基于模糊PID算法的挤出机机筒温度控制系统设计

2015-06-12王全刚程良伦李锦棠黄伟伦汤启立

机械制造 2015年2期

□ 王全刚 □ 程良伦 □ 李锦棠 □ 黄伟伦 □ 汤启立

1.广东工业大学自动化学院广州 510006

2.江门市辉隆塑料机械有限公司广东江门 529080

温度控制在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位，是工农业生产及生活中较为常见和基本的工艺参数之一［1］。塑料是一种高分子合成材料，是现代社会经济发展的基础材料之一，它广泛应用在农业、工业、能源、交通运输等经济领域,和钢铁、木材、水泥并称为材料领域的四大支柱［2］。

在塑料挤出行业，挤出机机筒的温度控制效果关系到挤出塑料薄膜的质量和品质。传统挤出机的温度控制采用开关控制法，即通过硬件电路和软件计算对当前温度进行判断，进而对机筒表面的加热装置进行开关控制，达到控制温度的效果。但是由于挤出机加热功率大、温度超调量大、鲁棒性差，采用这种温度控制方式往往无法很好克服温度变化的滞后性，控制精度低，控制效果不理想，不能满足高精度控温要求。

▲图1 采取电磁加热的挤出机机筒结构

▲图2 模糊PID控制结构原理图

针对温度控制系统的时变性、非线性、时滞性，笔者提出一种模糊PID控制策略，通过模糊控制在线调整PID参数，改善系统动态性能，提高鲁棒性。通过MATLAB仿真和现场上机试验，验证了该系统具有良好的控制效果。本文使用西门子S7-300型PLC，配合A/D及D/A转换模块，组成模糊PID的负反馈温度控制系统，控制挤出机机筒的温度。

1 加热方式与系统组成

传统的挤出机机筒常采取电阻加热方式，该接触式热传递方法的电热转换效率较低，加热圈外壁的热量大部分被散失到空气中，造成热效率下降，环境温度上升［3］，超过20%以上的电能通过电热圈散失，30%以上的热量在热传递过程中散失，电能严重浪费，生产成本高。如图1所示，本文设计的挤出机机筒采取高效节能电磁加热方式，即通过三相半桥电磁感应加热驱动器产生频率为20 kHz左右的高频交流电，从而产生变化的磁场，随后，高频交变的磁场产生涡流来使机筒自内向外快速发热，而机筒表面的保温棉可以将90%的能量保留在机筒上，热量利用充分，基本无散失，节电效果显著。由于生产工艺的要求，将机筒等距分为6个温区，分别使用6个热电偶采集各区温度，分段加热、分段控温，提高控制精度。

2 模糊PID控制器设计

2.1 模糊PID系统结构

传统PID（比例、积分和微分）控制原理简单、方便、适应性强、可靠性高，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。本文将普通二维模糊控制器和常规PID控制器结合起来，确定PID的3个参数Kp、Ki、Kd与温度偏差e和偏差变化率ec之间的模糊规则，在程序运行过程中,实时采样和判断偏差e和偏差变化率ec，并按照已建立的模糊规则进行模糊推理，查询模糊控制表，从而在线动态调整PID参数，改善控制效果。模糊PID控制系统结构原理如图2所示。图中，r（t）为温度设定值，y（t）为实际输出温度。模糊控制系统采用二输入三输出模糊控制器，输入为温度偏差e和偏差变化率 ec，输出为 3 个 PID 系数 Kp、Ki、Kd。

2.2 输入变量和输出变量的模糊化

使用E和EC代表温度偏差e和偏差变化率ec进行模糊化后的模糊量，同理KP、KI、KD分别为PID参数Kp、Ki、Kd的模糊量。整个系统采取“二入三出”的模糊控制器。

输入变量和输出变量的语言值的模糊子集为｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝，偏差e和偏差变化率ec的论域取｛-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6｝，输出变量 Kp、Ki、Kd的论域取｛0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12｝，各输入输出变量的隶属函数全部采取三角函数形式。图3、图4分别为输入变量和输出变量的三角形隶属函数图像。

2.3 输出变量模糊规则的确立

根据电磁加热器温度控制过程中的经验，得出控制规则。选取控制量变化的原则是:当误差大或较大时，选择控制量以消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要注意防止超调［4］。 Kp、Ki、Kd的模糊规则表如表 1、2、3 所示。

2.4 输出变量的去模糊化

若输出变量的去模糊化采取偏差e和偏差变化率ec在线计算的方法，则会消耗过多的CPU资源，所以选用“查表法”：将离线计算的输出变量模糊控制表存放在PLC数据块中，系统运行时，通过在线检测偏差e和偏差变化率ec，查表求得PID参数，并将其输出至PID中断程序所对应的数据表中，经过PID运算后输出控制量，实现动态的调节温度系统。图5为模糊PID流程图。

▲图3 输入变量的隶属函数

▲图4 输出变量的隶属函数

表1 Kp的模糊规则

表2 Ki的模糊规则

表3 Kd的模糊规则

▲图5 模糊PID流程图

由MATLAB中Fuzzy工具箱求得模糊控制表，在MATLAB中的Simulink平台选择模糊控制器模块，同时设计假定的模糊输入变量,并运行输出至WorkSpace，最后导出 3 个 13×13 的矩阵查询表［5］。

▲图6 常规PID与模糊PID响应特性曲线

▲图7 挤出机温度控制系统硬件结构

2.5 MATLAB系统仿真

采用阶跃输入作为激励和最终输出的目标值，通过PID常规控制器和模糊PID控制器对相同输入的响应特性曲线进行二者之间的比较，结合在 MATLAB中建立的模型，可以得到如图 6所示的响应特性曲线。相对于常规PID控制来说,模糊PID控制有着响应时间短、更快的反应速度，并且超调小［6］。

3 基于PLC的模糊PID控制的实现

3.1 系统硬件组成及工作原理

本文采用的系统硬件结构如图7所示，整个挤出机温度控制系统包括电磁加热器、控制器S7-300、热电偶、A/D转换模块以及D/A转换模块、人机界面TP277。

热电偶通过采集机筒的温度信号模拟量，并将其传送给A/D转换模块，模数转换后的数据进入CPU，进行模糊PID运算，输出数字量再经过D/A转换模块转化为0～5 V的电压值，因为电压模拟量的大小与电磁加热器的输出功率线性对应，从而控制机筒的加热功率；人机界面可以监控温度变化以及系统运行情况。

3.2 S7-300平台模糊PID的实现

将通过离线计算得到的输出变量Kp、Ki、Kd的模糊控制表装载到S7-300的数据块DB26中，以便通过“查表法”在线查找并确定PID参数，如图8所示。

PLC上电运行后，主程序块OB1开始采集并量化温度信号，同时调用功能和功能块。因为采取的是线性内部补偿热电偶，所以不需要调用FC105功能，只需在OB1中对A/D转化后的数字量PIW256除以10即可得到挤出机实际温度值，存放在DB1.DBD10中，如图9所示。中断组织块OB中存放PID指令FB41，间隔时间100 ms。

▲图8 DB26中PLC模糊控制表

▲图9 温度采集及转化程序

▲图1 0 采取两种温度控制策略实际温度曲线

通过查寻模糊控制表得到的 PID参数 Kp、Ki、Kd存储到DB1数据块中，与FB41PID指令对应的地址分别为 DB1.DBD20，DB1.DBD24，DB1.DBD28。经过 PID运算后，将输出控制量DB1.DBW76转移到PQW272，最后通过D/A转换为0～5 V电压模拟量，驱动并控制电磁加热器功率输出，达到负反馈调温的效果。

4 实验结果

为了直观检验模糊PID温度控制系统的性能，必须经过实际试验，观察其温度变化曲线，并与采用传统PID温度控制系统进行对照。

对照实验采取控制变量法，除温度控制策略不同外，其它条件完全相同。控制对象为实际螺杆直径90 mm的挤出机，采用三相半桥10 kW电磁加热器，生产原料选择PE，采取模糊PID及常规PID的温度控制策略，将挤出机机筒温度从常温升至300℃，每3 min记录一次温度值，并将所记录的数据绘制成图像，如图10所示，以便更直观地判断。

由图10可以看出，采取常规PID控制策略的挤出机加热系统，在机筒温度达到设定值300℃时，由于系统PID各参数不能实时在线整定，其对热惯性的控制效果较差，故温度还会有一个5～10℃的超调，波动较大，且温度曲线收敛时间长；而采用模糊PID控制的温度控制系统，超调量只有1～2℃，机桶温度快速达到并稳定在设定温度，温度曲线过渡平滑，收敛时间大大缩短，控制效果优良，在控制薄膜均匀度起到了重要作用。