基于模糊自適應(yīng)PID控制的雙螺桿擠壓機(jī)溫度控制研究

劉訓(xùn)非

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

近年來，雙螺桿擠壓機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于食品加工行業(yè)，可以應(yīng)用于各類谷物的加工。雙螺桿擠壓機(jī)的應(yīng)用越來越廣，目前已經(jīng)應(yīng)用于水產(chǎn)飼料、寵物飼料、幼畜哺乳期飼料和經(jīng)濟(jì)動(dòng)物飼料的加工中。雙螺桿擠壓機(jī)提高了飼料的輸送、泵出以及混合性能。由于雙螺桿擠壓機(jī)的嚙合具有螺旋結(jié)構(gòu)，因此，其具有一種正壓泵的功能。雙螺桿擠壓機(jī)能夠用來輸送低黏性的飼料，并且具備自清理的能效。對(duì)于同向的雙螺桿擠壓機(jī)，物料能夠沿著一個(gè)“∞”型的通道流動(dòng)，兩螺旋的關(guān)鍵部位是嚙合區(qū)，螺棱不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正向輸送，而且能夠改變物料的方向，從而能夠提高混合和熱交換效率。對(duì)于雙螺桿擠壓機(jī)，在工作過程中必須進(jìn)行有效控制的變量有各區(qū)的溫度以及?？诘膲毫?，飼料的溫度控制和飼料的結(jié)構(gòu)（例如，淀粉的糊精化、脂肪的揮發(fā)性等）是密切相關(guān)的，?？诘膲毫惋暳霞庸ば?、飼料加工的質(zhì)量以及整機(jī)的工作性能都是密切相關(guān)的。對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)的溫度和?？诘膲毫M(jìn)行有效的控制，能夠提高飼料加工的操作穩(wěn)定性，從而能夠防止故障的發(fā)生。如果利用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)的工作過程進(jìn)行控制，存在控制精度低、抗干擾能力差、超調(diào)量大的缺陷。為了能夠彌補(bǔ)這一缺陷，可以采取模糊控制，雖然能夠提高PID控制器的控制效果，但是仍然存在控制相應(yīng)速度慢的缺陷。為了能夠有效地解決以上問題，可以將PID控制器和模糊控制器結(jié)合起來形成模糊自適應(yīng)PID控制器,利用模糊規(guī)則在線調(diào)節(jié)PID控制器的基本參數(shù),然后利用PID控制對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行智能控制。

1 雙螺桿擠壓機(jī)?？趬毫刂频幕驹?/h2>

控制的對(duì)象是直流電機(jī)，被控的參數(shù)是支流電機(jī)電壓。雙螺桿擠壓機(jī)的?？趬毫椭绷麟姍C(jī)的轉(zhuǎn)速是密切相關(guān)的，通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)電壓的大小能夠調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而能夠達(dá)到調(diào)節(jié)雙螺擠壓機(jī)?？趬毫Φ哪康?。模口壓力可以通過壓力傳感器來測試，傳感器輸出的電信號(hào)通過變送器、信號(hào)隔離、信號(hào)調(diào)理電路最終輸入至A/D轉(zhuǎn)換器。通過模糊自適應(yīng)PID控制器根據(jù)給定的電壓和實(shí)際的電壓變化情況對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而能夠有效地控制?？趬毫?。雙螺桿擠壓機(jī)具有控制變量多的特點(diǎn)，而且不同控制變量之間存在著非線性的聯(lián)系，在噪聲的干擾下將增加控制的難度。傳統(tǒng)的PID控制無法滿足雙螺桿擠壓機(jī)的控制要求，因此利用模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。

2 雙螺桿擠壓機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 模糊自適應(yīng)PID控制的基本原理

傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)以及工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，然而，其參數(shù)整定的前提是能夠獲得雙螺桿擠壓機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型，如果控制系統(tǒng)的參數(shù)產(chǎn)生改變，就不能達(dá)到雙螺桿擠壓機(jī)的額定工作性能，所以無法較好地處理雙螺桿擠壓機(jī)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)間的沖突。

模糊控制的理論依據(jù)有模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理，基于人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的智能控制技術(shù)。模糊控制以雙螺桿擠壓機(jī)的作業(yè)參數(shù)為前提，不考慮雙螺桿擠壓機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，因此該控制技術(shù)可以適用于不能進(jìn)行精確模型建立的玉米聯(lián)合收割機(jī)和在信息比較匱乏時(shí)所對(duì)應(yīng)的病態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜的非線性、時(shí)變系統(tǒng)的有效控制。然而，模糊控制不能除去靜態(tài)誤差。把模糊控制和PID控制緊密地結(jié)合起來，選擇模糊規(guī)則對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，能夠有效地發(fā)揮模糊控制以及PID控制的優(yōu)勢，進(jìn)而可以使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)能夠提高，從而能夠使雙螺桿擠壓機(jī)的控制可靠性得到提高。

模糊自適應(yīng)PID控制把模糊規(guī)則和對(duì)應(yīng)的操作事先存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)知識(shí)庫內(nèi)，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)玉米聯(lián)合收割機(jī)實(shí)際的響應(yīng)狀態(tài)，按照預(yù)先存儲(chǔ)的知識(shí)庫采取模糊推理操作，并且對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)，進(jìn)而能夠有利于模糊控制和PID控制的緊密結(jié)合。

模糊控制器的輸入為誤差e和誤差的變化率ec，通過模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整，從而獲得PID控制中3個(gè)參數(shù)值的變化量比例因子Kp、積分因子Ki、微分因子Kd，進(jìn)而使控制系統(tǒng)輸出預(yù)設(shè)值。

雙螺桿擠壓機(jī)的模糊自適應(yīng)PID控制原理如圖1所示。按照實(shí)際測試的結(jié)果，可以對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將傳統(tǒng)PID算法和模糊控制的優(yōu)勢結(jié)合起來，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)的平穩(wěn)控制。

模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)步驟包括：確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)、輸入輸出模糊化、建立模糊控制規(guī)則、近似推理算法、去模糊化。

圖1 雙螺桿擠壓機(jī)的模糊自適應(yīng)PID控制原理

2.2 模糊規(guī)則的確定

為了能夠把模糊PID雙螺桿擠壓機(jī)控制系統(tǒng)中偏差e所對(duì)應(yīng)的語言變量轉(zhuǎn)化為模糊集合，把語言變量E定義為7個(gè)層次，進(jìn)而獲得對(duì)應(yīng)的7個(gè)模糊子集，可以充分地體現(xiàn)偏差e的水平，劃分結(jié)果如下：

式中，NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL 分別表示“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。誤差e是0和1之間的數(shù)。和誤差的模糊集合相應(yīng)的論域可以表示為如下的形式：

對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖2 偏差的隸屬度函數(shù)

把偏差的變化率ec相應(yīng)的變量分為7個(gè)層次，形成7個(gè)模糊子集，進(jìn)而能夠充分地體現(xiàn)偏差變化率的大小，層次劃分如下所示：

式中各符號(hào)的意義同上，ec的取值范圍為[0,1]。偏差的變化率的模糊集合相應(yīng)的論域如下所示：

和偏差變化率相應(yīng)的隸屬度函數(shù)示意圖如圖3所示。

把雙螺桿擠壓機(jī)的模口壓力P分為7個(gè)層次，形成了7個(gè)模糊子集，從而能夠充分地體現(xiàn)控制變量的大小，層次劃分如下所示：

式中，各符號(hào)的意義同上。

圖3 偏差變化率的隸屬度函數(shù)

?？趬毫Φ碾`屬度函數(shù)示意圖如圖4所示。

圖4 控制變量的隸屬度函數(shù)

根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制器不同參數(shù)調(diào)整的實(shí)際需求，同時(shí)考慮雙螺桿擠壓機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出不同控制變量的控制規(guī)則，見表1。

表1 各變量的控制規(guī)則

當(dāng)變量為ZO時(shí)，利用的PID算法如下所示：

3 雙螺桿擠壓機(jī)成捆密度控制試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)的有效性，利用該控制系統(tǒng)對(duì)某機(jī)械公司制造的雙螺桿擠壓機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行了測試試驗(yàn)，同時(shí)利用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行控制測試，從雙螺桿擠壓機(jī)的飼料加工的效率和?？趬毫刂频木冗M(jìn)行了比較研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙螺桿擠壓機(jī)?？趬毫Φ目刂品抡媲€

從圖5中可以看出，改進(jìn)的滑?？刂茖?duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行控制的結(jié)果相對(duì)于傳統(tǒng)的滑?？刂平Y(jié)果，具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此，能夠有效地對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。此外，利用模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行控制和傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)比較，雙螺桿擠壓機(jī)的工作效率提高了25%，從而提高了飼料加工的效率和質(zhì)量。

4 結(jié)論

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)、具有較高的控制精度和控制穩(wěn)定性，可以有效地克服傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)的缺陷，在雙螺桿擠壓機(jī)的智能控制中具有較廣闊的應(yīng)用前景。通過樣機(jī)的控制測試，表明利用該模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)可以提高雙螺桿擠壓機(jī)?？趬毫刂频臏?zhǔn)確性，能夠極大地提高雙螺桿擠壓機(jī)的工作效率和質(zhì)量。

[1]劉金琨，馬少華.MF-70型擠壓機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(2):45-47.

[2]劉海燕，歐陽斌林.雙螺桿擠壓機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,35(5):594-596.

[3]趙鑫,劉紅軍,王軍,等.時(shí)滯系統(tǒng)模糊整定PID控制的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(11)：211-214.

[4]余劍翔，任光，修智宏.典型模糊PID控制器的插值算法及參數(shù)優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(9)：2530-2533.