基于大林算法的熱壓爐爐溫PLC控制研究

摘 要：本文以金屬基復(fù)合材料制備中的熱壓爐為研究對象，分別采用傳統(tǒng)PID控制和大林算法進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，大林算法較傳統(tǒng)的PID控制可以更穩(wěn)定地控制熱壓爐溫度，而且大林算法在被控對象模型失配時，仍然可以得到較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：熱壓爐；爐溫；大林算法；PID；模型失配

中圖分類號：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0148-02

Research on PLC Control of Furnace Temperature of Hot Pressing

Furnace Based on Daolin Algorithm

XIN Haiyan

（School of Electronics and Computer Engineering， Southeast University Chengxian College，Nanjing Jiangsu 210088）

Abstract： In this paper， the hot pressing furnace in the preparation of metal matrix composites was taken as the research object， the traditional PID and Dalin algorithm were used to control the simulation， and the Daolin algorithm control system was test. The results showed that the Daolin algorithm could control the temperature of the hot stamping furnace more strictly than the traditional PID control， and the Dalin algorithm could get the better control effect when the controlled object model was mismatched.

Keywords： hot pressing furnace；furnace temperature；Dalin algorithm；PID；model mismatch

熱壓爐是金屬基復(fù)合材料制備中應(yīng)用最多的加熱設(shè)備，用于對材料的分?jǐn)嗉訜岷屠鋮s等。熱壓爐的溫度參數(shù)對金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)有很大影響，溫度控制精度和穩(wěn)定度直接影響材料質(zhì)量和能源利用效率。熱壓爐是一個具有較大純滯后和時間常數(shù)的溫度控制對象，傳統(tǒng)的PID控制易于整定，適應(yīng)性強(qiáng)，但不能有效控制熱壓爐這樣難以建立精確數(shù)學(xué)模型、含有滯后、非線性的系統(tǒng)[1]。PID控制對于模型失配時滯系統(tǒng)的控制效果不理想。本文以金屬基復(fù)合材料加工中常見的熱壓爐系統(tǒng)為被控對象，采用PLC控制和大林算法對熱壓爐進(jìn)行研究，解決金屬基復(fù)合材料熱處理中的溫度控制問題，實(shí)現(xiàn)精度高、響應(yīng)快的溫度控制。

1 熱壓爐系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

將金屬基復(fù)合材料熱壓爐系統(tǒng)中的固態(tài)繼電器、熱壓爐、溫度變送器整體作為被控對象。采用飛升曲線的測試方法，對系統(tǒng)加階躍信號作用，使用記錄儀記下熱壓爐的飛升曲線，如圖1所示。被控對象熱壓爐爐溫可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

[Gc（s）=KT1s+1e-τs=10.4s+1e-0.74s] （1）

[階躍響應(yīng)曲線][一階近似曲線][y（t）][y（∞）]

圖1 熱壓爐爐溫飛升曲線

1.2 大林算法控制器設(shè)計(jì)

大林算法是IBM公司的大林（Dahlin）在1968年提出的一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后被控對象的控制算法。大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個合適的數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[?]（s）相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，并期望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象Gc（s）的純滯后時間τ一致[2]。熱壓爐爐溫控制對加熱和冷卻的波動，即系統(tǒng)的超調(diào)量要求較高，而對調(diào)節(jié)時間要求不高。對于這樣的被控對象，可以選擇大林算法實(shí)現(xiàn)控制要求[3]。

按照大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)，將熱壓爐爐溫控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)等效為：

[?（s）=1Tτs+1e-τs] （2）

式（2）中，Tτ為熱壓爐閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)。

將式（2）經(jīng)過z變換，得到整個熱壓爐閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)：

[?（z）=zH0（s）?（s）=z1-e-Tss1Tτs+1e-τs=z-N-11-e-T/Tτ1-e-T/TτZ-1]（3）

熱壓爐廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為：

[GC（z）=zH0（s）GC（s）=z1-e-TssKT1s+1e-τs =Kz-N-11-e-T/T11-e-T/T1z-1] （4）

按照數(shù)字控制離散化的設(shè)計(jì)算法，熱壓爐控制系統(tǒng)大林算法數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)為：

[Dz=1G（z）?（z）1-?（z） =（1-e-T/Tτ）（1-e-T/T1z-1）K（1-e-T/T1）1-e-T/Tτz-1-（1-e-T/Tτ）z-N-1] （5）

2 熱壓爐系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)熱壓爐系統(tǒng)采樣周期T=0.35s，設(shè)定給定溫度為160℃。在Simulink下進(jìn)行仿真，分別采用PID控制算法和大林控制算法仿真，設(shè)定PID控制參數(shù)分別為KP=0.6、KI=0.9、KD=0.05，得到如圖2所示仿真曲線。由圖2可知，響應(yīng)開始后，大林控制算法響應(yīng)快于PID控制，當(dāng)達(dá)到1.2s后，PID控制響應(yīng)速度又快于大林控制算法，但PID控制有超調(diào)量，且動態(tài)調(diào)節(jié)時間較長。大林控制算法無超調(diào)，而且調(diào)節(jié)時間短，系統(tǒng)逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)熱壓爐放大系數(shù)K=1.1，慣性時間常數(shù)T1=0.42，純滯后時間τ=0.76s，引起系統(tǒng)模型完全不匹配，大林算法控制器和PID控制器的參數(shù)仍然保持不變，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)參數(shù)K失配以及模型完全失配時，PID控制超調(diào)量明顯增加超過12%，而且調(diào)節(jié)時間較長。大林算法控制調(diào)節(jié)時間短，雖然在放大系數(shù)K失配以及模型完全失配時，大林控制算法也出現(xiàn)超量，但超量較小，不影響熱壓爐控制系統(tǒng)的控制效果。從以上結(jié)果來看，大林算法控制效果明顯優(yōu)于PID控制。

[溫度（℃）][時間（s）][PID仿真曲線][大林算法仿真曲線][180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

][0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10]

圖2 熱壓爐溫度控制結(jié)果

[時間（s）][溫度（℃）][PID仿真曲線][大林算法仿真曲線][0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10][200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0]

圖3 模型完全失配控制結(jié)果

3 結(jié)論

本文分別采用PID和大林算法對金屬基復(fù)合材料加工熱壓爐控制對象進(jìn)行控制仿真研究。結(jié)果表明，大林控制算法溫度控制精度高，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁曉迪，崔寶同.參數(shù)不確定史密斯預(yù)估器的自適應(yīng)控制[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016（11）：3007-3011.

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