李冠軍

摘 要： 在分析自校正PID控制方法的基礎(chǔ)上，本文對加彈機溫控器的設(shè)計和實現(xiàn)問題展開了分析。從溫控器性能驗證結(jié)果來看，采用自校正PID控制算法的溫度控制偏差不超出±1%。

關(guān)鍵詞： 自校正PID；加彈機；溫控器

引言：在紡織機械中，加彈機用于進行纖維材料處理，具有較高的精度控制要求。但是加彈機的溫度會受到材料吸熱能力、環(huán)境溫度等多種因素的影響，所以采用傳統(tǒng)控制算法難以滿足生產(chǎn)要求。而目前在工業(yè)過程控制中，自校正PID控制方法得到了較好的應(yīng)用。因此，還應(yīng)加強對自校正PID在加彈機溫控器中的應(yīng)用分析，以便更好的滿足加彈機溫控需求。

1自校正PID控制分析

自校正PID控制為自適應(yīng)控制方式的一種，可用于解決非線性、時變過程。該種控制方法對自適應(yīng)和PID控制的優(yōu)點進行了集成，可以劃分為模擬控制和數(shù)字控制兩種。相較于模擬控制，數(shù)字控制可以利用計算機實現(xiàn)，不僅性能可靠，同時靈活性較高，成本較低，可以達到較高的溫度控制精度，并體現(xiàn)智能化特點。采用自校正PID控制方式，需要對少量參數(shù)進行整定，結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)變化對控制器參數(shù)進行在線調(diào)整。完成適當(dāng)極點配置，則能以最小方差實現(xiàn)控制，使系統(tǒng)動態(tài)特性得到改善。由于計算量較小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制。從原理上來看，自校正控制器由兩個控制回路構(gòu)成，外環(huán)由數(shù)控制器和控制器設(shè)計計算兩部分構(gòu)成，內(nèi)環(huán)由常規(guī)控制器和被控對象構(gòu)成。采用遞推算法，可以完成參數(shù)估計。為簡化計算過程，還要采用極點配置法，結(jié)合被控對象特征完成自校正最小相位系統(tǒng)設(shè)計，使系統(tǒng)具有閉環(huán)特性。而將參數(shù)估計遞推算法與各種控制算法結(jié)合在一起，則能實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的實時自動校正。

2自校正PID在加彈機溫控器中的應(yīng)用

2.1加彈機溫控需求

加彈機為拉伸滌綸長絲的變形機，可以在纖維處理上得到應(yīng)用，以獲得高彈力纖維。在加彈機工作的過程中，需要實現(xiàn)對恒溫箱溫度的精確控制，才能滿足設(shè)備應(yīng)用要求。分析恒溫箱的結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理可以發(fā)現(xiàn)，其利用電熱絲通電實現(xiàn)加熱管加熱，促使整個恒溫箱空氣溫度上升[1]。與此同時，保溫層溫度也將提升，伴隨著保溫層散熱加大，散熱功率將逐步提升，直至與加熱功率相等。由于恒溫箱溫度控制為單輸入、單輸出，所以可以建立相應(yīng)的差分模型，如式（1）所示。式中，y（k）為系統(tǒng)溫度輸出，u（k）為系統(tǒng)輸入熱功率，d指的是系統(tǒng)滯后采用周期，a、b、k等為系數(shù)，t為時間。

y（k）+a1y（k-1）+a2y（k-2）=b0u（k-d）+b1u（k-d-1）+e（t） （1）

完成被控對象控制模型建立后，需要完成相關(guān)系數(shù)的辨識，利用最小二乘法對模型參數(shù)估計值進行獲取，即結(jié)合實際觀測值與計算值累計誤差平法和最小值確定模型輸出結(jié)果。采取該種系數(shù)辨識方法，能夠使計算機運算負荷得到減輕。結(jié)合控制對象特征，則能通過遞推辨識得到系統(tǒng)閉環(huán)辨識控制函數(shù)。

2.2溫控器的設(shè)計

在實際進行溫控器設(shè)計時，需要認識到PID控制為二階控制，階數(shù)相當(dāng)于溫控對象階數(shù)，可以使系統(tǒng)閉環(huán)辨識條件得到滿足。采用極點配置的自校正算法，需要利用以常規(guī)控制策略為基礎(chǔ)的自校正器實現(xiàn)控制。首先，需對期望系統(tǒng)閉環(huán)極點位置進行確認，然后完成系統(tǒng)參數(shù)的在線估計和識別。在此基礎(chǔ)上，需要依次完成控制器參數(shù)和控制率的計算。數(shù)字PID控制器的傳遞函數(shù)Z如式（2）所示，式中g(shù)1=-[Kp+2KpTD/T]，g2=KpTD/T，g0=Kp+KpT/T1+KpTD/T。

G（z）=（g0+g1z-1+g2z-2）/（1-z-1） （2）

在根平面左半面，存在函數(shù)零點，所以可知系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)，能夠使g2′=a2，g1′=a1，f1′=b1/b0，得到式（3）。對系統(tǒng)參數(shù)進行在線辨識，則能使控制器的控制參數(shù)隨控制對象參數(shù)變化發(fā)生改變。

u（k）=u（k-1）+g0e（k）+g0a1^e（k-1）+g0a2^e（k-2）+b1^[u（k-2）+u（k-1）]/b0（3）

2.3溫控器的實現(xiàn)

在加彈機的溫控器設(shè)計上，需要完成較多控制點的設(shè)置。所以在溫控器實現(xiàn)過程中，需要完成多路數(shù)字輸出和多路選擇的實現(xiàn)。在電路通道選擇上，應(yīng)采用多個模擬開關(guān)芯片，以構(gòu)成120路通道。數(shù)字輸出功能的實現(xiàn)，可利用5片8255擴展得到120路輸出。在溫度計算、通道切換、按鍵中斷處理等方面，可以采用MPU實現(xiàn)各項功能。從系統(tǒng)硬件組成上來看，包含中央控制處理模塊、輸入模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等。從控制器工作流程上來看，系統(tǒng)一開機，會先對計數(shù)位和標志位進行清零，確認有上電標志后，建立標志，完成系統(tǒng)初始化[2]。初始化完成后，確定是否產(chǎn)生定時器中斷或A/D中斷，如果有中斷產(chǎn)生，執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作。無中斷，需要確定標記為是否有效，有效需進行溫度計算或PID數(shù)據(jù)處理，在計數(shù)值加1后重新返回到是否存在中斷的判定程序中。

2.4溫控器性能驗證

為確定控制器的性能，需要利用實驗室電加熱裝置對自校正PID算法和普通PID算法的控制效果進行比較，采用盛有水的電熱杯進行溫度控制。從實驗結(jié)果來看，在85℃的恒溫控制過程中，采用普通控制算法溫度在83-87℃范圍內(nèi)浮動，采用自校正PID控制算法溫度在84-86℃內(nèi)浮動，因此溫度控制偏差不超出±1%，能夠獲得更高的溫度控制精度。

結(jié)論：通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在加彈機溫控器設(shè)計中，采用自校正PID控制方法，能夠利用溫控系統(tǒng)模型動態(tài)變化控制能力對溫度進行實時在線控制，使溫度控制偏差不超出±1%，所以能夠更好的滿足恒溫箱的溫度控制要求。因此相信在加彈機溫度控制方面，該種溫控器可以獲得較好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]馬其明，樊亞娟.基于車間聯(lián)網(wǎng)的化纖加彈機嵌入式控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2015（06）：62-64.

[2]張葉興，湯祝忠，郭茂明等.加彈機高溫短熱箱的清潔方式對DTY生產(chǎn)的影響[J].聚酯工業(yè)，2014，27（05）：32-34.