北方民族大学电气信息工程学院 刘 勇 虎恩典 胡时高

1.引言

1.1 项目背景

随着科技、经济的迅速发展，各行业的生产都在向自动化、智能化方向发展，一方面提高生产效率及产品质量，另一方面为降低生产成本，增强竞争能力。但在高耗能、高污染的金属镁产业的生产过程中，球团压制过程仍旧是人工调节，自动化程度极低，基本都是人工调节，对人力资源需求大且产能无保障等缺点，因此应某金属镁企业的要求开发稳定性高、实用性强的自动控制系统。

1.2 金属镁球团压制工艺

国内金属镁的生产大多采用皮江法，即首先将白云岩（沉积碳酸盐岩）煅烧后与硅铁、萤石混合制成球团，再在1100℃真空炉内加热进行还原，生成镁蒸气及其他物质，再将镁蒸气冷凝回收铸成镁锭。现在我们需要开发的是关于球团压制的控制系统。图1.1为球团压制设备示意图：

图1.1 球团压制设备示意图

由图1.1可知，该机构主要由给料螺旋机、预压机和压球机三部分组成。给料螺旋机将料仓内的料输送到预压舱内，通过调节预压机的转速尽而控制出料量，出料量的多少直接影响着压球机的电流，即主机电流，长期的生产实践表明，当料充足时主流增大，否则减小，只有在保证主机电流维持在一定强度范围之内，球团质量及生产效率才能提高。压球机是由一对带有均匀凹槽的石辊组成，通过油压系统来控制两个辊子之间的距离，在生产过程中两者之间的距离是固定的。

目前螺旋机和预压机的转速都是由人工根据主机电流的大小来调节的，其系统框图如图1.2所示：

图1.2 人工调节系统框图

该系统实质上是一个电磁调速系统，通过调节预压机和螺旋机的转速经过传动装置达到调节主电机的电流，由图可知该系统是一个局部闭环而整体开环的控制系统。因此，从产能及人力资源各方面来讲，开发新的自控控制系统显得尤为重要。

2.控制系统方案设计

我们需要设计一闭环自动控制系统，尽量减少人为干预，该系统要稳定性高、抗干扰能力强，主机电流维持在120A(±10%)，操作上越简单越好。设计的难度在于此系统是一个干扰较多且有大滞后特性的非线性系统，增加了对被控对象的控制难度。经过综合考虑，确定了两种控制方案，一种是采用模拟电路(PI调节器)和调速控制器相结合方案。二是采用欧姆龙PLC、变频器与调速控制相结合方案。

2.1 模拟电路控制方案

该方案是设计一个两路输出的PI调节器代替人工调节，调节器的输出信号直接去调节预压机和螺旋机的转速，通过传动装置起到调节主机电流的目的，通过电流互感器和电流变送器将主机电流转换为4～20mA的标准信号，与主电流设定值形成误差信号送入调节器中，进行PI计算输出控制信号，这样就形成了一个闭环系统。其结构框图如2.1所示：

图2.1 PI调节方案系统控制框图

其中的PI调节器是由模拟电路搭建而成，由PI调节电路、电压跟随电路及射集跟随器三部分组成，见图2.2所示：

图2.2 PI调节器电路框图

此方案最大的特点就是成本低，经过试验，在一定程度上收到好的控制效果，验证了此思路的可行性，但弊端较多，稳定性低且抗干扰能力差，只能进行单方向调节，进行PI参数修改非常困难，因此将主控制该用欧姆龙PLC。

2.2 数字控制器方案

该方案是将方案一中的PI调节器换为欧姆龙CPIE-PLC做为主控制器，然后加入变频器，通过变频器调节预压机和螺旋机转速，实质上这是一种变频调速方案。原理结构如2.3框图所示：

图2.3 欧姆龙PLC控制系统结构图

电流互感器与变送器作为主机电流检测模块，将转换出来的4～20mA的标准电流信号送入模数转换模块，将模拟量转换为数字量，与主电流设定值做差形成误差信号送入PLC中进行双PID运算，输出的数字控制量经过数模转换，变为模拟控制量分别作用到变频器1和变频器2进行变频调节预压机和螺旋机的转速，通过转速的改变来调节出料量，最终达到控制主机电流的目的。当主机电流增大时，自动把预压机与螺旋机转速调低，反之，则增大转以增加料的进给量，使主机电流增大。

图2.3中的预压机转速给定和螺旋机转速给定可以实现两台电机软启动的功能，这是出于对设备运行的安全性考虑设计的。

3.控制系统核心算法

3.1 常规PID与改进的PID控制算法

目前工业控制中比较成熟的计算机控制算法是PID控制算法，此控制算法，软件系统的灵活易修改完善的优点得以充分发挥，因此PID数字控制器在工业生产中得到广泛应用。在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式为：

式中，u(t)为调节器的输出信号；e(t)为偏差信号；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，为了能使计算机能实现式(3-1)，必须将其离散化，离散化后得到PID位置式表达式为：

式中，Kp为比例系数，KI为积分时间，KD为微分时间；e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值；k=0，1，2…。

常规PID控制算法在误差扰动突变时，显示出微分项的严重不足。由于本系统就是一个外扰动较多、控制量变化范围较大且具有大滞后特性的非线性系统，为了克服上述缺点，在PID算法中加一个低通滤波器，直接加在微分环节上，构成了不完全微分PID控制，如图3.1所示：

图3.1 不完全微分PID框图

为了提高其抗干扰性和跟随性，因此本系统采用微分先行的不完全微分PID算法，其调节器控制输出传递函数为：

通过调节Kp、Ti、Ts、Td、Tf的大小来改善系统的动态特性。

经过多次在现场试验，粗略的得出被控对象的数学模型，传递函数为：

3.2 两种控制算法的仿真

(1)跟随性能仿真：

图3.2 两种PID算法跟随性响应曲线

通过比较发现改进的PID比常规PID的超调量小，响应时间也快。

(2)扰动特性的仿真：

图3.3 两种PID扰动特性响应曲象

其它参数不变，仅使Td=545，系统响应曲线如图3.4所示：

图3.4 两种PID扰动特性响应曲象

由仿真结果可知，微分先行的不完全微分PID算法不论是在跟随性还是抗干扰性上都比常规PID控制效果要好，尤其在大滞后、干扰多的控制系统有较好效果。

3.3 PID参数的整定

经过MATLAB软件仿真和现场试验法得出一组最佳PID控制参数范围如表3-1所示：

表3-1 最佳PID控制参数

4.设计总结及展望

4.1 设计总结

从算法上，采用改进的PID算法比常规PID算法在跟随性和抗干扰能力等方面控制效果要好，尤其是在被控对象干扰较多且大滞后的控制系统中，采用改进的微分先行的不完全微分PID算法能更好的提高其调节品质。

采用PLC、变频器与调速控制器相结合的方案，在现场试验中，系统稳定性提高了，抗干扰能力也增强了，通过调节预压机和给料螺旋机的转速，主机电流基本能维持在120A(±20A)范围内，基本满足了厂方的控制要求。

4.2 展望

从该系统的实际运行中，发现控制效果还不够完善，因此作出下一步的工作规划：

首先，由于制造工艺的特殊性，因此要进一步研究被控对象的数学模型，进行精确建模，实现精确控制的目的。

其次，采用智能控制方案，即模糊PID控制算法(参数可以自适应)，增强抗扰动能力。

最后，建立组态界面，工作人员可以在控制室了解具体的生产情况。

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