基于模糊自適應(yīng)PID的定型機(jī)溫度智能控制

苗榮霞,王 磊,楊 婧,劉鑫森

(西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710000)

織物在加工過程為了達(dá)到工藝要求,會(huì)承受各種形式的外力,進(jìn)而導(dǎo)致織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。為了使織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)穩(wěn)定,并使其質(zhì)量獲得改善和提高,需要對(duì)織物進(jìn)行定型整理,定型機(jī)是對(duì)織物進(jìn)行整理的設(shè)備。在定型過程中,需要在一定溫度下對(duì)織物進(jìn)行拉伸和拉幅,溫度的精準(zhǔn)控制是保證織物質(zhì)量的關(guān)鍵因素,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)多采用PID控制器調(diào)節(jié),但傳統(tǒng)PID在系統(tǒng)運(yùn)行開始后參數(shù)固定,無(wú)法應(yīng)對(duì)溫度大范圍變化這類被控對(duì)象。研究基于模糊自適應(yīng)PID控制算法在定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性,使其實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)箱內(nèi)溫度的精準(zhǔn)控制,滿足織物定型的工藝要求。

1 定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)是熱定型過程中一個(gè)非常重要的組成部分,溫度是否適宜直接決定定型織物的質(zhì)量。熱風(fēng)箱通過對(duì)聚酯網(wǎng)的熱處理來(lái)消除分子間內(nèi)應(yīng)力不均勻?qū)е碌目椢镄巫?使纖維分子內(nèi)部達(dá)到平衡狀態(tài)。

定型機(jī)溫度控制單元的作業(yè)過程包含兩部分:一是必須快速無(wú)超調(diào)升溫,包括起始升溫和二次升溫;二是在需要恒定溫度時(shí)能夠保持溫度不發(fā)生變化。

圖1為定型機(jī)的溫度控制系統(tǒng)框圖,操作人員通過上位機(jī)設(shè)置給定溫度,現(xiàn)場(chǎng)熱風(fēng)箱內(nèi)溫度傳感器采集環(huán)境溫度,將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)上傳給PLC,PLC使用環(huán)境溫度與給定溫度進(jìn)行PID運(yùn)算,再由數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)控制電力調(diào)整器,由電力調(diào)整器控制輸出電壓,調(diào)節(jié)電加熱管的輸出,保證環(huán)境溫度與給定溫度一致。

圖1 溫度控制示意圖

2 溫度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

溫度控制系統(tǒng)中采用空氣對(duì)流式加熱系統(tǒng)對(duì)織物表面進(jìn)行加熱,在熱風(fēng)箱中使用多個(gè)電加熱管對(duì)熱風(fēng)箱內(nèi)空氣進(jìn)行加熱。被控對(duì)象的被控參數(shù)為熱風(fēng)箱內(nèi)溫度T,控制量為電熱絲兩端電壓u,設(shè)加熱絲質(zhì)量為M,比熱為C,熱傳系數(shù)為H,熱傳面積為A,未加溫前熱風(fēng)箱內(nèi)溫度為T0,加熱后溫度為T。

根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)有:

式中,Qi為單位時(shí)間內(nèi)電熱絲產(chǎn)生的熱量。

考慮到Qi與外加電壓u的平方成比例,故Qi與u是非線性關(guān)系。對(duì)平衡點(diǎn)(Q0,u0)周圍進(jìn)行線性化處理,得:

于是可得微分增量方程:

考慮到控制系統(tǒng)存在遲滯性和魯棒性,所以在公式(4)的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)滯后環(huán)節(jié),最終得到熱風(fēng)箱內(nèi)溫度變化量與給定電加熱管的電壓變化量之間的傳遞函數(shù)為:

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可算出K=1,T=3,τ=3。

3 模糊自適應(yīng)PID控制

3.1 算法分析

定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)屬于典型的負(fù)反饋系統(tǒng),該系統(tǒng)由PLC、電加熱管、溫度傳感器、三相電力調(diào)整器等設(shè)備構(gòu)成。由于溫控系統(tǒng)屬于非線性控制系統(tǒng),各參數(shù)不斷變化,為了達(dá)到控制要求,必須對(duì)參數(shù)進(jìn)行不斷設(shè)置,傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)往往沒有準(zhǔn)確的模型,導(dǎo)致參數(shù)難以確定。利用模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱風(fēng)箱內(nèi)溫度的精準(zhǔn)控制。

基于PLC的模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì),由操作員通過上位機(jī)輸入溫度給定值,記為rin,熱風(fēng)箱內(nèi)溫度采集平均值為系統(tǒng)輸出,通過測(cè)量裝置反饋給系統(tǒng),也是系統(tǒng)反饋值,記為yout,PLC經(jīng)過PID算法整定后輸出模擬量信號(hào)電壓值通過三相電力調(diào)整器控制電加熱管,Kp、Ki、Kd分別為PID控制器的控制系數(shù)。模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

定型機(jī)溫度模糊自適應(yīng)PID控制器是一個(gè)二維控制器,輸入變量為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度與操作員的設(shè)定溫度之差e和誤差的變化率ec,根據(jù)實(shí)際控制需求,對(duì)于誤差e和誤差變化率ec的模糊集定義為:

以工程項(xiàng)目中實(shí)際的誤差變化范圍以及誤差變化率大小確定e和ec的基本論域?yàn)?

隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)曲線

參數(shù)的整定規(guī)則是模糊控制的核心部分。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及專家經(jīng)驗(yàn)可以得到以下整定規(guī)則,表1為模糊控制規(guī)則表。

表1 模糊控制規(guī)則

表1中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。采用最大隸屬度法對(duì)輸入信息進(jìn)行模糊化處理,隸屬度圖形選取三角隸屬函數(shù),使用加權(quán)平均法將模糊量轉(zhuǎn)化為論域中表示的清晰量,最終轉(zhuǎn)化為所需實(shí)際控量。

在實(shí)際運(yùn)行過程中,控制系統(tǒng)通過查詢模糊控制規(guī)則表并進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算,進(jìn)而對(duì)PID參數(shù)完成校正,模糊PID控制器參數(shù)調(diào)整方式為:

將運(yùn)算調(diào)整后的PID參數(shù)寫入PLC系統(tǒng)的PID算法控制模塊中,最終PLC用于控制三相電力調(diào)整器的模擬量電壓輸出信號(hào)值為:

模糊PID控制流程如圖4所示。

圖4 模糊PID控制流程

在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)中,溫度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度,PLC接收溫度傳感器反饋的模擬量信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算,PID參數(shù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整在線修正,因此在PLC和上位機(jī)之間需要建立數(shù)據(jù)通道,作為PLC和上位機(jī)數(shù)據(jù)交換的服務(wù)器。本文用到基于OPC服務(wù)器,將底層PLC計(jì)算得到的誤差e和誤差變化率ec讀取到上位機(jī)的MATLAB軟件中,作為模糊控制器的輸入,經(jīng)過模糊推理和決策,得到PID控制器的3個(gè)參數(shù)調(diào)整值ΔKp、ΔKi、ΔKd,PLC接收來(lái)自上位機(jī)的PID參數(shù),再結(jié)合初始參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得出實(shí)際控制參數(shù)。

4 仿真及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)控制算法能否有效控制熱風(fēng)箱內(nèi)溫度變化,對(duì)系統(tǒng)控制算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。根據(jù)定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,該仿真模型在輸入端輸入階躍信號(hào),在不考慮其他信號(hào)干擾的情況下,利用傳統(tǒng)PID控制器和模糊自適應(yīng)控制器,分別對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理,觀察輸出端信號(hào)變化情況,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模型搭建

當(dāng)設(shè)定溫度值為100℃時(shí),模糊PID的溫度輸出曲線如圖6所示,虛線是傳統(tǒng)PID控制曲線,實(shí)線為模糊PID控制效果曲線,從圖6中可以看出傳統(tǒng)PID具有較大的超調(diào)量,并且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),與傳統(tǒng)PID控制器相比,模糊自適應(yīng)PID控制響應(yīng)速度快且?guī)缀鯚o(wú)超調(diào),達(dá)到穩(wěn)定之后穩(wěn)態(tài)誤差維持在±3%的范圍內(nèi),滿足控制系統(tǒng)的要求,進(jìn)一步證實(shí)將模糊PID應(yīng)用于熱定型中溫度控制的可行性與有效性。

圖6 模糊自適應(yīng)PID與PID控制響應(yīng)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

研究基于PLC的定型機(jī)溫度控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)主要使用PLC做主控制器,對(duì)定型機(jī)的溫度控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制,將模糊自適應(yīng)PID控制算法應(yīng)用于定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)中,通過在Matlab/simulink中搭建傳統(tǒng)PID和模糊自適應(yīng)PID模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,證明模糊自適應(yīng)算法使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)節(jié)性能,能有效提高定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)的控制精度和控制效果,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。