基于模糊PID控制的光纖二次涂覆層絲徑控制系統(tǒng)

王佳琪

摘要：通過理論基礎(chǔ)研究，優(yōu)化了光纖二次涂覆層絲徑控制技術(shù)。使二次涂覆層光纖絲徑波動達到更優(yōu)?；谀：齈ID控制技術(shù)的光纖二次涂覆層絲徑控制方案改善了光纖的機械強度，降低了衰減率及缺陷率。

關(guān)鍵詞：PID控制；模糊控制；參數(shù)自整定；光纖二次絲徑

1緒論

光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是光纜的核心組成。光纖的結(jié)構(gòu)分為四層的同心圓柱體，光纖結(jié)構(gòu)為中心部分為纖芯，從內(nèi)向外分別是包層、一次涂覆層、二次涂覆層。光波通過纖芯和包層的全反射原理在光纖中傳播。

光纖的涂覆層分為一次涂覆層和二次涂覆層，一次涂覆層較軟，彈性模量低，只有幾百兆帕，二次涂覆層較硬，彈性模量高，可達幾萬兆帕。一次涂覆層用于保護裸光纖表面免受機械損傷，并且在光纖使用中起到緩沖外界應(yīng)力的作用。二次涂覆層較硬有利于光纖耐磨損。涂覆層的涂覆材料主要有硅樹脂、聚氨基甲酸乙酯、環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂等。

光纖的涂覆是拉絲生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高品質(zhì)的光纖要求有高的機械強度，低衰減率，低缺陷率，這些都與光纖涂覆層絲徑有直接和間接的關(guān)系。光纖涂覆層絲徑的波動情況不僅代表本公司的生產(chǎn)工藝水平，更對后續(xù)制程有深遠影響。光纖涂覆層絲徑波動小，可以帶來更高的生產(chǎn)良率，斷長更優(yōu)的光纖，降低生產(chǎn)成本，為公司帶來更高的企業(yè)效益。

2被控對象及策略研究

本公司對光纖的涂覆方式采取Wet-on-Wet的方式，該方法是完成一次涂覆之后不經(jīng)過固化直接進行二次涂覆。該種方法具有節(jié)省空間，拉絲塔總高度低，光纖絲徑控制精度高等特點。

基于Wet-on-Wet的涂覆方式，光纖二次涂覆層絲徑受到模具、拉絲速度、一次涂覆層絲徑、涂料溫度、氦氣用量以及涂料壓力等多因素影響。

2.1拉絲速度對二次涂覆層絲徑的影響

在拉絲過程中，由于預(yù)制棒直徑的波動，裸光纖絲徑也隨之上下波動，是一個隨機量。公式為D2V=d2v(D為預(yù)制棒直徑，V為預(yù)制棒的進給速度，d為裸光纖絲徑，v為光纖的拉絲速度)，為了保證裸光纖絲徑滿足工藝要求，拉絲速度需要不斷調(diào)整，因此拉絲速度為一個一定范圍內(nèi)的變化量。而二次涂覆層的絲徑又和拉絲速度成反比例關(guān)系，拉絲速度增加，二次涂覆層絲徑降低，拉絲速度降低，二次涂覆層絲徑增加。因此在二次涂覆層絲徑的控制中，拉絲速度是影響二次涂覆層絲徑波動的重要因素。

2.2模具內(nèi)涂料溫度對二次涂覆層絲徑的影響

光纖涂覆層絲徑大小受模具內(nèi)涂料溫度的控制，涂料溫度高，涂料的粘度降低，流動性大，在相同涂覆條件下，涂覆層絲徑大。反之涂料溫度降低，涂覆層絲徑減小。下表1為實驗室進行的實驗數(shù)據(jù)分析?？梢酝ㄟ^控制模具內(nèi)涂料溫度的途徑，控制二次涂覆層絲徑。在涂覆層絲徑波動時，快速調(diào)整模具內(nèi)涂料的加熱溫度從而調(diào)節(jié)涂覆層絲徑的大小。為滿足涂覆層絲徑的穩(wěn)定控制，模具涂料加熱器的控制需要滿足反應(yīng)快速，調(diào)節(jié)穩(wěn)定及精準的需求。

模具內(nèi)涂料的溫度控制是一個典型的過程控制，動態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點，而且伴有非線性。目前典型的控制方法是采用開關(guān)式控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，超調(diào)量大，同時具有對外界環(huán)境變化響應(yīng)慢，實時性差等缺點。

因此，當(dāng)一次涂覆層絲徑穩(wěn)定時，二次涂覆層絲徑波動主要來源于送棒速度與拉絲速度的擾動變化。本文主要研究將經(jīng)典控制理論結(jié)合智能控制理論通過對涂覆層涂料的溫度智能控制得到穩(wěn)定的光纖絲徑控制方案。將光纖涂覆層絲徑的大小控制在更小的受控范圍內(nèi)245±3μm，使涂層缺陷率達到更低的最優(yōu)狀態(tài)。對提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，產(chǎn)品的良率及穩(wěn)定性具有重要的意義。

3控制系統(tǒng)特性與控制方法分析

光纖二次涂覆層涂料溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一階慣性滯后環(huán)節(jié)。選用的控制方式為參數(shù)可自動在線調(diào)整PID控制方法。

3.1PID控制

本系統(tǒng)引入計算機數(shù)字控制，因此將PID控制算法中的連續(xù)時間信號，經(jīng)過采樣、量化后得到的數(shù)字量進行計算和處理，積分與微分環(huán)節(jié)經(jīng)過數(shù)值計算與逼近，數(shù)字化的PID算法如式所示，分別為PID位置控制算法和PID增量式算法。

或

式中 k為采樣序號，k=0，1，2，3；u(k)為第k次采樣輸出；e(k)為第k次采樣誤差；e(k-1)為第k-1次采樣誤差；ki為積分系數(shù)，ki=TpT/Ti；kd為微分系數(shù)，Kd=KdTd=/T?？梢缘玫较率?。

同時本系統(tǒng)考慮到系統(tǒng)的抗干擾抑制，由于偏差值e在進入正常調(diào)節(jié)過程后，e值小，此時相對的外界干擾對控制系統(tǒng)的影響就會很大，為了消除干擾的影響，采用四點中心差分法進行改進，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。四點中心差分方法的思想是，不直接采用誤差e(k)，而是用過去和現(xiàn)在四個采樣時刻的誤差平均值作為基準，由上式得到式。

近似微分得式：

修正后的PID位置算法為：

修正后的PID增量式算法為：

3.2模糊控制

模糊控制是以模糊集合化、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機數(shù)字控制方法，從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制的基本思想是利用計算機實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。

本系統(tǒng)采用的模糊控制算法為查表法，查表法是輸入論域上的點到輸入論域的對應(yīng)關(guān)系，它已經(jīng)是經(jīng)過了模糊化、模糊推理和解模糊的過程。

3.3參數(shù)自整定模糊PID控制

經(jīng)典的PID 控制方法，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，能有效的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時間長。模糊控制的特點是響應(yīng)時間短，可以保持較小的超調(diào)量，但是消除穩(wěn)定誤差的性能較差。本系統(tǒng)將兩種控制方法相融合，研究一種參數(shù)自整定模糊PID控制算法對光纖二次涂覆層涂料溫度進行控制，得到更優(yōu)的系統(tǒng)動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。

參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行分析判斷，采用模糊控制方法在線調(diào)整PID控制器的kp、ki、kd。該控制方法保持了經(jīng)典PID控制的優(yōu)點，而且具有更高的響應(yīng)速度、精確控制的特性。下圖1為模糊自整定PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。由PID控制器和模糊推理參數(shù)校正組成，偏差e和偏差變化率ec作為模糊系統(tǒng)輸入，kp、ki、kd作為模糊系統(tǒng)的輸出，在線改變PID的參數(shù)值，實現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。endprint

下圖2為典型的溫度控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。將典型曲線分為三個部分進行分段研究，建立模糊規(guī)則表。

在第一階段，|e|較大，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取較大的kp，為了避免偏差e的瞬間變大引起的微分過飽和，取較小的kt，同時為了防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，該階段采用PI控制方式。

在第二階段，|e|和|ec|處于中間位置，Kp、ki、kd都不能取過大，減少系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量。同時為保證系統(tǒng)響應(yīng)速度，取適中ki和kd的值。

在第三階段，|e|較小需要系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性能，因此取較大的kp和ki值?？紤]到系統(tǒng)抗干擾能力并且避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近的振蕩結(jié)果，需根據(jù)|ec|的大小選擇的kd設(shè)定值，|ec|小時kd大，|ec|大時kd小。誤差e和誤差變化率ec與系統(tǒng)中不確定量變化大小成正比例關(guān)系，由此得到kp、ki和kd的算法，推算設(shè)計出PID參數(shù)Fuzzy調(diào)整矩陣式如下所示。

上式中為模糊系統(tǒng)PID控制器輸出參數(shù)，為初始化參數(shù)。通過查詢法得到不同情況下參數(shù)的輸出值。由溫度控制系統(tǒng)曲線，得到控制規(guī)則表2、表3、表4。

本系統(tǒng)控制流程圖如下圖3。

4結(jié)論

本系統(tǒng)優(yōu)化了光纖二次涂覆層絲徑的控制方法，針對溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性的大慣性大延遲的特點采用了模糊自整定PID控制方式，解決了溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)慢，響應(yīng)速度差的問題，穩(wěn)定了光纖二次涂覆層絲徑波動大帶來的質(zhì)量問題，同時提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)控制精度得到了改善。

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