基于PL6－C型纸样抄取器的温度控制研究

Research on the Temperature Control Based on PL6－C Handsheet Former

刘晓龙1邹　轩2(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1，上海　200093;上海理工大学中德学院2，上海　200093)



基于PL6－C型纸样抄取器的温度控制研究

Handsheet former

修改稿收到日期:2015－09－23。

第一作者刘晓龙(1990－)，男，现为上海理工大学电气工程专业在读硕士研究生;主要从事电力电子技术与控制方法的研究。

0　引言

PL6－C型纸样抄取器(快速凯塞法抄片器)是集抄片、真空干燥于一体的纸样形成设备。此设备应用于普通有机纤维、无机纤维、动物纤维、化学合成纤维、超细纤维、纳米纤维、超厚纸张、稠浆法纸张的成型、压榨、真空干燥等工艺过程。

在纸样抄取过程中，干燥环节直接关系到纸样的物理性能。若温度过高，伸长率降低，蠕变性变小，强度变弱;温度过低，相对湿度增加，伸长率有较大的提高，表现为应力变化缓慢，而应变伸长变化较大，所以温度控制是否精确对于纸样的质量至关重要。目前，造纸生产中温度控制普遍使用传统PID算法。该方法在实际应用中存在着收敛时间长、超调量大、参数固定、不具备自适应能力等缺点。针对传统PID控制的不足，本文研究了一种新型的温度控制算法。

1　硬件构成及数学模型

1.1温度控制系统硬件构成

温度控制系统主要由上位机和下位机两部分构成。上位机采用了西门子的WinCC组态软件，主要作用是绘制温度输出曲线和监控现场设备的工作状态。下位机采用了西门子的300系列产品，分为主站和从站两部分。主站是SIMATIC S7－300，主站电源采用的是PS 307 2A，中央处理器采用的是CPU 315－2 PN/DP。主站的主要作用是通过Profibus DP总线与从站进行数据交换并传送给上位机。从站是ET200S，主要由IM151－7接口模块和电子模块等构成。从站的主要作用是实现对工作现场设备的控制和数据采集。

PL6－C型纸样抄取器的温度控制系统硬件配置图如图1所示，温度控制系统的工作过程说明如下。

从站的数字量输出端口(Q1.3)输出的PWM脉冲控制固态继电器的常开开关，进而达到控制加热器的目的。温度传感器采用的是WZP－200型铂电阻，分度号为Pt100，测量范围－50～300℃。温度变送器(CHR－2480)将检测到的温度变量转换成4～20 mA的标准电信号并通过模拟量输入端口(IW340)传送给从站CPU进行处理。从站将检测到的温度值及加热器的工作状态实时传送给主站，主站再将接收到的数据实时传送给WinCC组态软件，实现对于加热器温度数据的采集和工作状态的远程监控。

根据生产要求:温度的超调量小于3%，上升时间小于20 min，调整时间小于30 min，稳态误差小于0.5。

图1　温度控制系统的硬件配置图Fig.1 Hardware configuration diagram of temperature control system

1.2被控对象数学模型

为了设备的安全，本文采用了矩形脉冲法测定对象的单位阶跃响应曲线，从而得到对象的数学模型。矩形脉冲法的原理是用两个幅度相等、方向相反且开始作用时间不同的阶跃信号进行叠加作为输入信号;然后通过式(1)逐段递推出阶跃响应曲线［1］。

式中: y(t)为矩形脉冲下的响应曲线; y1(t)为阶跃响应曲线。

根据飞升曲线，利用Cohn－Coon公式:

得到加热器的数学模型为:

式中: t0.632为阶跃响应曲线稳态值y(∞)的63.2%所对应的时间; t0.28为阶跃响应曲线稳态值y(∞)的28%所对应的时间。t0.632≈6 300 s，t0.28≈2 400 s。

2　传统PID控制实现

2.1程序设计

本文先实现传统PID的控制算法，程序设计流程图如图2所示。

图2　传统PID程序流程图Fig.2　The program flowchart of traditional PID

执行程序时首先计算偏差e(k)，然后分别计算比例项、积分项和微分项。若温度实际值达到设定值的80%，则积分项清零，防止出现积分过饱和现象;反之，则不清零。最后累加比例项、积分项和微分项计算出控制量，进而达到控制加热器的目的。

2.2 PID参数确定

根据Ziegler－Nichols经验公式得出:

在平衡系统的精确性、稳定性、快速性3方面性能基础上，经过现场调试，最终确定Kp、Ti、Td分别为2.5、240 s、70 s。基于以上参数，当设定值温度为100℃时，传统PID控制的温度输出曲线如图3所示。

从图3可知:上升时间tr为19.07 min，峰值tp时间为24.43 min，超调量σ%为4.04%，调整时间ts为30.25 min，稳态误差ess为0.3，允许误差范围为±2%。通过与生产工艺要求的温度控制技术指标进行比较可知，传统PID的超调量和调整时间超出了要求的技术指标。为了满足工艺要求，本文提出了模糊PID控制方案。

图3　传统PID输出曲线Fig.3　The output curve of traditional PID

3　模糊PID控制实现

3.1模糊PID控制系统结构

模糊PID控制是在PID控制算法的基础上，应用模糊理论，分析PID控制的作用效果，建立合适的模糊规则;再利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊控制查询表进行在线PID参数自调整，以满足不同的e 和de/dt对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的动、静态性能［2－3］，其控制结构如图4所示。

图4　模糊PID控制结构Fig.4　The control structure of fuzzy PID

3.2模糊控制器的设计

控制系统采用单变量二维的模糊控制系统，温度的偏差和偏差的变化率(e、ec)作为输入量，比例系数、积分时间和微分时间的变化量(ΔKp、ΔTi、ΔTd)作为模糊控制器的输出量。

模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊化3个部分。

3.2.1输入量模糊化

E、EC分别为e、ec模糊化后的量，KP、TI、TD分别为ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊量。

e、ec论域等级均为［－6－5－4－3－2－1 0 1 2 3 4 5 6］，模糊子集为E = EC =［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。ΔKp、ΔTi、ΔTd论域的等级均为［－3－2－1 0 1 2 3］，模糊子集为KP= TI= TD=［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］表示［负大，负中，负小，零，正小，正中，正大］，选用三角函数作为各变量的隶属度函数［4］。

3.2.2模糊推理

模糊推理程序在PLC中实现较为困难，主要体现在模糊规则的编写、模糊规则表的生成和模糊规则的调试与修改3个环节。为提高PLC的编程和调试效率，采用了离线计算查询表的方法［5］。

根据温度过程控制中的专家经验总结，可以得出模糊控制规则。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，选择控制量注意防止超调［6］。

3.2.3解模糊化

ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊控制查询表是通过Fuzzy工具箱—FIS Editor中的Rule Viewer得出;推理方法为min，合成方法为max，解模糊化方法为centroid。

3.3程序设计

待采样时间结束时，计算偏差e和偏差变化率ec并存储。若e和ec超出上下限，则进行范围限制。模糊PID控制程序流程图如图5所示。

图5　模糊PID控制程序流程图Fig.5　The program flowchart of fuzzy PID control

在基本论域转换到模糊论域后，查询模糊控制查询表并将输出的模糊论域转换到基本论域。然后将输出量与传统PID控制的参数进行叠加，进而实现在线自整定的PID控制［7－9］。

3.4参数确定

设实际温度范围为0～120℃，故偏差的基本论域为［0 120］。通过实验观测及调试，偏差变化率的基本论域为［－0.05 065 0.05 065］，ΔKp的基本论域为［－0.5 0.5］，ΔTi的基本论域为［－90 90］，ΔTd的基本论域为［－75 75］。

根据量化因子和比例因子公式:

可知:量化因子(Ke，Kec)分别为0.1，118.46;比例因子(Ku1，Ku2，Ku3)分别为0.166 7，30，25。其中|b－a|和|e－f |是对应变量的模糊论域范围，| d－c | 和|g－h|是对应变量的基本论域范围。

基于以上参数，当设定值温度为100℃时，模糊PID控制的温度输出曲线如图6所示。

图6　模糊PID控制输出曲线Fig.6　The output curve of fuzzy PID control

从图6可知:上升时间tr为17.25 min，峰值时间tp为21.50 min，超调量σ%为2.92%，调整时间ts为25.55 min，稳态误差ess为0.01，允许误差范围为±2%。通过与工艺要求的温度控制技术指标进行比较可知，模糊PID控制下的各个指标都满足纸样生产的技术指标，并取得了理想的控制效果。

4　结束语

本文针对传统PID和模糊PID控制算法在PL6－C型纸样抄取器温度控制中的对比研究，并基于PLC可编程控制器实现了这两种算法，得到实际运行的温度输出曲线。通过比较得出如下结论:模糊PID控制与传统PID控制相比，上升时间减少了1.82 min，峰值时间减少了2.93 min，超调量减少了1.12%，调整时间减少了4.7 min，稳态误差ess减小了0.29。模糊PID控制在温度控制系统的快速性、精确性、稳定性方面的指标都有所提高，因此最终可以确定模糊PID控制更适合应用到PL6－C型纸样抄取器的温度控制中，该研究具有一定的工程价值和生产意义。

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Research on the Temperature Control Based on PL6－C Handsheet Former

刘晓龙1邹轩2
(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1，上海200093;上海理工大学中德学院2，上海200093)

摘要:针对造纸工艺过程中采用传统PID温度控制存在的收敛时间长、超调量大、精度低等问题，提出了模糊PID控制方案。与传统PID控制在PL6－C型纸样抄取器中的应用上相比，模糊PID控制在上升时间、超调量、调整时间等性能指标方面都有显著改善，确定了适合PL6－C型纸样抄取器温度控制的模糊PID算法。实际运行结果验证了模糊PID控制的可行性和精确性。

关键词:模糊控制PID温度控制在线整定可编程控制器专家规则纸样抄取器

Abstract:To overcome the disadvantages of the traditional PID temperature control used in paper making process，e.g.，long convergence time，big overshoot，and low accuracy，etc.，the control strategy of fuzzy PID is proposed.The applications of fuzzy PID control and traditional PID control in PL6－C handsheet former are compared; it is found that the rise time，overshoot and adjusting time of fuzzy control are all better than those of traditional PID control.Thus the fuzzy PID algorithm for temperature control suitable for PL6－C handsheet former is determined.The practical operating results verify the feasibility and exactness of fuzzy PID control.

Keywords:Fuzzy controlPIDTemperature controlOn－line tuningProgrammable logic controller (PLC)Expert rule

中图分类号:TP273 +.4

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603024