一種新型高性能皮帶秤配料系統

上海香川電子衡器有限公司

[摘要] 針對皮帶秤配料系統實際應用中遇到的多種干擾問題，應用過程控制理論中的前饋控制技術，提出一種新的抗干擾的配料過程控制方案，不但提高了系統配料準確度，使皮帶秤的動態配料過程更加理想，而且使系統能應用于更多的場合，滿足更高的工藝要求。

一、引言

企業內常見的皮帶秤自動配料系統大都采用以下控制模式，如圖1所示，稱為單回路反饋控制系統，它能夠滿足自動配料系統工藝生產的基本要求，是一種最基本、使用最廣泛的控制系統。

工作原理是：物料通過給料設備送至配料皮帶秤，秤體中的稱重傳感器和測速傳感器將稱重和速度信號送至皮帶秤儀表，皮帶秤儀表顯示輸送物料的瞬時流量、累計量等數據，同時將瞬時流量以4～20mA模擬電流形式送往PID調節器，調節器根據測量值與設定值的偏差，通過變頻器去調整皮帶秤驅動電機的轉速，使之精確地以用戶設定的給料流量給料，達到恒定物料瞬時流量的目的。適用該工作模式的工藝現場必須滿足這樣一個前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機的轉速成正比。

在有些工藝過程中會出現不同的情況，如：用戶的給料裝置給出的物料，其粒度、濕度等指標很不穩定，這些干擾使皮帶秤上通過的單位體積的物料密度不斷發生變化，造成瞬時流量發生較快變化；與此同時，整個閉環控制回路中包含有傳感器、皮帶秤儀表、PID調節器、變頻器、電機等多個裝置，當物料瞬時流量不斷變化時，各裝置存在一定的響應時間，變頻器和電機的加減速亦存在無法消除的上升和下降時間，使整個調節過程相對于測量量的變化呈現大滯后，調節不及時；而且PID調節器只有在輸入測量量和設定量之差后，才輸出調節指令，即輸入測量量和設定量之間必定存在一定的靜差。

在上述情況下，單回路反饋控制效果很不理想，為此，就需要設計開發新的高性能過程控制系統，前饋控制系統即是其中的一種。

二、前饋控制的基本原理

前饋控制與單回路反饋控制系統不同，它可直接按照引起流量變化的干擾的大小進行控制，在這種系統中，當由于外部干擾引起給料流量發生變化時，調節器一檢測到測量量的變化，就發出調節信號使調節量做相應的變化，使調節輸出與干擾量相互抵消，保證物料流量穩定，因此，前饋調節可以有效地克服干擾引起的流量變化。

單純的前饋控制是一種開環控制，將它與反饋控制系統結合組成的前饋-反饋復合控制系統，可一方面利用前饋控制有效地減少干擾對被控參數---給料流量的動態影響，另一方面則利用反饋控制使給料流量穩定在設定值上，從而保證了系統較高的控制準確度。圖2為前饋-反饋復合控制系統的方框圖。

圖中，干擾F(S)作用到輸出被控量之間存在著兩個傳遞通道：一個是F(S)通過過程干擾通道G_F(S)去影響輸出量Y(S)，另一個從F(S)出發經前饋控制器G_B(S)產生控制作用，再經過程控制通道G_O(S)去影響輸出量Y(S)。輸入量X(S)與干擾量F(S)對輸出的影響為：

若要實現對干擾F(S)的完全補償，則上式第二項應為零，則復合控制系統的特征方程為：
1+G_C(S） G_O(S)=0
該方程決定系統的穩定性，因與前饋控制器G_B(S)無關，所以反饋系統加入前饋控制器后，不影響系統的穩定性。所以，在實際的系統設計應用中，可先設計反饋部分，使系統具有一定的穩定性和調節品質后，再設計前饋部分，進一步消除干擾對輸出的影響。

三、前饋控制系統在電子皮帶秤自動配料系統中的應用

電子皮帶秤自動配料系統前饋-反饋復合控制系統的具體結構示意如圖3所示。

圖3中的調節及前饋部分可使用計算機或高級過程控制器來實現，如霍尼威爾公司的UDC6300過程控制器，它內部具備前饋加法器，輸入前饋信號后，經比例/偏移運算，直接與PID運算輸出相加作為最終調節輸出給變頻器。

皮帶秤儀表將測量到的瞬時流量轉化為兩個4～20mA模擬輸出信號，一個作為PID調節器的反饋輸入與調節器機內設定植比較參與反饋運算，另一個作為PID調節器的前饋輸入乘前饋放大系數，然后再與反饋運算輸出相加輸出4～20mA模擬調節信號控制變頻器的頻率從而及時改變電機的轉速。單回路前饋-反饋復合控制系統較為實用可行的電原理圖如圖4所示。

該控制系統已在化工、電力、冶金等行業中得到應用，實踐表明采用該方案的控制系統其準確度指標令人滿意，可以滿足用戶較高的工藝要求。

四、前饋控制的應用原則

1、當系統中存在變化頻率高，幅值大、可測而不可控的干擾時，普通反饋控制難于克服此類干擾對被控參數的影響，而生產工藝對被控參數的要求又十分嚴格，為改善和提高系統的控制品質，可引入前饋控制。
2、當過程控制通道滯后大，其時間常數比干擾通道的時間常數大，反饋控制不及時，可引入前饋控制。
3、前饋-反饋復合控制系統的投資要高于普通的單回路反饋控制系統，具備前饋接口的過程控制器的價格大大高于普通的PID調節器，如果用戶對生產的工藝性要求不高，資金有限，則不必盲從。
4、若控制系統中某一部分的干擾變化特別激烈，而且幅度大，則可在系統中增加副回路，構成串級控制回路，組成前饋-反饋串級復合控制系統，控制效果更好。