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配料皮带秤应用中的干扰问题解决方案

2017-11-28 09:33:34      点击:

一、引言

目前,国内皮带秤自动配料系统使用企业大都采用以下控制模式,如图1所示,称为单回路反馈控制系统,它能够满足自动配料系统工艺生产的基本要求,是一种最基本、使用最广泛的控制系统。

工作原理是:物料通过给料设备送至配料皮带秤,秤体中的称重传感器和测速传感器将称重和速度信号送至皮带秤仪表,皮带秤仪表显示输送物料的瞬时流量、累计量等数据,同时将瞬时流量以4~20mA模拟电流形式送往PID调节器,调节器根据测量值与设定值的偏差,通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速,使之精确地以用户设定的给料流量给料,达到恒定物料瞬时流量的目的。适用该工作模式的工艺现场必须满足这样一个前提条件,那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。

在有些工艺过程中会出现不同的情况,如:用户的给料装置给出的物料,其粒度、湿度等指标很不稳定,这些干扰使皮带秤上通过的单位体积的物料密度不断发生变化,造成瞬时流量发生较快变化;与此同时,整个闭环控制回路中包含有传感器、皮带秤仪表、PID调节器、变频器、电机等多个装置,当物料瞬时流量不断变化时,各装置存在一定的响应时间,变频器和电机的加减速亦存在无法消除的上升和下降时间,使整个调节过程相对于测量量的变化呈现大滞后,调节不及时;而且PID调节器只有在输入测量量和设定量之差后,才输出调节指令,即输入测量量和设定量之间必定存在一定的静差。

在上述情况下,单回路反馈控制效果很不理想,为此,就需要设计开发新的高性能过程控制系统,前馈控制系统即是其中的一种。

二、前馈控制的基本原理

前馈控制与单回路反馈控制系统不同,它可直接按照引起流量变化的干扰的大小进行控制,在这种系统中,当由于外部干扰引起给料流量发生变化时,调节器一检测到测量量的变化,就发出调节信号使调节量做相应的变化,使调节输出与干扰量相互抵消,保证物料流量稳定,因此,前馈调节可以有效地克服干扰引起的流量变化。

单纯的前馈控制是一种开环控制,将它与反馈控制系统结合组成的前馈-反馈复合控制系统,可一方面利用前馈控制有效地减少干扰对被控参数---给料流量的动态影响,另一方面则利用反馈控制使给料流量稳定在设定值上,从而保证了系统较高的控制准确度。图2为前馈-反馈复合控制系统的方框图。

图中,干扰F(S)作用到输出被控量之间存在着两个传递通道:一个是F(S)通过过程干扰通道GF(S)去影响输出量Y(S),另一个从F(S)出发经前馈控制器GB(S)产生控制作用,再经过程控制通道GO(S)去影响输出量Y(S)。输入量X(S)与干扰量F(S)对输出的影响为:


若要实现对干扰F(S)的完全补偿,则上式第二项应为零,则复合控制系统的特征方程为:
1+GC(S) GO(S)=0
该方程决定系统的稳定性,因与前馈控制器GB(S)无关,所以反馈系统加入前馈控制器后,不影响系统的稳定性。所以,在实际的系统设计应用中,可先设计反馈部分,使系统具有一定的稳定性和调节品质后,再设计前馈部分,进一步消除干扰对输出的影响。

三、前馈控制系统在电子皮带秤自动配料系统中的应用


电子皮带秤自动配料系统前馈-反馈复合控制系统的具体结构示意如图3所示。

图3中的调节及前馈部分可使用计算机或高级过程控制器来实现,如霍尼威尔公司的UDC6300过程控制器,它内部具备前馈加法器,输入前馈信号后,经比例/偏移运算,直接与PID运算输出相加作为最终调节输出给变频器。

皮带秤仪表将测量到的瞬时流量转化为两个4~20mA模拟输出信号,一个作为PID调节器的反馈输入与调节器机内设定植比较参与反馈运算,另一个作为PID调节器的前馈输入乘前馈放大系数,然后再与反馈运算输出相加输出4~20mA模拟调节信号控制变频器的频率从而及时改变电机的转速。单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图如图4所示。

该控制系统已在化工、电力、冶金等行业中得到应用,实践表明采用该方案的控制系统其准确度指标令人满意,可以满足用户较高的工艺要求。

四、前馈控制的应用原则

1、当系统中存在变化频率高,幅值大、可测而不可控的干扰时,普通反馈控制难于克服此类干扰对被控参数的影响,而生产工艺对被控参数的要求又十分严格,为改善和提高系统的控制品质,可引入前馈控制。
2、当过程控制通道滞后大,其时间常数比干扰通道的时间常数大,反馈控制不及时,可引入前馈控制。
3、前馈-反馈复合控制系统的投资要高于普通的单回路反馈控制系统,具备前馈接口的过程控制器的价格大大高于普通的PID调节器,如果用户对生产的工艺性要求不高,资金有限,则不必盲从。
4、若控制系统中某一部分的干扰变化特别激烈,而且幅度大,则可在系统中增加副回路,构成串级控制回路,组成前馈-反馈串级复合控制系统,控制效果更好。