基于模糊PID算法的擠出機(jī)機(jī)筒溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 王全剛 □ 程良倫 □ 李錦棠 □ 黃偉倫 □ 湯啟立

1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 廣州 510006

2.江門(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司 廣東江門(mén) 529080

溫度控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活中較為常見(jiàn)和基本的工藝參數(shù)之一［1］。塑料是一種高分子合成材料，是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)材料之一，它廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、交通運(yùn)輸?shù)冉?jīng)濟(jì)領(lǐng)域,和鋼鐵、木材、水泥并稱(chēng)為材料領(lǐng)域的四大支柱［2］。

在塑料擠出行業(yè)，擠出機(jī)機(jī)筒的溫度控制效果關(guān)系到擠出塑料薄膜的質(zhì)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)擠出機(jī)的溫度控制采用開(kāi)關(guān)控制法，即通過(guò)硬件電路和軟件計(jì)算對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行判斷，進(jìn)而對(duì)機(jī)筒表面的加熱裝置進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，達(dá)到控制溫度的效果。但是由于擠出機(jī)加熱功率大、溫度超調(diào)量大、魯棒性差，采用這種溫度控制方式往往無(wú)法很好克服溫度變化的滯后性，控制精度低，控制效果不理想，不能滿(mǎn)足高精度控溫要求。

▲圖1 采取電磁加熱的擠出機(jī)機(jī)筒結(jié)構(gòu)

▲圖2 模糊PID控制結(jié)構(gòu)原理圖

針對(duì)溫度控制系統(tǒng)的時(shí)變性、非線性、時(shí)滯性，筆者提出一種模糊PID控制策略，通過(guò)模糊控制在線調(diào)整PID參數(shù)，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，提高魯棒性。通過(guò)MATLAB仿真和現(xiàn)場(chǎng)上機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的控制效果。本文使用西門(mén)子S7-300型PLC，配合A/D及D/A轉(zhuǎn)換模塊，組成模糊PID的負(fù)反饋溫度控制系統(tǒng)，控制擠出機(jī)機(jī)筒的溫度。

1 加熱方式與系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的擠出機(jī)機(jī)筒常采取電阻加熱方式，該接觸式熱傳遞方法的電熱轉(zhuǎn)換效率較低，加熱圈外壁的熱量大部分被散失到空氣中，造成熱效率下降，環(huán)境溫度上升［3］，超過(guò)20%以上的電能通過(guò)電熱圈散失，30%以上的熱量在熱傳遞過(guò)程中散失，電能?chē)?yán)重浪費(fèi)，生產(chǎn)成本高。如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的擠出機(jī)機(jī)筒采取高效節(jié)能電磁加熱方式，即通過(guò)三相半橋電磁感應(yīng)加熱驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生頻率為20 kHz左右的高頻交流電，從而產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，隨后，高頻交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流來(lái)使機(jī)筒自?xún)?nèi)向外快速發(fā)熱，而機(jī)筒表面的保溫棉可以將90%的能量保留在機(jī)筒上，熱量利用充分，基本無(wú)散失，節(jié)電效果顯著。由于生產(chǎn)工藝的要求，將機(jī)筒等距分為6個(gè)溫區(qū)，分別使用6個(gè)熱電偶采集各區(qū)溫度，分段加熱、分段控溫，提高控制精度。

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)PID（比例、積分和微分）控制原理簡(jiǎn)單、方便、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高，可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域。本文將普通二維模糊控制器和常規(guī)PID控制器結(jié)合起來(lái)，確定PID的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd與溫度偏差e和偏差變化率ec之間的模糊規(guī)則，在程序運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)時(shí)采樣和判斷偏差e和偏差變化率ec，并按照已建立的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢(xún)模糊控制表，從而在線動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，改善控制效果。模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖中，r（t）為溫度設(shè)定值，y（t）為實(shí)際輸出溫度。模糊控制系統(tǒng)采用二輸入三輸出模糊控制器，輸入為溫度偏差e和偏差變化率 ec，輸出為 3 個(gè) PID 系數(shù) Kp、Ki、Kd。

2.2 輸入變量和輸出變量的模糊化

使用E和EC代表溫度偏差e和偏差變化率ec進(jìn)行模糊化后的模糊量，同理KP、KI、KD分別為PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的模糊量。 整個(gè)系統(tǒng)采取“二入三出”的模糊控制器。

輸入變量和輸出變量的語(yǔ)言值的模糊子集為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝，偏差e和偏差變化率ec的論域?。?6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6｝，輸出變量 Kp、Ki、Kd的論域?。?,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12｝，各輸入輸出變量的隸屬函數(shù)全部采取三角函數(shù)形式。圖3、圖4分別為輸入變量和輸出變量的三角形隸屬函數(shù)圖像。

2.3 輸出變量模糊規(guī)則的確立

根據(jù)電磁加熱器溫度控制過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，得出控制規(guī)則。選取控制量變化的原則是:當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)［4］。 Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表如表 1、2、3 所示。

2.4 輸出變量的去模糊化

若輸出變量的去模糊化采取偏差e和偏差變化率ec在線計(jì)算的方法，則會(huì)消耗過(guò)多的CPU資源，所以選用“查表法”：將離線計(jì)算的輸出變量模糊控制表存放在PLC數(shù)據(jù)塊中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)在線檢測(cè)偏差e和偏差變化率ec，查表求得PID參數(shù)，并將其輸出至PID中斷程序所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后輸出控制量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)溫度系統(tǒng)。圖5為模糊PID流程圖。

▲圖3 輸入變量的隸屬函數(shù)

▲圖4 輸出變量的隸屬函數(shù)

表1 Kp的模糊規(guī)則

表2 Ki的模糊規(guī)則

表3 Kd的模糊規(guī)則

▲圖5 模糊PID流程圖

由MATLAB中Fuzzy工具箱求得模糊控制表，在MATLAB中的Simulink平臺(tái)選擇模糊控制器模塊，同時(shí)設(shè)計(jì)假定的模糊輸入變量,并運(yùn)行輸出至WorkSpace， 最后導(dǎo)出 3 個(gè) 13×13 的矩陣查詢(xún)表［5］。

▲圖6 常規(guī)PID與模糊PID響應(yīng)特性曲線

▲圖7 擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.5 MATLAB系統(tǒng)仿真

采用階躍輸入作為激勵(lì)和最終輸出的目標(biāo)值，通過(guò)PID常規(guī)控制器和模糊PID控制器對(duì)相同輸入的響應(yīng)特性曲線進(jìn)行二者之間的比較，結(jié)合在 MATLAB中建立的模型，可以得到如圖 6所示的響應(yīng)特性曲線。相對(duì)于常規(guī)PID控制來(lái)說(shuō),模糊PID控制有著響應(yīng)時(shí)間短、更快的反應(yīng)速度，并且超調(diào)小［6］。

3 基于PLC的模糊PID控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

本文采用的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，整個(gè)擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)包括電磁加熱器、控制器S7-300、熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及D/A轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)界面TP277。

熱電偶通過(guò)采集機(jī)筒的溫度信號(hào)模擬量，并將其傳送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)入CPU，進(jìn)行模糊PID運(yùn)算，輸出數(shù)字量再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓值，因?yàn)殡妷耗M量的大小與電磁加熱器的輸出功率線性對(duì)應(yīng)，從而控制機(jī)筒的加熱功率；人機(jī)界面可以監(jiān)控溫度變化以及系統(tǒng)運(yùn)行情況。

3.2 S7-300平臺(tái)模糊PID的實(shí)現(xiàn)

將通過(guò)離線計(jì)算得到的輸出變量Kp、Ki、Kd的模糊控制表裝載到S7-300的數(shù)據(jù)塊DB26中，以便通過(guò)“查表法”在線查找并確定PID參數(shù)，如圖8所示。

PLC上電運(yùn)行后，主程序塊OB1開(kāi)始采集并量化溫度信號(hào)，同時(shí)調(diào)用功能和功能塊。因?yàn)椴扇〉氖蔷€性?xún)?nèi)部補(bǔ)償熱電偶，所以不需要調(diào)用FC105功能，只需在OB1中對(duì)A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量PIW256除以10即可得到擠出機(jī)實(shí)際溫度值，存放在DB1.DBD10中，如圖9所示。中斷組織塊OB中存放PID指令FB41，間隔時(shí)間100 ms。

▲圖8 DB26中PLC模糊控制表

▲圖9 溫度采集及轉(zhuǎn)化程序

▲圖1 0 采取兩種溫度控制策略實(shí)際溫度曲線

通過(guò)查尋模糊控制表得到的 PID參數(shù) Kp、Ki、Kd存儲(chǔ)到DB1數(shù)據(jù)塊中，與FB41PID指令對(duì)應(yīng)的地址分別為 DB1.DBD20，DB1.DBD24，DB1.DBD28。 經(jīng)過(guò) PID運(yùn)算后，將輸出控制量DB1.DBW76轉(zhuǎn)移到PQW272，最后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓模擬量，驅(qū)動(dòng)并控制電磁加熱器功率輸出，達(dá)到負(fù)反饋調(diào)溫的效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了直觀檢驗(yàn)?zāi)：齈ID溫度控制系統(tǒng)的性能，必須經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，觀察其溫度變化曲線，并與采用傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照。

對(duì)照實(shí)驗(yàn)采取控制變量法，除溫度控制策略不同外，其它條件完全相同?？刂茖?duì)象為實(shí)際螺桿直徑90 mm的擠出機(jī)，采用三相半橋10 kW電磁加熱器，生產(chǎn)原料選擇PE，采取模糊PID及常規(guī)PID的溫度控制策略，將擠出機(jī)機(jī)筒溫度從常溫升至300℃，每3 min記錄一次溫度值，并將所記錄的數(shù)據(jù)繪制成圖像，如圖10所示，以便更直觀地判斷。

由圖10可以看出，采取常規(guī)PID控制策略的擠出機(jī)加熱系統(tǒng)，在機(jī)筒溫度達(dá)到設(shè)定值300℃時(shí)，由于系統(tǒng)PID各參數(shù)不能實(shí)時(shí)在線整定，其對(duì)熱慣性的控制效果較差，故溫度還會(huì)有一個(gè)5～10℃的超調(diào)，波動(dòng)較大，且溫度曲線收斂時(shí)間長(zhǎng)；而采用模糊PID控制的溫度控制系統(tǒng)，超調(diào)量只有1～2℃，機(jī)桶溫度快速達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定溫度，溫度曲線過(guò)渡平滑，收斂時(shí)間大大縮短，控制效果優(yōu)良，在控制薄膜均勻度起到了重要作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

模糊PID控制策略已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)當(dāng)中，它兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，超調(diào)小，穩(wěn)定快，魯棒性好。本文將模糊PID控制理論與高速擠出機(jī)機(jī)筒電磁加熱控制高效結(jié)合，達(dá)到了節(jié)能降耗、溫度控制精度的良好效果，有助于提升產(chǎn)品品質(zhì)，并降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 呂俊霞.基于模糊 PID的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［J］.精密制造與自動(dòng)化，2010（2）.

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［3］ 毛桂興.淺談注塑機(jī)的各種電熱圈 ［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2014（1）.

［4］ 陶權(quán)，謝彤.基于 PLC的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置溫度模糊 PID控制［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010（5）.

［5］ 王童謠，胡建易.模糊PID自整定算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)［J］.遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）.

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