1、河南工業大學控制系統仿真姓 名： 宋伯倫 班 級： 自動化1501 學 號： 202123020218 成 績： 2021年 6月 16 日設計題目 基于MATLAB的皮帶配料控制系統的仿真設計內容和要求 闡述皮帶配料控制系統的工作原理、物料流量特點，建立系統模型， 通過Matlab進行控制系統仿真，到達適應系統工作過程各參數變化的目的。報告主要章節第一章 概述與引言 隨著科學技術的不斷開展，電子皮帶秤配料系統已在煤炭、化工、煙草、冶金、建材等行業中廣泛應用。目前大多數皮帶秤配料系統仍然是采用傳統的PID控制算法，靈敏度較高，可以說在理論上調節是能做到無誤差的，或者說在誤差較小的范圍內確實很有

2、優勢，但是出現較大誤差時，其動態特性并不是很理想，超調量一般較大。所以，本課題設計了一套更為合理高效的電子皮帶秤配料系統，本設計主要針對皮帶秤配料系統中配料這一環節，采用模糊PID和傳統PID控制相結合的方法。本課題主要內容包括皮帶秤的原理與組成，系統的總體設計，模糊控制算法結合本系統的分析以及采用MATILAB進行模糊PID控制仿真。 第二章 各局部設計方案及工作原理 皮帶秤配料系統中配料皮帶秤作為在線測量的動態稱量衡器，有著重要的作用，目前已廣泛用于冶金、煤炭、煙草、化工、建材等行業中，是集輸送、稱量、配料于一體的設備。皮帶秤儀表除了顯示瞬時流量和累積流量外，還能根據由接線盒傳過來的數據與

3、給定值的偏差來控制給料機的給料，從而保證瞬時流量的恒定。這樣就構成了一個閉環控制系統。 2.1皮帶秤配料系統組成及工作原理 2.1.1皮帶秤配料系統組成 配料皮帶秤系統結構如圖2.1所示，由三大局部組成，分別是料斗、給料設備和皮帶秤。圖2.1中：A-稱重傳感器；B-測速傳感器；C-稱重托輥；D-接線盒；E-稱重儀表。 2.1.2皮帶秤工作原理 皮帶秤的計量對象是連續流動的物料，可以顯示物料的瞬時流量和在某一段時間內的累計流量。皮帶秤是在皮帶運行中進行測量，所以測量的穩定性很重要。當物料多少不等、皮帶輕重不均勻和上下跳動以及皮帶速度發生變化時，皮帶秤應有較好的適應能力。所以皮帶秤的主要特點是連續

4、、自動地稱重。 如果測單位長度的瞬時流量，一段距離的物料重量，或在一段時間和一段距離的累積重量。這些量的計算可采用積分法和累加法兩種方法進行計算。在本設計中采用積分法表示一段時間的累積流量。電子皮帶秤輸送物料時，物料的瞬時流量為：qxv(kg/s)，其中q(kg/m)為皮帶上單位長度的載重，v(m/s)為同一時刻皮帶運行的速度。但是實際中，單位長度的載重與物料本身特性有關，可能出現不均勻的情況。所以在T時間間隔的累積流量可用以下積分式(2.1)表示：W-T時間間隔的物料累積量kg或t；T-物料通過秤的時間S或h；q(t)-皮帶單位長度上的物料重量kg/m；V(t)-物料在皮帶上的運行速度m/s

5、。 皮帶秤是按照力學中的懸索原理工作的，皮帶的力平衡關系介于彈性靜不定和柔性懸索之間，因為皮帶的橫向能力小，更接近于懸索狀態，所以皮帶秤的計量是以線分布密度代替體分布，按流量進行測量的。 2.2配料皮帶秤工作方式 配料皮帶秤是裝有皮帶秤整個稱量裝置的皮帶輸送機，其中給料設備是調節物料多少的，按照給料設備調速方式的不同，配料皮帶秤有以下幾種工作方式： 2.2.1拖料式配料方式 拖料式配料的皮帶秤指的是無專用的給料機，僅用皮帶機調速方式的配料皮帶秤。所以也稱作調速配料方式。配料皮帶秤直接安裝在進料斗的下方，以拖料的方式從進料斗中拖出物料。這樣可調速的皮帶機既完成物料的稱量任務，又完成物料量多少的調

6、節任務，所以在拖料皮帶秤這種工作方式中，嚴格地講，不能稱為無給料機，只是無專用的給料機，給料機的功能由配料皮帶秤的皮帶機順帶完成。 拖料式配料方式優點：1)無專有給料機，系統結構簡單，設備投資省；2)節省電能消耗；3)皮帶上的物料負荷不隨物料量的多少而變，對物料稱量精確度和控制精確度的提高有好處;的系統無滯后，電機速度一變化，給料量也隨之改變，控制精確度高。拖料式配料方式缺點：1)是進料倉直接在皮帶秤的皮帶機上，入料時對皮帶的張力大；2)沒有專用的給料機，所以調零、更換皮帶較難操作；3)對于干粉狀和粘性較大的物料不適用;所以對于濕度適中、流動性能較好的物料系統可以采用這種工作方式。 2.2.2

7、恒速配料方式 恒速式配料指的是給料機調速、皮帶機恒速方式的配料皮帶科。給料機調速可以完成物料量多少的調節任務，而皮帶機不可調速那么皮帶上的物料負荷隨物料量的多少而變。早期的配料皮帶秤采用這種方式的較多。恒速式配料的優點是：1)進料斗與配料皮帶秤之間有專用給料機，便于皮帶秤的調零、更換皮帶等操作。2)計量準確度高，可靠性好，應用范圍較廣。缺點是：1)有專用給料機，投資較大；2)皮帶上的物料負荷隨物料量的多少而變對物料稱量精確度有影響。所以對于配料控制精度要求不高，流量設定值變化范圍小的物料系統適用恒速式配料方式。 總之，在實際當中采用哪種配料方式，要視具體情況確定，要根據控制準確度、系統可靠性、

8、投資大小等方面的因素綜合考慮。由于本設計中配料系統是用于煤焦配比，要求系統可靠性好，計量準確度高，綜合多方面考慮所以選擇拖料式配料方式。 系統工作時，工控機首先根據生產任務先進行各種值的初始化，其中包括各種物料的名稱、料斗編號、標準流量、標準配比等，然后按照一定順序控制各給料設備。各給料設備按一定流量給料，同時工控機讀取來自稱重儀表的重量信號和累計量數據，然后根據各成分的累積量計算當前的實際配比，通過與標準配比的比擬，來修正各給料設備的給定值，這樣，系統就可以工作在最優配比狀態。當到達設定累積產量時，按一定順序停止各給料設備。 該系統由一臺上位機來控制多臺給料設備，為了實現一定的配比，各給料設

9、備之間的工作要相互聯系，而且給定流量要隨當前的實際配比進行修正，因此其控制結構是較為復雜的。基于以上這些因素考慮，設計如圖2.3所示的第i號給料設備的控制方框圖模型。Pgi-希望產量Pfi-當前的累積量Fgi-給定流量Ffi-實際流量Fi-瞬時流量 由圖2.3中可知，該系統的設計是一個雙閉環控制結構。就第i號給料倉而言，有2個閉環和一個前饋，外環根據當前的累積值和希望產量之差P以及前饋環節的給料機當前流量來修正內環的給定值。內環是一個模糊PID控制器，根據給定流量Fgi去控制調速給料機，使給料流量Fi控制在給定值Fgi理想的范圍之內。控制器采用模糊PID控制方式和傳統PID傳統方式相結合，當偏

10、差較大時采用模糊控制，當偏差減小到較小范圍時采用傳統PID控制方式。這樣就可以解決系統誤差較大，其動態特性不理想，超調量較大的控制難題。 2.3電子皮帶秤模糊PID控制 2.3.1概述 PID控制器其算法簡單、魯棒性好，使用中不需建立精確的系統模型，因此成為應用最為廣泛的控制器。PID控制器是根據系統的偏差，利用偏差的比例、積分、微分運算出控制量進行控制的。采用PID控制器來調節物料的瞬時流量往往需要在儀表中預置PID控制調節的3個參數KP，kI，kD，只有當這3個參數選取適當，PID控制的比例-積分-微分環節才能配合良好，使調節過程快速、穩定、準確。但是這3個參數的選取一般是通過工程師和現場

11、操作人員根據實際經驗不斷進行試探總結出來的，一旦確定就不能輕易改變。而在實際運行時，皮帶秤配料系統會受到各種因素的影響，比方機械振動、物料情況和參數改變等，而運行過程當中系統無法隨著外界條件的變化而實時自動調整PID3個參數來調節PID輸出，缺乏靈活性。 2.3.2系統的控制模型設計 該系統的特點是由一臺控制機來控制多臺給料機，為了實現一定的配比，各給料機之間的工作又是相互聯系的，而且給定量要隨當前的實際配比進行修改，因此其控制結構是較為復雜的。第i號給料機的控制方框圖模型如圖3.1所示。從圖3.1中可以看出，該系統的設計是一個雙閉環控制結構。就第i號給料倉而言，有2個閉環和1個前饋，外環根據

12、當前的累積值和希望產量之差P以及前饋環節的給料機當前流量來修正內環的給定值。內環是一個模糊PID控制器，根據給定流量Fgi去控制調速給料機，使給料流量Fi控制在給定值Fgi理想的范圍之內。 在本設計中，配料系統受許多因素的影響，比方說傳感器的選擇、設備的安裝、物料的物理特性等等，當有較大誤差，其動態特性不理想，超調量也較大時，需要結合模糊控制的原理創立系統的模糊控制結構及模型。改良控制效果，提高配料系統的精度。 2.3.3模糊控制原理 模糊控制是一種基于規那么的控制，它采用語言型控制規那么，通過模糊邏輯和近似推理的方法，將現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識形式化、模型化，變成電腦可以接受的

13、控制模型，讓電腦來代替人進行有效的控制。為實現模糊控制，語言變量的概念可以作為手動控制策略的根底，并在此根底上開展為一種新型的控制器一模糊控制器。模糊控制結構圖如圖3.2所示：圖中：Fgi-系統的設定流量，是精確量。 Ffi-系統測量的瞬時流量，是精確量。e，c-系統偏差與偏差變化率，是精確量，它們是模糊控制器的輸入。E，C-經模糊量化處理后偏差與偏差變化率的模糊量。U-模糊量的偏差與偏差變化率經模糊控制規那么、近似推理處理后，得到輸出控制的模糊量。u-輸出控制的模糊量經模糊判決后得到的精確控制量，控制被控對象。Fi-系統的輸出。3. 3. 4模糊控制器的設計及實現 如圖3.3所示，被控量為給

14、料流量Fi，控制量為Ui，采用模糊PID控制器和傳統PID相結合，當偏差較大時采用模糊控制，當偏差減小到較小范圍時采用傳統PID控制方式。二種控制方式由Bang - Bang開關進行切換， 控制器結構圖如圖3.3所示。圖3. 3模糊PID控制器結構圖 Bang-Bang轉換開關 Bang - Bang轉換開關實際上是控制器中的軟件開關，由它決定采用那種控制算法。設e1表示大小偏差的分界值，其切換規律如下：當|e|e1時，KP=1，Kf=0，即采用PID控制規律；當|e|e1時，KP=0，Kf=1，即采用模糊控制規律。由圖3.4可知，模糊控制系統通常由模糊控制器、輸入/輸出接口、被控對象給料機和

15、測量裝置稱重儀表等四個局部組成。其中，模糊控制器是模糊控制系統的核心，本設計中系統采用二維輸入一維輸出模型，即以系統的偏差和偏差變化率為輸入量，以對被控對象的控制量作為輸出量。模糊控制系統的品質在很大程度上取決于控制規那么及隸屬度確實定，控制規那么是其核心，一般用IF a THEN b的表達形式，條件a可以是多個條件邏輯積。具體實現步驟如下：(l)輸入輸出變量的模糊化(2)輸入輸出變量的模糊集論域(3)根據專家知識或實際操作經驗得出模糊控制器的控制規那么(4)由模糊控制器的控制規那么表得出由輸入到輸出的模糊關系R(5)模糊推理(6)模糊判決(輸出量的去模糊化)(7)模糊控制查詢表模糊控制器的結

16、構設計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。在本設計中選擇模糊控制器輸入變量的個數是2，也就是模糊控制器的維數是2，所以是二維模糊控制器。本設計針對配料環節，設計出關于流量的模糊控制器，把瞬時流量Fi與設定流量搶之間的偏差。與偏差變化率ec作為模糊控制器的2個輸入變量。模糊控制器的輸出是PID控制器3個調節參數kP，kI，kD，是通過PID調節器后，由變頻器來控制流量的，控制模型如圖3.4所示，根據模糊控制器的實現方法可以得到偏差e，偏差變化率ec與 PID3個參數之間關系的模糊控制查詢表。系統在運行中不斷檢測e和ec，通過查找查詢表來對3個參數進行在線調整，以滿足不同。和ec對3個參數的不

17、同要求。具體實現步驟如下：輸入輸出變量的模糊化系統中輸入變量的實際變化范圍稱為變量的根本論域輸入偏差e根本論域為-e，e量化論域為E=-3,-2,-1,0,l,2,3量化因子ke=假設根本論域為a,b，量化論域為E=-3,-2,-1,0,1,2,3，那么離散化為X=(-)取整數，其中xE，a,b輸入偏差變化率ec根本論域為-ec,ec量化論域為EC=-3,-2,-1,0,1,2,3量化因子Kec=假設根本論域為c,d，量化論域為EC=-3,-2,-1,0,1,2,3，那么離散化為=(*-)取整數，其中EC，*c,d輸出KP根本論域為-m,m量化論域為KP=-3,-2,-1,0,1,2,3比例因

18、子Kkp=假設輸出Kp根本論域為m,n量化論域KP=-3,-2,-1,0,1,2,3，那么離散化為z=(z*-)取整數，其中zKP，z*m,n同理，輸出KI，KD的模糊量化原理類似，在這里就不再詳述。(4)求模糊關系R和模糊控制表由表3.3可以看出，KP的模糊控制規那么表由 7x7=49條小規那么組成，由每個小規那么可以得到一個模糊關系R，分別對49個模糊關系取“并運算，即可得到由輸入e,ec到輸出助的模糊關RP：由表3.3得：R1=(NB)e×(NB)ecT1。(PB)KPR2=(NB)e×(NB)ecT1。(PB)KP計算過程(略)最終：RP=I(i=1,2,49)=

19、(3.2)(5)模糊推理及輸出量的去模糊化系統運行過程中，系統在每個采樣周期對采集到的每一個具體e和ec先將其量化，量化為論域中的元素X,Y,再將e和ec模糊化為E* EC*由公式(3.3)求出對應的輸出量。KP=(E*×EC*)T1。RP (3.3) 模糊PID控制器的設計最終是為了得到偏差e、偏差變化率ec與PID3個調整參數Kp，KI，KD之間關系的模糊控制查詢表，因此算法實現的核心就是將這3個控制查詢表變成電腦可以接受的數學模型。配料系統在運行過程中，配料秤儀表不斷地輸出瞬時流量值，并實時地計算出與設定流量值之間的偏差和偏差變化率e，ec，然后將它們模糊化為E，EC，通過查找

20、3個模糊控制查詢表即可得到Kp，KI，KD三個參數的調整量，從而完成對PID控制器參數的實時調整。 在系統實際調試過程中發現，采用FUZZY-PID控制方式比單純采用PID控制，系統波動較小，更容易穩定，系統調整時間也有明顯改善。 2.4模糊PID控制算法仿真 2.4.1概述 仿真技術是以控制論、系統工程論及軟件工程技術為根底，建立所研究對象(系統、事件或過程)的數學模型或物理模型，借助于電腦和各類光、電、聲等物理效應裝置，對系統的性能、事件的特征或過程的開展進行試驗研究、預測和分析評定的一門綜合性技術。仿真技術具有無破壞性、平安、可屢次重復和經濟等特點，是建立在科學理論根底上的。在研究動態現

21、實系統時，利用仿真技術可快速正確地對系統未來的工作做出判斷和預測，而不必建立真實復雜的現場環境。隨著科學技術的開展，仿真技術己擴展到工業生產、社會管理及生態環境等各個領域。系統仿真中，建立所研究對象的數學模型或物理模型是最重要的工作，模型描述實際系統和過程越精確，人們通過仿真對實際系統的認識也越正確。建立正確、完整的系統模型包括1)深入了解系統，確定仿真目的，明確仿真環境。2)對仿真局部做詳盡的分析，確定各個變量之間的關系。3)確定有關技術參數。4)建立完整的模型結構。現實工業中的生產系統，一般都比擬復雜，在系統調試中，難以建立真實的現場工作環境，無法進行系統分析和判斷，而仿真就是解決這一難題

22、的有力手段。MATLAB是目前控制系統電腦輔助設計最有效的工具，它不僅能解決控制理論中大量的矩陣運算問題，而且提供了強有力的工具箱支持，如模糊邏輯工具箱FuzzyLogic；Toolbox，尤其是Simulink工具平臺的出現，使得控制系統的設計與仿真變得相當容易和直觀。本設計中直接利用Simulink圖形化工具平臺的設計與仿真方法，對配料秤儀表中采用的模糊PID控制算法進行了仿真。 2.4.2模糊PID控制算法仿真 皮帶秤自動配料系統設備生產完畢后，要在生產現場實現系統出廠前的實際聯調有很多困難，因為皮帶秤設備體積龐大，占地面積多；而且要實際運行物料，實現物料的連續可調節，還需要有物料循環系

23、統等設備，也需要可觀的資本消耗。在本配料皮帶秤系統中，給料設備為電磁振動給料機，由直流電機拖動，直流電機由可控硅供電設備驅動。模糊PID控制器輸出標準的420mA電流信號到可控硅供電設備，通過電流信號幅值的大小變化改變可控硅整流器導通角，進而改變直流調速電機的電壓幅值來調整給料機振動頻率，從而到達調節皮帶上物料流量的目的。 由此可見，420mA電流信號輸出控制的對象為配料皮帶秤，直流電機為執行機構。 假設配料皮帶秤的數學模型為e-3s，在Simullink設計窗口下進行仿真試驗。依據第三章介紹的模糊月刃控制器的設計方法，利用MATLAB中的模糊邏輯工具箱設計出相應的模糊PID控制器模型，并以fuzzy.fis進行保存。然后建立配料皮帶秤系統模糊PID控制框圖，如圖5.1所示。 輸入信號為單位階躍信號，初始參數如下圖，采樣時間為0.01s，系統的e以及ec的取值范圍根據實際分別確定為-100t/h和-20,20得到的仿真曲線如圖5.2所示。 現在如果受到外界干擾，系統參數發生變化時，即皮帶