基于模糊自适应PID控制的双螺杆挤压机温度控制研究

刘训非

（苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104）

近年来，双螺杆挤压机已经被广泛地应用于食品加工行业，可以应用于各类谷物的加工。双螺杆挤压机的应用越来越广，目前已经应用于水产饲料、宠物饲料、幼畜哺乳期饲料和经济动物饲料的加工中。双螺杆挤压机提高了饲料的输送、泵出以及混合性能。由于双螺杆挤压机的啮合具有螺旋结构，因此，其具有一种正压泵的功能。双螺杆挤压机能够用来输送低黏性的饲料，并且具备自清理的能效。对于同向的双螺杆挤压机，物料能够沿着一个“∞”型的通道流动，两螺旋的关键部位是啮合区，螺棱不仅能够实现正向输送，而且能够改变物料的方向，从而能够提高混合和热交换效率。对于双螺杆挤压机，在工作过程中必须进行有效控制的变量有各区的温度以及模口的压力，饲料的温度控制和饲料的结构（例如，淀粉的糊精化、脂肪的挥发性等）是密切相关的，模口的压力和饲料加工效率、饲料加工的质量以及整机的工作性能都是密切相关的。对双螺杆挤压机的温度和模口的压力进行有效的控制，能够提高饲料加工的操作稳定性，从而能够防止故障的发生。如果利用传统的PID控制技术对双螺杆挤压机的工作过程进行控制，存在控制精度低、抗干扰能力差、超调量大的缺陷。为了能够弥补这一缺陷，可以采取模糊控制，虽然能够提高PID控制器的控制效果，但是仍然存在控制相应速度慢的缺陷。为了能够有效地解决以上问题，可以将PID控制器和模糊控制器结合起来形成模糊自适应PID控制器,利用模糊规则在线调节PID控制器的基本参数,然后利用PID控制对双螺杆挤压机进行智能控制。

1 双螺杆挤压机模口压力控制的基本原理

控制的对象是直流电机，被控的参数是支流电机电压。双螺杆挤压机的模口压力和直流电机的转速是密切相关的，通过调节直流电机电压的大小能够调节直流电机的转速，进而能够达到调节双螺挤压机模口压力的目的。模口压力可以通过压力传感器来测试，传感器输出的电信号通过变送器、信号隔离、信号调理电路最终输入至A/D转换器。通过模糊自适应PID控制器根据给定的电压和实际的电压变化情况对直流电机的转速进行控制，从而能够有效地控制模口压力。双螺杆挤压机具有控制变量多的特点，而且不同控制变量之间存在着非线性的联系，在噪声的干扰下将增加控制的难度。传统的PID控制无法满足双螺杆挤压机的控制要求，因此利用模糊自适应PID控制系统对其进行控制。

2 双螺杆挤压机模糊自适应PID控制系统的设计

2.1 模糊自适应PID控制的基本原理

传统的PID控制技术具有结构简单、容易实现以及工作稳定的特点，然而，其参数整定的前提是能够获得双螺杆挤压机精确的数学模型，如果控制系统的参数产生改变，就不能达到双螺杆挤压机的额定工作性能，所以无法较好地处理双螺杆挤压机动态和静态间的冲突。

模糊控制的理论依据有模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理，基于人的知识和经验的智能控制技术。模糊控制以双螺杆挤压机的作业参数为前提，不考虑双螺杆挤压机的精确数学模型，因此该控制技术可以适用于不能进行精确模型建立的玉米联合收割机和在信息比较匮乏时所对应的病态，可以实现对复杂的非线性、时变系统的有效控制。然而，模糊控制不能除去静态误差。把模糊控制和PID控制紧密地结合起来，选择模糊规则对PID控制器的参数进行实时的调节，能够有效地发挥模糊控制以及PID控制的优势，进而可以使系统的动态和静态能够提高，从而能够使双螺杆挤压机的控制可靠性得到提高。

模糊自适应PID控制把模糊规则和对应的操作事先存储于计算机知识库内，计算机可以根据玉米联合收割机实际的响应状态，按照预先存储的知识库采取模糊推理操作，并且对PID控制器的参数进行实时地调节，进而能够有利于模糊控制和PID控制的紧密结合。

模糊控制器的输入为误差e和误差的变化率ec，通过模糊控制技术实现PID参数的在线调整，从而获得PID控制中3个参数值的变化量比例因子Kp、积分因子Ki、微分因子Kd，进而使控制系统输出预设值。

双螺杆挤压机的模糊自适应PID控制原理如图1所示。按照实际测试的结果，可以对PID控制器的参数进行调整，将传统PID算法和模糊控制的优势结合起来，从而能够实现对双螺杆挤压机的平稳控制。

模糊自适应PID控制器的设计步骤包括：确定模糊控制器的结构、输入输出模糊化、建立模糊控制规则、近似推理算法、去模糊化。

图1 双螺杆挤压机的模糊自适应PID控制原理

2.2 模糊规则的确定

为了能够把模糊PID双螺杆挤压机控制系统中偏差e所对应的语言变量转化为模糊集合，把语言变量E定义为7个层次，进而获得对应的7个模糊子集，可以充分地体现偏差e的水平，划分结果如下：

式中，NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL 分别表示“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。误差e是0和1之间的数。和误差的模糊集合相应的论域可以表示为如下的形式：

对应的隶属度函数如图2所示。

图2 偏差的隶属度函数

把偏差的变化率ec相应的变量分为7个层次，形成7个模糊子集，进而能够充分地体现偏差变化率的大小，层次划分如下所示：

式中各符号的意义同上，ec的取值范围为[0,1]。偏差的变化率的模糊集合相应的论域如下所示：

和偏差变化率相应的隶属度函数示意图如图3所示。

把双螺杆挤压机的模口压力P分为7个层次，形成了7个模糊子集，从而能够充分地体现控制变量的大小，层次划分如下所示：

式中，各符号的意义同上。

图3 偏差变化率的隶属度函数

模口压力的隶属度函数示意图如图4所示。

图4 控制变量的隶属度函数

根据模糊自适应PID控制器不同参数调整的实际需求，同时考虑双螺杆挤压机控制系统的实际特点，设计出不同控制变量的控制规则，见表1。

表1 各变量的控制规则

当变量为ZO时，利用的PID算法如下所示：

3 双螺杆挤压机成捆密度控制试验研究

为了验证模糊自适应PID控制技术的有效性，利用该控制系统对某机械公司制造的双螺杆挤压机的样机进行了测试试验，同时利用传统的PID控制技术对样机进行控制测试，从双螺杆挤压机的饲料加工的效率和模口压力控制的精度进行了比较研究。试验结果如图5所示。

图5 双螺杆挤压机模口压力的控制仿真曲线

从图5中可以看出，改进的滑模控制对发电机输出电压进行控制的结果相对于传统的滑模控制结果，具有超调量小、响应速度快的优点，因此，能够有效地对小型风力发电机进行控制。此外，利用模糊自适应PID控制系统对双螺杆挤压机进行控制和传统的PID控制系统比较，双螺杆挤压机的工作效率提高了25%，从而提高了饲料加工的效率和质量。

4 结论

模糊自适应PID控制系统结构简单，抗干扰能力强、具有较高的控制精度和控制稳定性，可以有效地克服传统的PID控制系统的缺陷，在双螺杆挤压机的智能控制中具有较广阔的应用前景。通过样机的控制测试，表明利用该模糊自适应PID控制技术可以提高双螺杆挤压机模口压力控制的准确性，能够极大地提高双螺杆挤压机的工作效率和质量。

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