摘要：针对目前自动称重酣料系统中采用传统PTD控制的不足、系统误差不稳定、动态特陀不理想，提出了一种基于模糊PID控制的算法将模糊控制与传统的PID控制技术结合起来，共同应用于实际系统的调宵当中。系统采用可编程逻辑控制器(PI c)实现模糊PID双模控制，大大加快了系统的响应速度，PLc模拟输f且控制变频器调节皮带电机转速，从而达到控制物料流量的目的。经过实际系统的仿真试验，系统控制性能良好，有效解决了系统运行中误差不稳定和动态特性不理想的问题。
关键词：模糊PlD；控制算法；变频调速；自动配料系统
0 引 言
随着烧结配料技术的发展，以往常用配料称重系统”。方案设计是基于古典的PID凋节器，采用一般的PTD控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整定的，灵敏度较高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质，从理论上讲能做到无误差调节。但是，在实际运行中，皮带秤自动配料系统的准确度会受到各种因素的影响，这些往往使得系统误差不稳定，动态特性不理想，无法达到预期的控制效果。
本文针对自动配料环节，提出模糊PID复合控制算法、将模糊控制技术结合传统的PID控制策略应用在自动配料系统的调节中。经过系统的仿真试验，系统控制性能良好，且在软、硬件方面都有所改进。
1 系统控制模型
皮带秤配料系统一般由可编程逻辑控制器(Programable Logic controller，PLc)上位机、变频器、直拖皮带机、配料皮带、主皮带等部件组成，在配方给定的情况下，PLc可以独立对物料流量实施闭环控制和调节，其中采用模糊PlD控制算法进行凋节，算法内嵌于PLc中，也可以接收上位机信号，实现配料系统的上位机控制。以配料系统中的一台直拖皮带配料系统为例，其控制方框图如图I所示。
模糊PID的控制算法，将模糊控制技术与传统的PID控制技术结合起来，共同应用于实际系统的凋节当中，误差较小时采用PID控制，误差较大时采用模糊控制。控制系统算法基本流程图如图2所示。
2模糊PID控制算法设计模糊控制系统的品质在很大程度l‘取决于控制规则及隶属度的确定，控制规则是其核心，一般用IF a THEN h的表达形式，条什a可以是多个条件逻辑积．模糊PID复合控制器结构图如图3所示：
2．1模糊控制器结构的确定该系统将给定值F，．和输出反馈量F。进行比较，得到流量偏差E1，进而可求出其变化率△E，，以E，和△E．作为Fuzzy控制器的输入，控制器的输出是控制量u．，即采用二维模糊控制器，如图3所示。其中，K1、K2为量化系数，K3为比例系数“：
2．2模糊控制器的输入／输出将输入信息E1和△E量化在[- 6，+6]之巾，偏差F，对应的模糊子集E分为八档：
E={负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，止大；即E={．NB，NM，NS，Nz，Pz，PS，PM，PB}。
与此对应：将偏差△E．对应的模糊子集E。，也分为八档：
E，．=；负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中．正大}
目lJ E。，={NB，NM，NS，Nz，Pz，PS，PM，PB}。
输出信息u，也量化在[6，+6]之中，对应的模糊子集u同样也分为八档：
u={负大，负中，负小，负零，正零，jE小，正中，正大}
目1]u={NB，NM，Ns，Nz，Pz，Ps，PM，PB}。
2．3控制规则和模糊控制表的求取查阅相关资料以及根据自动称重系统的操作经验，总结出如下控制规则：
TF E=NB AND Ed=PB THEN U=NZIF E=PB ANI]E一=NB lHEN U=PZ整理可以得到控制规则模糊逻辑表。
为了使控制规则模糊逻辑表转化成模糊控制规则表，在MATLAB中利用模糊逻辑(Fuzzy)工具箱，新建¨s文件：Fuzzy1.fis，利用MATIAB中的模糊逻辑(Fuzzy)工具箱得到控制规则图。
输入输出曲面如图4所示。
3 模糊PID控制算法的PLc实现为了让PLc能够识别模糊控制规则，还需要在MATLAB中用函数eval6s()求解，将其转换成模糊控制查询表，以方便PLc使用。evalfis()函数会利用用户定义的模糊推理系统砖列这些输入信号进行模糊化，用该系统进行模糊推理，得出模糊输出量。
在MATIIAB中编写程序，出程序得出的数值经四舍五人取整后得剑模糊控制查询表。
该系统设计采用西门子公司s7-200系列cPu224型PLc。其自带的PID模块，加上建立在PLC中以数据块查询的模糊控制策略，实现系统设计要求的模糊PID控制。因带有符号的数在PI。c中处理不方便，且容易出错，所以把上面的E、Ed、u都加上一个偏移量6，得到可以在PLc中使用的模糊控制规则表。
在sTEP 7编程软件中，查询表是预先把加七偏移量后的值以数据块的方式存在}Jl_c内存中，一般定义在VB0～VBl69连续的存储空间中．这样可以使P1_c以查表的方式实现模糊控制，进而提高控制响应速度。
在实时控制中，模糊控制首先将采样得到的输入量量化到输入语言变量模糊论域中，根据量化的结果元素，分别对应到不同的地址，用变址寻址的方法去查数据块中的模糊控制查询表，进而求出控制量的一个清晰值：在每个控制周期，根据E，和△E．的值查模糊控制表，即呵得到控制量u．，再经过标度变换，即得到系统的实际控制量“，用以控制实际的系统。变址寻址方式查用户自定义数据块中的模糊控制表。
用PLc的编程软件PII)设嚣向导生成PID控制器，模糊控制与PID控制在PL(：中编程设计根据偏差的大小，进行实时的模糊PlD控制算法运算‘…。
4 系统仿真
为验证和实现模糊PID控制算法的先进性和良好的控制效果，在仿真试验中，先设计用传统PID的经典控制算法进行普通的闭环控制，记录试验的控制效果图，如图5(a)所尔；再在原有基础上加模糊控制器，进行模糊HD控制仿真试验，记录试验的控制效果图，如图5(b)所示。
用不同的控制算法得到的控制输出波形图不同，对比图5(a)传统PID控制输出波形图和图5(b)模糊PID控制输出波形图，很显然用模糊PID控制算法得到的控制效果较好。从控制输出波形罔町以看出，传统PID控制I：升时间为6 s，而模糊PID控制算法上升时间为1 2 s。模糊PID控制算法大大加快了系统的响应速度，而且儿乎没有出现明硅超调。平衡了快速性与稳定性的矛盾，达到了控制效果****的统一，这是传统}J1D控制所难以达到的。经过控制系统仿真试验，充分验证了模糊PID控制算法的良好控制性能，可以应用于实际系统。
考虑到实际系统工作时，现场环境的复杂性和干扰的多样性。由于电流信号适合远距离传输，使用4～20 mA电流信号通过变频器控制皮带电机的转速。秤体部分的传感器将检测到的给料量信号转换成O～10 V的标准电压信号输八PLc，光电编码器高速脉冲输入PLc测速一经仿真试验验证控制思想的正确可行性，模糊HD控制算法可大大提高系统抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性。试验结果充分显示了智能控制算法的先进性。
5结语
在实际的工程项目中，将先进的模糊PID控制算法应用于电子皮带秤自动配料系统，确实有效解决r以往皮带秤配料系统存在的系统误差较大、动态特性不理想的问题，提高了系统的控制准确度和可靠性，有效解决了动态称重配料系统的两个重要指标——快速性和准确性难以统一的问题。在系统实际调试过程中发现，采用模糊PID复合控制方式比单纯采用PID控制，系统波动较小、更容易稳定、系统调整时问也有明显改善。系统采用的西门子公司S7—200系列cPu224型PLc成本较低，充分利用了PLc的系统资源，实现了较为复杂的模糊Pm复合控制算法。其应用前景广阔，势必取代传统的PID控制器，同时电提高了丁业自动化的程度。 |
