摘要：本文对加料装置控制系统的软硬件设计方法进行分析，并结合模糊控制理论，阐述PID算法的基本控制规律与应用，最后得出实验结果。根据实验结果显示，模糊PID算法的应用具有较强的精确度与可行性，测得的数据误差总体低于1%，对加料装置的精度控制有重要意义。
关键词：高精度；加料装置；系统设计；模糊算法
引言：在工业领域中，自动加料装置属于较为常见的控制对象。为了跟随经济发展的脚步，加料装置应积极引入国内外的先进技术，实现自动化发展。目前，高精度加料装置在生产过程控制、管理与决策等方面负担较重，传统闭环控制容易受到外界不良因素影响，急需加入新的控制算法，使加料系统精度得到切实保障。
1加料装置控制系统设计
1.1硬件设计
该系统的构成多种多样，主要包括可编程控制器PLC、I/O模块、CPU与电源模块等等。其中，在多年的工业实践中，PLC的缺陷不断暴露出来，逐渐与工程需求不符，在此情况下PCC应运而生，不但具备PLC与IPC的优势，还具有更强的运算处理能力、大容量存储单元、模块式结构等特点；在I/O模块中，根据系统要求，选择X20DI4371型的DI模块，具有4个输入量、X20输入模块，可配置输入滤波，3线连接技术等；在CPU选型中，X20系统三位一体，具有电子、总线与端子三项内容，可带电热插拨。每个X20具有12个接口，模块之间可通过X2XLink底板进行通信，可为用户提供较大的灵活性。本地与远程I/O对总线模块的配置要求较低，性能与拓扑结构均由用户决定，使系统终端完成直接插入、集成化的连接器系统，安装简便，可迅速完成，模块结构为12.5×99×75mm，结构紧凑，为用户提供更多便利；在电源模块选择方面，模块大小由总耗电量来决定，将其设置在I/O总线处，一般安装在总线的右方，不可直接与高耗电模块直接连接，以免模块发热。该系统采用X20PS9500电源模块，可为内部I/O、CPU与X2XLink提供电能[1]。
1.2软件设计
（1）控制对象。MQC伺服模块作为驱动模块，为测速电机提供四象限速度控制，对直流刷电机进行调节作用。该驱动设备内部安装供电系统，可将直流电转变为电机电流，由PWM控制输出电流，采用高频斩波器，扩大输出电流的带宽，实现动态响应；
（2）控制设计。PCC程序之间应用到工业实践中，同时为上位机提供多重保护，该程序的运行状态对系统控制水平具有直接影响。在本系统中，将PCC程序划分为多个部分，即重量检测、调节算法、电机转速计算等等；
（3）重量检测。针对当前重量进行检测时，每100ms对重量传感器中的数值进行一次获取，并做好记录，每秒钟中产生10个数值，在数字滤波法的指导下对当前重量进行计算；
（4）电机转速。在对该项数值进行计算时，每100ms对高速传感器中的数值进行一次获取，并做好记录，每秒钟中产生10个数值，在数字滤波法的指导下对当前电机转速进行计算，计算流程如下图1所示[2]。
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图1电机转速计算流程
2加料装置的模糊算法应用
2.1模糊控制原理
模糊控制系统是在模糊语言、模糊数学、模糊逻辑的基础上，借助计算机控制形成的闭环数字控制系统，属于自控系统的一种。在控制原理方面，将模糊逻辑、语言与思维方法相结合起来，使复杂过程得到有序控制。在该系统中，主要针对模糊控制器进行研究，该系统的性能由模糊规则、设备结构、决策方法等因素决定，主要包括以下内容：模糊化，可将实数输入量x变为模糊量，也就是模糊集合与对应的隶属度；数据库，可对确定值进行存储；规则库，根据专家与技术人员的经验对结果进行描述；推理机，确定规则后推出相应的信息结果；解模糊化，借助多种解模糊公式将初始的模糊值转变为可执行的精确量。
2.2PID算法控制规律
在比例控制器应用中，主要功能在于对系统开环增益进行调整，使相应速度、稳态误差等方面的要求得到满足。采用比例控制器后，通过提高传递函数可减小阻尼系数，如若参数配置合理，不但可降低稳态误差，还可缓解系统惯性，起到加快暂态相应的效果；
在比例＋微分控制器应用中，既可以体现反映误差，还可表现误差变化趋势。如若系统误差变动较小，微分控制的作用将无法发挥，故而无法的独立使用。同时，受微分作用影响，系统传输通道的噪音增加，对设计效果不利；
在比例＋积分控制器应用中，可使系统无静差度提升，如若原系统的给定输入稳态误差为常数，在积分控制加入后，在系统稳定的情况下，稳态误差将几乎为零。该控制器应用中，系统阶次逐渐提升，对稳定性造成干扰，如若参数不当，很可能引发系统失稳；
在比例＋积分＋微分控制器应用中，该控制器的构成内容众多，继承了上述几种控制器的优点，在工业实践中得到广泛应用，在本文研究中也采用该控制器开展实验研究[3]。
2.3实验结果
每间隔一段时间对电子秤上的数据进行记录，用后一项数据减前一项数据，可得出每个时间段的产量值，依次计算出最值、均值与误差率等等，再按照设定产量值、误差范围，对所得数据进行对比分析。
（1）在10s间隔、10kg下的测试结果
根据测试结果可知，最大误差值为0.033kg，误差下限为0.025kg，采样均值为0.028051kg；在重量为10kg、间隔为10s的条件下，给定值为0.027778kg，精度为0.00981。在初期的采样偏差值较大，后续逐渐稳定，除局部偏差超过误差允许范围外，大多数处于范围内，总体精度未超过1%。
（2）在20s间隔、10kg下的测试结果
根据测试结果可知，最大误差值为0.063kg，误差下限为0.052kg，采样均值为0.05606kg；在重量为10kg、间隔为20s的条件下，给定值为0.055557kg，精度为0.009057。在初期的采样偏差值较大，后续逐渐稳定，除局部偏差超过误差允许范围外，大多数处于范围内，总体精度未超过1%。
（3）在30s间隔、10kg下的测试结果
根据测试结果可知，最大误差值为0.094kg，误差下限为0.08kg，采样均值为0.0840403kg；在重量为10kg、间隔为30s的条件下，给定值为0.000708kg，精度为0.008495。在初期的采样偏差值较大，后续逐渐稳定，除局部偏差超过误差允许范围外，大多数处于范围内，总体精度未超过1%。
通过上述三项采样结果可知，PID控制效果明显高于传统方法。同时，系统采样的时间越长，精度便越高，且PID的控制的总体精度始终处于1%之内，取得理想的应用效果。
结论
综上所述，本文以高精度加料装置为例，对加料自控系统进行设计，并利用PID模糊算法进行精度控制，最终通过开展实验的方式，验证PID的数据控制效果。实验结果表明，模糊PID算法的应用具有较强的精确度与可行性，测得的数据误差总体低于1%，对加料装置的精度控制有重要意义。
参考文献
[1]刘京航.基于模糊控制的高精度伺服速度控制器的设计与实现[D].天津大学，2019.
[2]冯伟.定量下料动态称重及控制系统的研究[D].山东大学，2019.
[3]王建峰,李桂新.高精度温控冷却系统的控制器和算法设计[J].信息化研究,2019(2):74-78.
论文作者:符靖国,肖恒
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：误差论文; 模糊论文; 系统论文; 精度论文; 控制器论文; 模块论文; 算法论文; 《基层建设》2020年第1期论文;