□ 王全剛 □ 程良倫 □ 李錦棠 □ 黃偉倫 □ 湯啟立

1.廣東工業(yè)大學 自動化學院 廣州 510006

2.江門市輝隆塑料機械有限公司 廣東江門 529080

溫度控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活等領域占有重要的地位，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活中較為常見和基本的工藝參數(shù)之一［1］。塑料是一種高分子合成材料，是現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎材料之一，它廣泛應用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、交通運輸?shù)冉?jīng)濟領域,和鋼鐵、木材、水泥并稱為材料領域的四大支柱［2］。

在塑料擠出行業(yè)，擠出機機筒的溫度控制效果關系到擠出塑料薄膜的質量和品質。傳統(tǒng)擠出機的溫度控制采用開關控制法，即通過硬件電路和軟件計算對當前溫度進行判斷，進而對機筒表面的加熱裝置進行開關控制，達到控制溫度的效果。但是由于擠出機加熱功率大、溫度超調量大、魯棒性差，采用這種溫度控制方式往往無法很好克服溫度變化的滯后性，控制精度低，控制效果不理想，不能滿足高精度控溫要求。

▲圖1 采取電磁加熱的擠出機機筒結構

▲圖2 模糊PID控制結構原理圖

針對溫度控制系統(tǒng)的時變性、非線性、時滯性，筆者提出一種模糊PID控制策略，通過模糊控制在線調整PID參數(shù)，改善系統(tǒng)動態(tài)性能，提高魯棒性。通過MATLAB仿真和現(xiàn)場上機試驗，驗證了該系統(tǒng)具有良好的控制效果。本文使用西門子S7-300型PLC，配合A/D及D/A轉換模塊，組成模糊PID的負反饋溫度控制系統(tǒng)，控制擠出機機筒的溫度。

1 加熱方式與系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的擠出機機筒常采取電阻加熱方式，該接觸式熱傳遞方法的電熱轉換效率較低，加熱圈外壁的熱量大部分被散失到空氣中，造成熱效率下降，環(huán)境溫度上升［3］，超過20%以上的電能通過電熱圈散失，30%以上的熱量在熱傳遞過程中散失，電能嚴重浪費，生產(chǎn)成本高。如圖1所示，本文設計的擠出機機筒采取高效節(jié)能電磁加熱方式，即通過三相半橋電磁感應加熱驅動器產(chǎn)生頻率為20 kHz左右的高頻交流電，從而產(chǎn)生變化的磁場，隨后，高頻交變的磁場產(chǎn)生渦流來使機筒自內向外快速發(fā)熱，而機筒表面的保溫棉可以將90%的能量保留在機筒上，熱量利用充分，基本無散失，節(jié)電效果顯著。由于生產(chǎn)工藝的要求，將機筒等距分為6個溫區(qū)，分別使用6個熱電偶采集各區(qū)溫度，分段加熱、分段控溫，提高控制精度。

2 模糊PID控制器設計

2.1 模糊PID系統(tǒng)結構

傳統(tǒng)PID（比例、積分和微分）控制原理簡單、方便、適應性強、可靠性高，可以廣泛應用于各種工業(yè)過程控制領域。本文將普通二維模糊控制器和常規(guī)PID控制器結合起來，確定PID的3個參數(shù)Kp、Ki、Kd與溫度偏差e和偏差變化率ec之間的模糊規(guī)則，在程序運行過程中,實時采樣和判斷偏差e和偏差變化率ec，并按照已建立的模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊控制表，從而在線動態(tài)調整PID參數(shù)，改善控制效果。模糊PID控制系統(tǒng)結構原理如圖2所示。圖中，r（t）為溫度設定值，y（t）為實際輸出溫度。模糊控制系統(tǒng)采用二輸入三輸出模糊控制器，輸入為溫度偏差e和偏差變化率 ec，輸出為 3 個 PID 系數(shù) Kp、Ki、Kd。

2.2 輸入變量和輸出變量的模糊化

使用E和EC代表溫度偏差e和偏差變化率ec進行模糊化后的模糊量，同理KP、KI、KD分別為PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的模糊量。 整個系統(tǒng)采取“二入三出”的模糊控制器。

輸入變量和輸出變量的語言值的模糊子集為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝，偏差e和偏差變化率ec的論域?。?6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6｝，輸出變量 Kp、Ki、Kd的論域取｛0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12｝，各輸入輸出變量的隸屬函數(shù)全部采取三角函數(shù)形式。圖3、圖4分別為輸入變量和輸出變量的三角形隸屬函數(shù)圖像。

2.3 輸出變量模糊規(guī)則的確立

根據(jù)電磁加熱器溫度控制過程中的經(jīng)驗，得出控制規(guī)則。選取控制量變化的原則是:當誤差大或較大時，選擇控制量以消除誤差為主；當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調［4］。 Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表如表 1、2、3 所示。

2.4 輸出變量的去模糊化

若輸出變量的去模糊化采取偏差e和偏差變化率ec在線計算的方法，則會消耗過多的CPU資源，所以選用“查表法”：將離線計算的輸出變量模糊控制表存放在PLC數(shù)據(jù)塊中，系統(tǒng)運行時，通過在線檢測偏差e和偏差變化率ec，查表求得PID參數(shù)，并將其輸出至PID中斷程序所對應的數(shù)據(jù)表中，經(jīng)過PID運算后輸出控制量，實現(xiàn)動態(tài)的調節(jié)溫度系統(tǒng)。圖5為模糊PID流程圖。

▲圖3 輸入變量的隸屬函數(shù)

▲圖4 輸出變量的隸屬函數(shù)

表1 Kp的模糊規(guī)則

表2 Ki的模糊規(guī)則

表3 Kd的模糊規(guī)則

▲圖5 模糊PID流程圖

由MATLAB中Fuzzy工具箱求得模糊控制表，在MATLAB中的Simulink平臺選擇模糊控制器模塊，同時設計假定的模糊輸入變量,并運行輸出至WorkSpace， 最后導出 3 個 13×13 的矩陣查詢表［5］。

▲圖6 常規(guī)PID與模糊PID響應特性曲線

▲圖7 擠出機溫度控制系統(tǒng)硬件結構

2.5 MATLAB系統(tǒng)仿真

采用階躍輸入作為激勵和最終輸出的目標值，通過PID常規(guī)控制器和模糊PID控制器對相同輸入的響應特性曲線進行二者之間的比較，結合在 MATLAB中建立的模型，可以得到如圖 6所示的響應特性曲線。相對于常規(guī)PID控制來說,模糊PID控制有著響應時間短、更快的反應速度，并且超調?。?］。

3 基于PLC的模糊PID控制的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

本文采用的系統(tǒng)硬件結構如圖7所示，整個擠出機溫度控制系統(tǒng)包括電磁加熱器、控制器S7-300、熱電偶、A/D轉換模塊以及D/A轉換模塊、人機界面TP277。

熱電偶通過采集機筒的溫度信號模擬量，并將其傳送給A/D轉換模塊，模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)進入CPU，進行模糊PID運算，輸出數(shù)字量再經(jīng)過D/A轉換模塊轉化為0～5 V的電壓值，因為電壓模擬量的大小與電磁加熱器的輸出功率線性對應，從而控制機筒的加熱功率；人機界面可以監(jiān)控溫度變化以及系統(tǒng)運行情況。

3.2 S7-300平臺模糊PID的實現(xiàn)

將通過離線計算得到的輸出變量Kp、Ki、Kd的模糊控制表裝載到S7-300的數(shù)據(jù)塊DB26中，以便通過“查表法”在線查找并確定PID參數(shù)，如圖8所示。

PLC上電運行后，主程序塊OB1開始采集并量化溫度信號，同時調用功能和功能塊。因為采取的是線性內部補償熱電偶，所以不需要調用FC105功能，只需在OB1中對A/D轉化后的數(shù)字量PIW256除以10即可得到擠出機實際溫度值，存放在DB1.DBD10中，如圖9所示。中斷組織塊OB中存放PID指令FB41，間隔時間100 ms。

▲圖8 DB26中PLC模糊控制表

▲圖9 溫度采集及轉化程序

▲圖1 0 采取兩種溫度控制策略實際溫度曲線

通過查尋模糊控制表得到的 PID參數(shù) Kp、Ki、Kd存儲到DB1數(shù)據(jù)塊中，與FB41PID指令對應的地址分別為 DB1.DBD20，DB1.DBD24，DB1.DBD28。 經(jīng)過 PID運算后，將輸出控制量DB1.DBW76轉移到PQW272，最后通過D/A轉換為0～5 V電壓模擬量，驅動并控制電磁加熱器功率輸出，達到負反饋調溫的效果。

4 實驗結果

為了直觀檢驗模糊PID溫度控制系統(tǒng)的性能，必須經(jīng)過實際試驗，觀察其溫度變化曲線，并與采用傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)進行對照。

對照實驗采取控制變量法，除溫度控制策略不同外，其它條件完全相同。控制對象為實際螺桿直徑90 mm的擠出機，采用三相半橋10 kW電磁加熱器，生產(chǎn)原料選擇PE，采取模糊PID及常規(guī)PID的溫度控制策略，將擠出機機筒溫度從常溫升至300℃，每3 min記錄一次溫度值，并將所記錄的數(shù)據(jù)繪制成圖像，如圖10所示，以便更直觀地判斷。

由圖10可以看出，采取常規(guī)PID控制策略的擠出機加熱系統(tǒng)，在機筒溫度達到設定值300℃時，由于系統(tǒng)PID各參數(shù)不能實時在線整定，其對熱慣性的控制效果較差，故溫度還會有一個5～10℃的超調，波動較大，且溫度曲線收斂時間長；而采用模糊PID控制的溫度控制系統(tǒng)，超調量只有1～2℃，機桶溫度快速達到并穩(wěn)定在設定溫度，溫度曲線過渡平滑，收斂時間大大縮短，控制效果優(yōu)良，在控制薄膜均勻度起到了重要作用。

5 結束語

模糊PID控制策略已經(jīng)越來越多地應用在現(xiàn)實生產(chǎn)當中，它兼顧系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，超調小，穩(wěn)定快，魯棒性好。本文將模糊PID控制理論與高速擠出機機筒電磁加熱控制高效結合，達到了節(jié)能降耗、溫度控制精度的良好效果，有助于提升產(chǎn)品品質，并降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。

［1］ 呂俊霞.基于模糊 PID的溫度控制系統(tǒng)設計與分析［J］.精密制造與自動化，2010（2）.

［2］ 王加龍.塑料擠出成型［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2009.

［3］ 毛桂興.淺談注塑機的各種電熱圈 ［J］.橡塑技術與裝備，2014（1）.

［4］ 陶權，謝彤.基于 PLC的過程控制實驗裝置溫度模糊 PID控制［J］.自動化技術與應用，2010（5）.

［5］ 王童謠，胡建易.模糊PID自整定算法在PLC中的實現(xiàn)［J］.遼寧科技大學學報，2010（4）.

［6］ 王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊 PID控制器的控制方法研究［J］.機械科學與技術，2011（3）.