李會(huì)軍

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造技術(shù)學(xué)院， 重慶 401120)

1 背景

橡膠在當(dāng)今工程材料領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，是被廣泛應(yīng)用的工程材料，在交通、能源、航天航空及宇宙開發(fā)等領(lǐng)域和現(xiàn)代尖端科技的各方面發(fā)揮著重要作用。塑膠制品由高分子材料構(gòu)成，一些高分子材料經(jīng)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以改善塑膠制品的耐熱性和力學(xué)性能，但熱塑性彈性體在塑煉和混煉后只有經(jīng)過硫化(橡膠的硫交聯(lián)反應(yīng))才具有良好的彈性[1-4]。橡膠硫化的含義是將構(gòu)成橡膠的線性大分子鏈經(jīng)過化學(xué)交聯(lián)以形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程，經(jīng)過硫化可以改變膠料的物理性能以及其他性能。塑膠制品特性與多種因素相關(guān)，更與制品生產(chǎn)過程的硫化溫度、硫化壓力和硫化時(shí)間緊密相關(guān)，但目前國內(nèi)不少設(shè)備在控制方法方面相對落后，不當(dāng)?shù)目刂茻o助于橡膠大分子鏈之間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)鍵。將橡膠大分子鏈相互連接在一起形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以改善橡膠的彈性、強(qiáng)度和模量等物理機(jī)械性能，并在受到長時(shí)間應(yīng)力后仍舊保持網(wǎng)鏈位置不變，從而實(shí)現(xiàn)塑膠制品結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定不變[5-9]。不當(dāng)?shù)娜斯た刂仆鶗?huì)受到操作者經(jīng)驗(yàn)和技能等主觀因素的影響，塑膠制品的物理化學(xué)性能主要取決于在硫化階段對物理成形的控制效果，更與控制策略緊密相關(guān)。

2 硫化過程的控制論特性

2.1 硫化過程控制中存在的問題

硫化過程控制中存在的難點(diǎn)是由過程的控制論特性決定的[10-11]。從硫化過程控制中存在的問題可以總結(jié)出控制論特性，再根據(jù)控制論特性尋找出與控制論特性匹配的硫化過程控制策略。硫化過程控制中存在以下問題：

1) 塑膠制品是由高分子材料構(gòu)成的，物料的復(fù)雜性導(dǎo)致不確定性因素影響增加。膠料與各種助劑在特定條件下發(fā)生交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)因受不確定性因素影響使合格產(chǎn)品方差分布大，因此如何克服不確定性因素影響是控制難點(diǎn)之一。

2) 膠料本身并非良好的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱性能差，在硫化過程中制品內(nèi)部各個(gè)點(diǎn)的溫度場分布是非均勻的，呈現(xiàn)出熱傳遞的超大純滯后與大慣性特性，這也是控制工程中需要解決的瓶頸問題之一。

3) 硫化是一個(gè)具有強(qiáng)非線性特性的過程，迄今為止還沒有成熟的控制經(jīng)驗(yàn)和方法可以借鑒和遵循，因此被列為工程中的控制難點(diǎn)。

4) 硫化過程的溫度場是分布式的，例如：由于時(shí)滯的影響，硫化過程中制品分布在不同內(nèi)、外層的塑膠不可能同時(shí)達(dá)到正硫化點(diǎn)溫度。因此，對硫化過程實(shí)施范式的定量控制非常困難。

5) 膠料分布的不均勻等因素導(dǎo)致最佳硫化程度難以確定。

等效硫化和硫化時(shí)間與硫化效應(yīng)E的關(guān)系為

式中：K是硫化溫度系數(shù)；I為硫化強(qiáng)度(1/s)；τ1，τ2分別為硫化的起始和終止時(shí)間(s)。等效硫化是指在Δτ很小時(shí)，其近似計(jì)算硫化效應(yīng)E為

式中：硫化標(biāo)準(zhǔn)溫度為t0(℃)；E0為達(dá)到t0時(shí)的硫化效應(yīng)。

2.2 硫化過程控制論特性

綜上，硫化過程事實(shí)上是一個(gè)具有不確定性的復(fù)雜過程，其控制論特性可以歸納如下：

1) 膠料成分復(fù)雜，過程參數(shù)分布具有極大的不確定性。事實(shí)上，過程參數(shù)一直處于變化中，因此， 過程參數(shù)具有時(shí)變性。

2) 硫化物料不是良導(dǎo)熱體，硫化過程具有大慣性和大純滯后的特性，其簡化模型可以粗略地用1階慣性環(huán)節(jié)加1個(gè)滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行等效。

3) 硫化過程具有強(qiáng)非線性特性，這是由熱傳遞關(guān)系的復(fù)雜性決定的。

4) 硫化過程中的高分子物料屬性決定了硫化過程的時(shí)滯參數(shù)必然具有未知性與時(shí)變性。

5) 除上述控制論特性外，外部環(huán)境干擾難以預(yù)料，硫化過程呈現(xiàn)出未知性、隨機(jī)性及多樣性。

事實(shí)上，對于高度非線性、半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化、各要素間高度耦合與互相制約的塑膠硫化過程，采用傳統(tǒng)的控制策略(如PID控制等)不可能達(dá)到與上述控制論特性相匹配，必須尋找新的控制策略。

3 控制策略與控制方法

3.1 控制策略

硫化屬于不確定性復(fù)雜過程控制問題，難于數(shù)學(xué)建模，因此，常規(guī)的PID 控制策略不可取，PID 控制也不可能獲得預(yù)期的控制效果[12-13]。模糊控制存在隸屬函數(shù)確定問題，不確定性意味著沒有規(guī)律可循，因此，模糊控制技術(shù)并不適宜于對硫化過程實(shí)施控制。專家控制系統(tǒng)控制存在諸多問題，例如，如何獲取知識與如何表達(dá)知識等，因此不可能建立完備的專家知識庫，在硫化過程中采用專家系統(tǒng)控制并不明智。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中，因?yàn)榇嬖诓淮_定性不可能選取學(xué)習(xí)樣本等問題，因此對塑膠硫化過程控制而言，這種控制策略也很難被采納。但是，如果換一種思路分析問題，總結(jié)駕駛員的控制經(jīng)驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在高速公路上有豐富經(jīng)驗(yàn)的駕駛?cè)藛T可以靈活自如地駕駛車輛高速安全行駛，并按照預(yù)定的路線軌跡前行到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)。遵循該思路發(fā)展起來的仿人智能控制(human simulated intelligent controller，HSIC)[14]，它根據(jù)實(shí)際路線軌跡偏離理想軌跡的誤差及其變化率實(shí)現(xiàn)對行進(jìn)軌跡的良好控制，且該控制不涉及數(shù)學(xué)模型，本質(zhì)上是一種人體控制系統(tǒng)的“同態(tài)”變換?？刂七^程中只要知道過程偏差及其變化率，就可根據(jù)自動(dòng)控制原理構(gòu)造出相應(yīng)模式的控制算法。采用HSIC控制策略可以確保硫化過程中控制的響應(yīng)時(shí)間快、調(diào)節(jié)時(shí)間短、控制精度高、無超調(diào)以及強(qiáng)魯棒性能。因此， HSIC策略是針對硫化過程的一種較好選擇。

3.2 控制算法

圖1 HSIC控制過程模型

綜上，硫化過程基本控制算法可歸納如下：

基本控制算法中，對被控過程以開、閉環(huán)交替控制方式實(shí)現(xiàn)。如果過程比較復(fù)雜，可基于基本控制算法，將控制專家的知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及操作者的控制智慧、控制技巧和控制技能，借助產(chǎn)生式規(guī)則融入基本控制算法，構(gòu)造出與過程特性匹配的HSIC控制算法以提高對硫化過程的控制品質(zhì)[15]。

4 實(shí)驗(yàn)仿真及其結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)仿真

硫化過程控制模型可以近似描述為

W0(s) =Ke-τs/(Ts+1)

式中：K、T和τ分別為放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間。實(shí)驗(yàn)仿真中，選取K=0.83，T=1 680，τ=200，過程近似模型為W0(s) = 0.83e-200s/(1 680s+1)。

為了減小純滯后環(huán)節(jié)的影響，一種方法是采用如圖2所示的Smith控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2中：W0(s)e-τs為被控過程的傳遞函數(shù)；Wc(s)為控制器的傳遞函數(shù)，借助補(bǔ)償環(huán)節(jié)W0(s)(1-e-τs)與控制器并聯(lián)，整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

W(s)=Wc(s)W0(s)e-τs/(1 +Wc(s)W0(s))

因?yàn)樘卣鞣匠讨袥]有純滯后環(huán)節(jié)e-τs，改善了純滯后對控制品質(zhì)的不利影響。純滯后的影響是在控制時(shí)間上推遲了τ。

圖2 Smith控制系統(tǒng)框圖

基于Matlab環(huán)境，分別將PID、Smith預(yù)估和HSIC控制等3種控制器作用于同一硫化過程，在階躍輸入信號為3時(shí)，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖3所示。圖3中，曲線1為PID控制的過程響應(yīng)，曲線2為HSIC控制的過程響應(yīng)，曲線3為Smith控制的過程響應(yīng)。對比3種曲線可以看出：Smith控制的調(diào)節(jié)時(shí)間過長且存在穩(wěn)態(tài)誤差；HSIC控制對超大滯后過程有良好的控制品質(zhì)，無穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)，上升時(shí)間快；PID控制存在嚴(yán)重超調(diào)。在6 000 s時(shí)刻分別對同一過程輸入端施加1個(gè)擾動(dòng)輸入，其脈沖擾動(dòng)幅度為2。圖4中的曲線3為Smith控制時(shí)的過程響應(yīng)，曲線2為HSIC控制時(shí)的過程響應(yīng)，曲線1為PID控制時(shí)的過程響應(yīng)。比較3種曲線可知，HSIC控制的過程響應(yīng)受到擾動(dòng)的影響較小。

圖3 不同策略的響應(yīng)

圖4 擾動(dòng)后不同策略的響應(yīng)

下面借助過程參數(shù)變化，通過3種算法過程響應(yīng)的對比考察HSIC控制策略的魯棒性能。

當(dāng)其他條件維持不變，僅K值由0.83變化到3時(shí)，其過程響應(yīng)如圖5所示。比較3條響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略比PID控制和Smith控制策略有更好的過程響應(yīng)。當(dāng)T由1 680 s變化到1 880 s時(shí)，其他條件均保持不變，過程響應(yīng)如圖6所示，此時(shí)比較3條曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略有更強(qiáng)的魯棒性能。

圖5 K改變后的過程響應(yīng)

圖6 T改變后的過程響應(yīng)

當(dāng)其他條件維持不變，僅τ值由200 s變化到400 s時(shí)，其過程響應(yīng)如圖7所示，比較響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略有更強(qiáng)的魯棒性能。當(dāng)被控過程增加1個(gè)慣性環(huán)節(jié)1/(10s+1)，即過程階次變?yōu)?階時(shí)，其他條件均保持不變，則過程響應(yīng)如圖8所示。此時(shí)比較3條曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略有更強(qiáng)的魯棒性能。

圖7 τ改變后的過程響應(yīng)

圖8 2階過程的響應(yīng)

4.2 仿真結(jié)果分析

如果控制過程中出現(xiàn)擾動(dòng)(見圖4)，HSIC控制相比PID控制和Smith控制策略具有更好的抗干擾性。

當(dāng)過程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，HSIC控制相比PID控制和Smith控制有更強(qiáng)的魯棒性(以過程參數(shù)：K=0.83，T=1 680，τ=200作比較原型)：

1)K值增大后： HSIC控制的過程響應(yīng)基本無穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間和上升時(shí)間有所縮短；PID控制的過程響應(yīng)曲線超調(diào)有所減小，在調(diào)節(jié)時(shí)間和上升時(shí)間方面均有縮短。

2)T值增大后：HSIC響應(yīng)幾乎沒有變化；PID響應(yīng)超調(diào)有所減??；Smith響應(yīng)上升時(shí)間有所增加。

3)τ值增大后：HSIC控制和Smith控制的過程響應(yīng)僅在時(shí)間上推遲了200 s，其他幾乎沒有發(fā)生變化；PID控制出現(xiàn)較大的穩(wěn)態(tài)誤差，但響應(yīng)的超調(diào)有所減小。

4) 原過程加入1個(gè)慣性環(huán)節(jié)后，HSIC響應(yīng)僅有1個(gè)較小的超調(diào)； Smith響應(yīng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差且上升時(shí)間有所增大；PID響應(yīng)超調(diào)有所增大。

5 結(jié)束語

塑膠硫化是一個(gè)具有不確定性因素和大慣性、大純滯后特性的復(fù)雜過程。本文探討的基于仿人智能的HSIC控制策略無需建立數(shù)學(xué)模型，基于過程前一個(gè)周期的誤差及其變化率就可判別下一個(gè)周期的控制模式，從而確定下一個(gè)周期的控制算法。由于每個(gè)控制周期都要進(jìn)行邏輯判斷決定如何施加控制，因此不會(huì)出現(xiàn)偏離控制目標(biāo)的情況，只需在存在誤差時(shí)施加控制進(jìn)行較正。該控制策略控制精度高、穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對精密塑膠制品硫化成形控制而言，基于仿人智能的HSIC控制策略具有獨(dú)特的優(yōu)勢。