与常规PID速度调节器相结合的控制系统响应速度慢,动稳定性差,不能同时满足计量精度和计量速度的要求。与图7相比改变D与P后,定量包装秤模糊控制器相应地改变了各级给料速度。D=10kg且P:0.5g/cm时与模糊自适应PID速度调节器相结合的控制系统响应速度快,动稳定性高,存在中速和慢速给料稳定段,且末级给料稳定时间满足称重要求,在保证计量精度的前提下缩短了给料时间。与常规PID速度调节器相结合的控制系统响应速度慢,动稳定性差,仍不能同时满足计量精度和计量速度的要求。与图7和8相比改变,J与P后,定量包装秤模糊控制器相应地改变了各级给料速度。由此可见,定量包装秤模糊控制器增强了定量包装秤的适应性。

               

              4.结束语:

              本文针对皮带给料式定量包装秤存在的不足,设计了定量包装秤模糊控制器和模糊自适应PID速度调节器,并且搭建了定量包装秤模糊矢量控制系统仿真模型。通过仿真实验,得出如下结论:

              (1)采用多级给料有效地减小了因冲击力和空中落料量造成的称重误差;

              (2)针对不同的,J和JP,定量包装秤模糊控制器相应地改变各级给料速度,增强了定量包装秤对多种物料进行多种定量的适应性;

              (3)定量包装秤模糊矢量控制系统,加快了响应速度,提高了动稳态性能和调节精度,且没有超调量,增强了控制系统的鲁棒性,更好地协调了计量速度和计量精度的矛盾。上述仿真结果验证了该控市0方法的合理性与有效性,为进行相关的硬件设计打下了基础,具有一定的工程应用价值。

               

              作者:赵健,马西庚,王艳丽,徐峻涛

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