移動式皮帶給料機系統(tǒng)設(shè)計【含8張CAD圖紙】
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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGYDesign of Mobile belt feeder移動式皮帶給料機系統(tǒng)設(shè)計資料來源: Journal of Process Control 設(shè)計題目: 移動式皮帶給料機系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名: 朱鴻達 學(xué)院名稱: 國際教育學(xué)院 專業(yè)名稱: 機械設(shè)計制造及其自動化 班級名稱: 機制1646 學(xué) 號: 1622421637 指導(dǎo)教師: 李春梅 教師職稱: 副教授 完成時間: 2020年3月2日-2020年6月4日 2020年5 月 25 日移動皮帶給料機系統(tǒng)設(shè)計過程控制雜志 工廠分布式控制系統(tǒng)中用于改善非線性皮帶秤的先進控制器的設(shè)計 和實現(xiàn)摘要:皮帶稱重給料機(BWF)是一種扁平帶式輸送機,設(shè)計用于以受控方式將散裝物料進料到化學(xué)過程中,以 實現(xiàn)更好的過程控制。用皮帶稱重橋測量散裝物料的動態(tài)重量,并控制皮帶速度以補償重量的任何變化, 以便按照設(shè)定的進料速度保持質(zhì)量進料速度。皮帶速度控制的問題具有挑戰(zhàn)性,因為系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)是非 線性的,并且由于散裝物料特性的變化而導(dǎo)致皮帶負載頻繁變化。皮帶秤的控制精度完全取決于控制器的 性能,以提供對電動機/皮帶速度的精確控制。達到設(shè)定進給速度的任何延遲或設(shè)定進給速度與實際進給 速度之間的頻繁偏差都會影響下游過程的質(zhì)量和效率。由于系統(tǒng)非線性,傳統(tǒng)的PI控制器無法提供最佳控 制。為了克服這個問題,本文首先分析了BWF系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),并研究了非線性的性質(zhì)和原因。然后使用 工廠皮帶稱重給料機的設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)進行建模,然后對其進行仿真,以更好地了解其非線性響應(yīng)。隨后, 基于仿真結(jié)果,設(shè)計了PI模糊邏輯(PI-FL)控制器以提高系統(tǒng)的控制精度。此外,為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定 性,級聯(lián)引入了自適應(yīng)控制器,以根據(jù)BWF的運行速度微調(diào)PI-FL控制器的增益。最后,在工廠DCS(基于 微處理器的過程控制系統(tǒng))中實現(xiàn)了具有級聯(lián)自適應(yīng)控制器的高級PI-FL。實際測試結(jié)果表明使用該控制 器可使系統(tǒng)的絕對誤差(IAE)積分降低約34。關(guān)鍵字: 皮帶秤DCS 模糊邏輯 建模與仿真非線性1.簡介皮帶稱重給料機(BWF)用于許多礦產(chǎn)/礦石,水泥,化工,化肥和食品行業(yè),以測量和控制穿過皮帶的散裝物料的數(shù)量。皮帶 稱重給料機結(jié)構(gòu)包括支撐在鋼框架上的小型扁平輸送帶,該皮帶 提供安裝布置用于進料和出料端皮帶輪,稱量橋式托輥和支撐空轉(zhuǎn)托輥。環(huán)形 橡膠帶在皮帶輪和空轉(zhuǎn)輥上移動。從圖1(b)可以看出,直流電 動機通過齒輪箱與卸料輪相連。通過基于稱重傳感器的稱重橋(以kg / m為單位)感測物料負荷,并因此改變皮帶的速度(以m/ sec為單位),以便物料進給速度(以kg / min或MT / hr為單位)保持恒定在皮帶稱重給料機的出料口按照(1)進行操作。圖1.(a)皮帶稱重給料機(BWF)系統(tǒng)的圖片(b)BWF的結(jié)構(gòu)示意圖。 為了準(zhǔn)確地感測物料重量并允許稱重傳感器時間恒定,必須以非常低的速度(小于0.3 m / s)驅(qū)動稱重給料帶,因為需要使用哪個齒輪箱將驅(qū)動輪與DC電動機連接。1.1.問題陳述和文獻復(fù)習(xí)研究中的皮帶稱重給料器系統(tǒng)設(shè)計用于將磷礦石(磷酸三鈣)礦物(制造肥料的關(guān)鍵原料)喂入反應(yīng)器中,以與60硝酸反應(yīng)。將磷酸鹽巖喂入BWF之前,先在球磨機中研磨成細粉,以增加其表面積, 以實現(xiàn)更好的反應(yīng)速率。磷酸鹽巖是一種開采的礦物,除水分外還含有一些雜質(zhì),如二氧化硅和金屬氧化物,這會導(dǎo)致其堆積密度的頻繁變化。BWF工藝的關(guān)鍵問題是,通過BWF上方的輔助進料斗進料時,粉料在皮帶上的進料不均勻。取決于散裝物料的堆積密度,料斗內(nèi)部的結(jié)垢,散裝物料的水分和塊含量,BWF帶上物料的進料速度會連續(xù)變化。通過調(diào)節(jié)進料斗的出料口并調(diào)節(jié)安裝在進料斗上的振動電機,可 以手動粗略地控制進料,以盡可能均勻地在皮帶上進料,如圖2所示。 這又導(dǎo)致頻繁進料稱重傳感器信號發(fā)生變化,導(dǎo)致BWF電機設(shè)定點發(fā)生變化,以保持質(zhì)量流量恒定為(1)。此外,細磨的磷酸巖有時會出現(xiàn)潮紅的趨勢,這經(jīng)常會導(dǎo)致皮帶負荷的突然變化。除了改變操作員設(shè)定值外,所有這些因素都要求BWF控制器不斷調(diào)節(jié)電動機和皮帶速度,以保持所需的進給速度。例如,如果設(shè)定的進給速度為10 MT/小時,并且皮帶上的物料負載發(fā)生變化從25 kg / m降低到85 kg / m,然后皮帶速度必須從0.111 m / sec至0.0327 m / sec,以保持相同的進給速度。皮帶稱重給料機的精度,穩(wěn)定性和控制性能直接影響反應(yīng)器中所得漿料的質(zhì)量。漿料的粘度及其含水量取決于對磷礦石進料速 率的精確控制,并直接影響下游結(jié)晶和過濾過程的效率。因此,從工藝優(yōu)化的角度來看,至關(guān)重要的是,工廠BWF必須 以設(shè)定的進料速度保持進料速度,并具有出色的控制精度。皮帶秤進料系統(tǒng)的特點是慣性,時變,非線性和頻繁的負載干擾。有兩種不穩(wěn)定的現(xiàn)象會影響系統(tǒng)的性能和精度,第一種是材 料特性不均勻,例如粗大尺寸,含水量等,第二種是進給速度設(shè) 定值的變化 1,2。由于電機摩擦力,電機飽和度和測量系統(tǒng)中的傳感器噪聲,皮帶進給器表現(xiàn)出非線性行為。稱重皮帶給料機 的動力主要由電動機3,4決定。皮帶秤中使用的單獨勵磁直流電動機具有死區(qū)和摩擦,會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。直流電動機摩擦 的實驗研究表明,與粘性摩擦相比,庫侖和斯特里貝克摩擦引起 直流電動機模型中的非線性5。但是,通常的做法是僅使用粘滯摩擦來建模DC電動機,而忽略庫侖和Stribeck摩擦。恒定的皮帶負載擾動,散裝物料特性的頻繁變化和系統(tǒng)非線性對PI控制器提 出了巨大挑戰(zhàn),該PI控制器用于維持電動機/皮帶速度。這些因素會影響系統(tǒng)在不同工作條件下的慣性,增益和動態(tài)響應(yīng)。比例加 積分(PI)控制器(適用于直流電動機)圖2.具有進料裝置的工業(yè)BWF系統(tǒng)的示意圖。與穩(wěn)態(tài)條件下的模糊控制器相比,基于系統(tǒng)的系統(tǒng)具有優(yōu)越的性 能,但作為線性控制器,它需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6,7。由于其固定的比例增益(Kp)和積分時間(Ti)設(shè)置,因此PI控制器的性能會受到系統(tǒng)增益,慣性和摩擦力等參數(shù)變化的影響。任何穩(wěn)態(tài)誤 差或達到設(shè)定速度的延遲(即差的控制精度)都將導(dǎo)致不合格產(chǎn) 品或過程效率下降。因此,需要對PI控制器進行自動調(diào)整8,以提高系統(tǒng)在所有工作點的控制性能。最近,由于非線性,一些作 者提出了一種適用于稱重喂料機的自適應(yīng)控制技術(shù)9-13。pi通過數(shù)項研究已經(jīng)確定,當(dāng)工廠模型未知或難以開發(fā)時,模糊邏輯控制(FLC)適用于控制器設(shè)計。它不需要精確的過程模型, 并且在干擾,較大的不確定性和過程行為變化方面表現(xiàn)出較強的 魯棒性3。參考文獻3開發(fā)了三種用于皮帶秤的基于模糊邏輯 的PI控制器,并證明了像PI那樣的自整定FLC的性能優(yōu)于按增益計劃的類似PI的FLC(根據(jù)參考文獻21的術(shù)語),但是PI FLC的性能明顯優(yōu)于兩種類似PI的FLC。作者既沒有開發(fā)系統(tǒng)的模型,也沒有研究BWF系統(tǒng)中存在的非線性的原因和性質(zhì)。在設(shè)計PI-FL控制 器時,作者開發(fā)了相對較小的9規(guī)則庫來自動調(diào)整K 和K pi PI控制器3的參數(shù)。在本研究中,首先分析了BWF系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),并分析了非線 性的性質(zhì)和原因。調(diào)查并建立。然后使用工廠皮帶稱重給料機的設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)進行建模,然后對其進行仿真,以更好地了解其非線性響應(yīng)。隨后, 基于仿真結(jié)果,設(shè)計了包含25個規(guī)則庫的PI模糊邏輯控制器(PI- FLC),以提高系統(tǒng)的控制精度。此外,為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 級聯(lián)引入了自適應(yīng)控制器,以根據(jù)BWF的運行速度微調(diào)PI-FL控制器的增益。最后,該帶有級聯(lián)自適應(yīng)控制器(高級BWF控制器)的PI-FL在工廠DCS(基于微處理器的過程控制系統(tǒng))中實施,并通過工廠BWF進行了測試,測試結(jié)果表明BWF控制的實質(zhì)性改進其中,M帶是皮帶(包括惰輪)的質(zhì)量,M材料是散裝材料的質(zhì)量,它們在很大程度上導(dǎo)致系統(tǒng)慣性的變化。J齒輪1,J齒輪2和J滑輪分別是齒輪1, 齒輪2和皮帶輪的慣性。齒輪1和齒輪2是齒輪箱相互嚙合且齒比為1:48 的內(nèi)齒輪。2.皮帶稱重給料機系統(tǒng)的建模植物BWF系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。其中TL是齒輪箱之前的皮帶負載扭矩,T萊克是直流電動機看到的等效 負載扭矩,g是重力引起的加速度。由于在電樞中感應(yīng)的反電動勢以及在定子和電樞上提供的電壓, 電動機施加電磁轉(zhuǎn)矩TM。等式(6)和(7)定義反電動勢Eb和TM。TM= KbIa和Kb= KIe(6)其中K是電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電樞中產(chǎn)生的反電動勢Eb與勵磁電流(或磁通量)和角速度成比例。E = K i.e. E = TM w表格一皮帶稱重給料機系統(tǒng)參數(shù)序號設(shè)計參數(shù)符號技術(shù)指標(biāo)1.標(biāo)簽編號/服務(wù)WIC-101磷礦石2.產(chǎn)能/最大進給速度020 MT/h3.皮帶輪CC長度3000毫米4.皮帶輪直徑D200毫米5.主動皮帶長度L2500毫米的物料床6.環(huán)帶磅6400毫米(長)X 1000毫米尺寸(寬)7.摩擦系數(shù)0.3因子8.機械效率770.99.齒輪箱比I1: 48 (N1/N2)10.齒輪1/齒輪2變速箱變速箱77G0.66效率11.電機額定轉(zhuǎn)速150弧度/秒12最大場電壓已經(jīng)直流210 V13.勵磁電流即直流0.2314.電樞電壓弗吉尼亞州最大240 V DC15.電樞電流a滿載時15 A DC16.電樞電阻鐳5.98歐姆17.電樞電感啦0.276H18.電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kb/Kt1.219.電機慣量m0.0221千克220.電機粘滯摩擦系數(shù)Bm0.011牛頓米圖3.不同運行速度下的實際BWF增益。直流電動機開發(fā)了電磁轉(zhuǎn)矩TM,以克服等效負載轉(zhuǎn)矩T萊克,等效 慣量J當(dāng)量和摩擦力,如圖(9)所示。其中F當(dāng)量等于BWF系統(tǒng)的摩擦系數(shù)。2.2.確定BWF系統(tǒng)的等效摩擦系數(shù)BWF系統(tǒng)是一種以非常慢的速度運行的多旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。BWF電動機 在滿載情況下通常以額定RPM的2530運行。因此,在BWF系統(tǒng)中, 隨著速度的增加和潤滑性的提高,旋轉(zhuǎn)零件的軸承之間的初始摩擦的影響將是顯著且非線性的。BWF系統(tǒng)的非線性可以通過記錄和分析其運行數(shù)據(jù)(電樞電壓, 電樞電流,皮帶負載,電動機RPM)來建立,這些數(shù)據(jù)在穩(wěn)態(tài)條件 下可在面板上獲得。如果我們計算由/ Volts表示的BWF系統(tǒng)增益,并在Y軸上繪制相同的增益,而在X軸上繪制相應(yīng)的電動機速度,則會在MS Excel中獲得XY圖,如圖3所示。散點圖清楚地表明了非線性實線描繪了最合 適的趨勢線,并具有將X和Y變量相關(guān)的非線性相關(guān)方程??梢钥闯觯?當(dāng)機器以較低的速度(1320 rad / s)運行時,系統(tǒng)顯示出較低的增益0.40.5 rad / s / volts,而在較高的速度下則提高到約0.60.7 rad / s / volts (3040 rad / s)。這種現(xiàn)象可歸因于摩擦力的變化,該摩擦力在較低速度時較高,并隨著速度增加而減小。接下來,讓我們嘗試使用(10)給出的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩方程,基于運行數(shù)據(jù)來識別BWF電機所看到的摩擦轉(zhuǎn)矩。tM = kbia = t萊克 + tf(10)其中Tf是電動機由于摩擦而看到的轉(zhuǎn)矩,由下式給出tf= f當(dāng)量(11)T萊克由(5)給出。MS Excel中圖4中的XY圖描繪了在不同BWF速度下計算出的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf的散點圖。該圖突出顯示了BWF系統(tǒng)在Stribeck摩擦由于速 度低而突出的區(qū)域中運行。黑色實線代表顯示負指數(shù)關(guān)系的最佳擬合曲線14,這說明了圖2中獲得的非線性響應(yīng)。在較高速度下, 斯特里貝克摩擦主要是BWF增益增加的原因。圖4.不同運行速度下的BWF摩擦扭矩。預(yù)計如果系統(tǒng)速度增加到超出運行范圍,則粘性摩擦將起作用。但是,出于建模的目的,我們可以用一條直線近似最佳擬合指數(shù)線。然后可以通過計算該線的斜率來推導(dǎo)平均摩擦系數(shù),從而得出:F當(dāng)量= 0.026Nms /弧度組合系統(tǒng)方程(2)(11),我們可以構(gòu)建系統(tǒng)模型,如下圖 5所示。該系統(tǒng)配有常規(guī)的PI控制器,用于皮帶/電機的速度控制。 用Kg / m表示的皮帶負載乘以皮帶長度表示皮帶上的物料負載, 進而為模型提供負載扭矩。J當(dāng)量是模型中系統(tǒng)在電動機電樞處的總 等效慣量,由公式(2)給出。2.2.PI控制器的響應(yīng)首先應(yīng)通過逐步更改Va來在沒有PI控制器的情況下在線測試模型, 以獲得開環(huán)反應(yīng)曲線。為了獲得PI控制器的參數(shù),即Kp(比例增益) 和Ki (積分增益)的最佳值,如果我們具有開環(huán)S型響應(yīng)的Zeigler Nichols反應(yīng)曲線法,可以采用系統(tǒng)15。根據(jù)先前捕獲的Va 從0到100 V DC階躍變化的開環(huán)響應(yīng),計算出最佳PI控制器參數(shù)(Kp= 1.49 和Ki= 30)10,16 。對于上述PI控制器參數(shù),如圖6所示,捕獲了速度參考值從0到22 rad / sec的階躍變化時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。從階躍響應(yīng)中可以看出,帶有PI控制器的系統(tǒng)顯示出兩個過沖, 并在1.4 s后穩(wěn)定在設(shè)定點。該響應(yīng)表明針對給定工廠(皮帶稱重給料機)增益,具有四分之一振幅阻尼的最佳控制器調(diào)整。但是,如圖3所示,皮帶稱重給料機的增益隨著運行速度的變化而不斷變化。基于此,我們可以預(yù)測,由于皮帶稱重給料機系統(tǒng)表現(xiàn)出的非線性增益, 針對較低的設(shè)定點/負載進行調(diào)整的PI控制器將對較高的設(shè)定點/負載 產(chǎn)生較高的過沖,反之亦然。參考文獻17強調(diào)了Ziegler-Nichols 調(diào)諧PI控制器無法為高階和/或非線性系統(tǒng)提供令人滿意的性能。3. 帶級聯(lián)的PI模糊邏輯自適應(yīng)控制器的研制。pi鑒于PI控制器在BWF應(yīng)用中的局限性,建議對常規(guī)PI控制器進行修 改,使其增益(即比例增益K 和積分增益K )根據(jù)模糊條件根據(jù)模糊規(guī)則進行連續(xù)調(diào)整。速度誤差e和速度誤差信號變化0.6。e。傳統(tǒng)上,模糊邏輯控制器(FLC)在瞬態(tài)條件下工作良好,而比例加積分(PI) 控制器更適合于消除穩(wěn)態(tài)條件下的失調(diào)。此外,由于系統(tǒng)的增益存在變化,因此建議根據(jù)工作點進一步調(diào)整PI-FLC增益的穩(wěn)定性。建議通過開發(fā)具有級聯(lián)自適應(yīng)控制器(高級BWF控制器)的PI-FL來綜合利用這三個控制器的優(yōu)勢,如圖7所示,該控制器可以快速而又穩(wěn)定。模糊邏輯應(yīng)用于輸入-誤差(e)和誤差變化b.e結(jié)合比例因子Ge和Gb.e來開發(fā)三角形隸屬函數(shù)NL,NS,ZE,PS, PL,如表2A所示。三角隸屬度函數(shù)用于控制器設(shè)計中,因為它們 相對易于開發(fā)并且需要較少的計算工作。它們在文學(xué)中也很受歡迎。在此模型中,G(e)和G(be)是用于標(biāo)準(zhǔn)化輸入信號e和be的增 益,Kp和Ki是PI控制器增益,S(w)是基于工作點的自適應(yīng)增益因子( TL是負載轉(zhuǎn)矩,u是控制器輸出。針對PI控制器增益開發(fā)了類似的三角隸屬函數(shù),即Kp和Ki,用 于實現(xiàn)模糊規(guī)則。根據(jù)過去的運行數(shù)據(jù)和開環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié)果, 使用Zeigler Nichols反應(yīng)曲線方法在整個工作范圍內(nèi)計算Kp和Ki 的值,從而開發(fā)出Kp的論述范圍(表2B中所示設(shè)計了它們的三角隸 屬函數(shù)PVL,PL,PML,PS,PVS,其范圍為0.2-3)和Ki (范圍為2.5-40)使用輸入和輸出隸屬度函數(shù),為PI FLC開發(fā)了25條模糊規(guī)則,如表3所示。使用質(zhì)心法根據(jù)隸屬度得出Kp和Ki增益的明晰值18. .通過應(yīng)用增益S根據(jù)系統(tǒng)工作點(通常在10 rad / s至10 rad / s之間)對Kp和Ki的值進行進一步調(diào)整/微調(diào)。機器的運行速度w(12)。 圖5.皮帶秤給料機系統(tǒng)模型的框圖表示。圖6.帶PI控制器的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。
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