自校正PID在加彈機(jī)溫控器中的應(yīng)用探討

李冠軍

摘 要： 在分析自校正PID控制方法的基礎(chǔ)上，本文對(duì)加彈機(jī)溫控器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)問題展開了分析。從溫控器性能驗(yàn)證結(jié)果來看，采用自校正PID控制算法的溫度控制偏差不超出±1%。

關(guān)鍵詞： 自校正PID；加彈機(jī)；溫控器

引言：在紡織機(jī)械中，加彈機(jī)用于進(jìn)行纖維材料處理，具有較高的精度控制要求。但是加彈機(jī)的溫度會(huì)受到材料吸熱能力、環(huán)境溫度等多種因素的影響，所以采用傳統(tǒng)控制算法難以滿足生產(chǎn)要求。而目前在工業(yè)過程控制中，自校正PID控制方法得到了較好的應(yīng)用。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)自校正PID在加彈機(jī)溫控器中的應(yīng)用分析，以便更好的滿足加彈機(jī)溫控需求。

1自校正PID控制分析

自校正PID控制為自適應(yīng)控制方式的一種，可用于解決非線性、時(shí)變過程。該種控制方法對(duì)自適應(yīng)和PID控制的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了集成，可以劃分為模擬控制和數(shù)字控制兩種。相較于模擬控制，數(shù)字控制可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，不僅性能可靠，同時(shí)靈活性較高，成本較低，可以達(dá)到較高的溫度控制精度，并體現(xiàn)智能化特點(diǎn)。采用自校正PID控制方式，需要對(duì)少量參數(shù)進(jìn)行整定，結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。完成適當(dāng)極點(diǎn)配置，則能以最小方差實(shí)現(xiàn)控制，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到改善。由于計(jì)算量較小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制。從原理上來看，自校正控制器由兩個(gè)控制回路構(gòu)成，外環(huán)由數(shù)控制器和控制器設(shè)計(jì)計(jì)算兩部分構(gòu)成，內(nèi)環(huán)由常規(guī)控制器和被控對(duì)象構(gòu)成。采用遞推算法，可以完成參數(shù)估計(jì)。為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，還要采用極點(diǎn)配置法，結(jié)合被控對(duì)象特征完成自校正最小相位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有閉環(huán)特性。而將參數(shù)估計(jì)遞推算法與各種控制算法結(jié)合在一起，則能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)校正。

2自校正PID在加彈機(jī)溫控器中的應(yīng)用

2.1加彈機(jī)溫控需求

加彈機(jī)為拉伸滌綸長(zhǎng)絲的變形機(jī)，可以在纖維處理上得到應(yīng)用，以獲得高彈力纖維。在加彈機(jī)工作的過程中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱溫度的精確控制，才能滿足設(shè)備應(yīng)用要求。分析恒溫箱的結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理可以發(fā)現(xiàn)，其利用電熱絲通電實(shí)現(xiàn)加熱管加熱，促使整個(gè)恒溫箱空氣溫度上升[1]。與此同時(shí)，保溫層溫度也將提升，伴隨著保溫層散熱加大，散熱功率將逐步提升，直至與加熱功率相等。由于恒溫箱溫度控制為單輸入、單輸出，所以可以建立相應(yīng)的差分模型，如式（1）所示。式中，y（k）為系統(tǒng)溫度輸出，u（k）為系統(tǒng)輸入熱功率，d指的是系統(tǒng)滯后采用周期，a、b、k等為系數(shù)，t為時(shí)間。

y（k）+a1y（k-1）+a2y（k-2）=b0u（k-d）+b1u（k-d-1）+e（t） （1）

完成被控對(duì)象控制模型建立后，需要完成相關(guān)系數(shù)的辨識(shí)，利用最小二乘法對(duì)模型參數(shù)估計(jì)值進(jìn)行獲取，即結(jié)合實(shí)際觀測(cè)值與計(jì)算值累計(jì)誤差平法和最小值確定模型輸出結(jié)果。采取該種系數(shù)辨識(shí)方法，能夠使計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)荷得到減輕。結(jié)合控制對(duì)象特征，則能通過遞推辨識(shí)得到系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)控制函數(shù)。

2.2溫控器的設(shè)計(jì)

在實(shí)際進(jìn)行溫控器設(shè)計(jì)時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到PID控制為二階控制，階數(shù)相當(dāng)于溫控對(duì)象階數(shù)，可以使系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)條件得到滿足。采用極點(diǎn)配置的自校正算法，需要利用以常規(guī)控制策略為基礎(chǔ)的自校正器實(shí)現(xiàn)控制。首先，需對(duì)期望系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)位置進(jìn)行確認(rèn)，然后完成系統(tǒng)參數(shù)的在線估計(jì)和識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，需要依次完成控制器參數(shù)和控制率的計(jì)算。數(shù)字PID控制器的傳遞函數(shù)Z如式（2）所示，式中g(shù)1=-[Kp+2KpTD/T]，g2=KpTD/T，g0=Kp+KpT/T1+KpTD/T。

G（z）=（g0+g1z-1+g2z-2）/（1-z-1） （2）

在根平面左半面，存在函數(shù)零點(diǎn)，所以可知系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)，能夠使g2′=a2，g1′=a1，f1′=b1/b0，得到式（3）。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，則能使控制器的控制參數(shù)隨控制對(duì)象參數(shù)變化發(fā)生改變。

u（k）=u（k-1）+g0e（k）+g0a1^e（k-1）+g0a2^e（k-2）+b1^[u（k-2）+u（k-1）]/b0（3）

2.3溫控器的實(shí)現(xiàn)

在加彈機(jī)的溫控器設(shè)計(jì)上，需要完成較多控制點(diǎn)的設(shè)置。所以在溫控器實(shí)現(xiàn)過程中，需要完成多路數(shù)字輸出和多路選擇的實(shí)現(xiàn)。在電路通道選擇上，應(yīng)采用多個(gè)模擬開關(guān)芯片，以構(gòu)成120路通道。數(shù)字輸出功能的實(shí)現(xiàn)，可利用5片8255擴(kuò)展得到120路輸出。在溫度計(jì)算、通道切換、按鍵中斷處理等方面，可以采用MPU實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。從系統(tǒng)硬件組成上來看，包含中央控制處理模塊、輸入模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等。從控制器工作流程上來看，系統(tǒng)一開機(jī)，會(huì)先對(duì)計(jì)數(shù)位和標(biāo)志位進(jìn)行清零，確認(rèn)有上電標(biāo)志后，建立標(biāo)志，完成系統(tǒng)初始化[2]。初始化完成后，確定是否產(chǎn)生定時(shí)器中斷或A/D中斷，如果有中斷產(chǎn)生，執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作。無(wú)中斷，需要確定標(biāo)記為是否有效，有效需進(jìn)行溫度計(jì)算或PID數(shù)據(jù)處理，在計(jì)數(shù)值加1后重新返回到是否存在中斷的判定程序中。

2.4溫控器性能驗(yàn)證

為確定控制器的性能，需要利用實(shí)驗(yàn)室電加熱裝置對(duì)自校正PID算法和普通PID算法的控制效果進(jìn)行比較，采用盛有水的電熱杯進(jìn)行溫度控制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在85℃的恒溫控制過程中，采用普通控制算法溫度在83-87℃范圍內(nèi)浮動(dòng)，采用自校正PID控制算法溫度在84-86℃內(nèi)浮動(dòng)，因此溫度控制偏差不超出±1%，能夠獲得更高的溫度控制精度。

結(jié)論：通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在加彈機(jī)溫控器設(shè)計(jì)中，采用自校正PID控制方法，能夠利用溫控系統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)變化控制能力對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制，使溫度控制偏差不超出±1%，所以能夠更好的滿足恒溫箱的溫度控制要求。因此相信在加彈機(jī)溫度控制方面，該種溫控器可以獲得較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]馬其明，樊亞娟.基于車間聯(lián)網(wǎng)的化纖加彈機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2015（06）：62-64.

[2]張葉興，湯祝忠，郭茂明等.加彈機(jī)高溫短熱箱的清潔方式對(duì)DTY生產(chǎn)的影響[J].聚酯工業(yè)，2014，27（05）：32-34.