陳 勇，胡進(jìn)杰，趙文華，來(lái)新民

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，佛山528225；2.佛山沃頓裝備技術(shù)股份有限公司，佛山528200）

隨著控制工程、溫控設(shè)備等的發(fā)展，對(duì)溫度控制的精度、整定速度提出了越來(lái)越高的要求，例如在噴涂設(shè)備及油漆干燥等領(lǐng)域，對(duì)溫度控制的需求更加迫切。然而，常規(guī)的溫度控制方案很難滿(mǎn)足控制要求，因此找出一套控制精度高、控制過(guò)程平滑、整定速度快的溫度控制方案一直是各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。在現(xiàn)今工業(yè)上，大多數(shù)企業(yè)仍在使用通過(guò)溫控表與交流接觸器直接控制發(fā)熱管導(dǎo)通關(guān)斷的控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制， 由于溫度具有慣性，因此該方案在溫度控制上的精度很低。文獻(xiàn)[1-2]在該方案的基礎(chǔ)上加入PID 控制，對(duì)溫度的控制精度有一定的提升。然而在維持某一恒定溫度時(shí)，交流接觸器由于不停的導(dǎo)通、 關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生不少的噪聲，使用壽命也會(huì)隨之降低，而且交流接觸器的工作頻率有限，在精度上也有所妥協(xié)。文獻(xiàn)[3]采用了專(zhuān)家PID算法控制，并在硬件上使用可編程控制器（PLC）、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、電熱絲控制器從而提高控制精度以及整定效率。該方案非常適合工業(yè)實(shí)際需求，方便與別的設(shè)備統(tǒng)一控制，然而該方案在工業(yè)使用上，由于流平設(shè)備使用時(shí)，會(huì)使用風(fēng)機(jī)達(dá)到循環(huán)加熱、抽風(fēng)進(jìn)氣、抽風(fēng)冷卻等，不同的風(fēng)速會(huì)對(duì)溫度有一定的影響；而不同的工件、油漆對(duì)溫度的要求也不同；為滿(mǎn)足流平要求，各個(gè)加熱區(qū)域的溫度也不盡相同，專(zhuān)家?guī)斓男畔⒃谌绱硕嘧兞坑绊懙那闆r下很難滿(mǎn)足控制需求，即使有足夠多的信息，PLC 也未必能完全儲(chǔ)存、運(yùn)用。因此，該方案在使用上也有所欠缺。因此，本文考慮了專(zhuān)家信息庫(kù)在信息過(guò)多的情況下不容易建立的弊端以及傳統(tǒng)PID 算法控制整定速度較慢的缺陷， 對(duì)專(zhuān)家PID控制以及傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的溫度控制。本文采用永宏P(guān)LC、雙向可控硅、可控硅觸發(fā)器、永宏顯示屏、溫控表，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高的流平溫度控制方案。

1 溫度控制方案的結(jié)構(gòu)與組成

流平溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要由PLC、溫控表、紅外加熱管、可控硅、可控硅觸發(fā)器等組成。

圖1 流平溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of leveling equipment of temperature automatic control system

如圖1所示，觸摸屏與PLC 通過(guò)專(zhuān)用傳輸線相連，使得觸摸屏可以代替電腦，對(duì)PLC 進(jìn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)交互、參數(shù)設(shè)置等操作。由于其出色的界面以及良好的操作性能，給工程人員在調(diào)試以及設(shè)備使用提供足夠的便利。設(shè)置好給定溫度后，按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，控制系統(tǒng)就能自主運(yùn)行，完成溫度整定。溫度通過(guò)耐高溫補(bǔ)償線把模擬信號(hào)（0～20 mA）傳輸?shù)綔乜乇恚ˋI-516），溫控表把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接篮關(guān)LC（Fbs-60MCR2-AC）中。PLC 將當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，通過(guò)運(yùn)算得出P、I、D 的具體數(shù)值，并把數(shù)值傳送給溫控表，由溫控表輸出模擬信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制紅外線發(fā)熱管的發(fā)熱效率，實(shí)現(xiàn)流平溫度自動(dòng)調(diào)控。

2 專(zhuān)家PID 控制

專(zhuān)家控制是一種基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，并通過(guò)智能的方式使用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)控制器。利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)從而設(shè)計(jì)的PID 參數(shù)便構(gòu)成專(zhuān)家PID 控制。

根據(jù)加熱管加熱時(shí)，當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度之間的誤差及其變化， 可設(shè)計(jì)專(zhuān)家PID 溫度控制算法，該算法分5 種情況設(shè)計(jì)：

令e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有：

當(dāng)e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）>0 或e（k）=0時(shí)，控制器輸出不變。

當(dāng)e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）<0 且M2時(shí)，實(shí)施較激進(jìn)的控制作用，則：

當(dāng)e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）<0 且時(shí)，實(shí)施較平和的控制作用，則：

其中，em（k）為誤差e 的第k 個(gè)極值；u（k），u（k-1）分別為第k 次和第k-1 次控制器輸出；k1=2 為增大放大系數(shù)，k1>1；k2=0.5 為增益抑制系數(shù)，0M2；ε=0.001 為任意小的正實(shí)數(shù)；kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

表1為室溫25 ℃，抽風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為400 r/min時(shí)，加熱到各目標(biāo)溫度穩(wěn)定時(shí)kp、ki、kd的數(shù)值。

表1 到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)的PID 系數(shù)Tab.1 PID coefficient at target temperature

3 控制理念

流平設(shè)備內(nèi)的溫度具有非線性、滯后性和區(qū)域溫度多變性等特點(diǎn)，外加干擾溫度的因素較多。因此，單純使用常規(guī)PID 控制方案很難保證溫度的精確，找出一套滿(mǎn)足要求的控制方案顯得尤為關(guān)鍵。溫度控制上，可以選用遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制算法、粒子群算法、遺傳算法等控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而在工業(yè)生產(chǎn)上，主控設(shè)備以PLC 居多，遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制算法、粒子群算法、遺傳算法等控制策略很難在該主控平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)[3-5]，所以引用專(zhuān)家PID 控制理念，又由于PLC 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力有限，專(zhuān)家信息內(nèi)的信息也有限，溫度控制的覆蓋面不夠， 況且PLC 除了控制紅外發(fā)熱管，還要控制流平設(shè)備中的輸送電機(jī)以及抽風(fēng)電機(jī)，過(guò)長(zhǎng)的代碼延長(zhǎng)PLC 的工作周期，影響控制性能，所以，本文體出一種以專(zhuān)家PID 控制為主、傳統(tǒng)PID 控制為輔的控制理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)流平溫度的控制。

圖2為本方案的控制流程。該方案是通過(guò)專(zhuān)家PID 控制算法以及傳統(tǒng)PID 算法相結(jié)合的新算法，通過(guò)數(shù)據(jù)采集，采用專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理，自動(dòng)修正P、I、D 三者的數(shù)值；若推理庫(kù)沒(méi)有該信息，則通過(guò)傳統(tǒng)PID 進(jìn)行控制， 兩種控制算法聯(lián)合控制，在控制功能齊全的同時(shí)，不影響溫度控制性能，以達(dá)到最佳的控制效果。

圖2 控制流程Fig.2 Control flow chart

通過(guò)FvDesigner 軟件， 對(duì)PLC 進(jìn)行通訊連接，把溫控表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取回來(lái)， 并通過(guò)FvDesigner自帶折線圖的功能， 把采集到的數(shù)據(jù)繪制成折線圖。通過(guò)上述方法，可以作出新型溫度控制算法與傳統(tǒng)控制算法之間的比較。

常規(guī)PID 控制算法的響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可知：?jiǎn)渭冞x用PID 控制算法時(shí)，流平設(shè)備從20 s～32 s 為延時(shí)加熱狀態(tài)，加熱設(shè)備延時(shí)啟動(dòng)，26.3 s 發(fā)熱管開(kāi)始加熱， 從30 s～35 s 出現(xiàn)了第一次抖動(dòng)，40 s～48 s 出現(xiàn)了超調(diào)，直到76.8 s 才讓流平內(nèi)的溫度穩(wěn)定在50 ℃，從加熱到穩(wěn)定在既定溫度所需時(shí)間約為50.5 s。在溫度上升過(guò)程中出現(xiàn)明顯的波動(dòng)以及超調(diào)量，震蕩比較劇烈，整定時(shí)間較長(zhǎng)。

圖3 常規(guī)PID 控制算法的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve of conventional PID control algorithm

專(zhuān)家PID 控制算法與常規(guī)PID 控制算法聯(lián)合控制的響應(yīng)曲線如圖4所示。由圖4可知：選用專(zhuān)家PID 及傳統(tǒng)PID 聯(lián)合控制算法時(shí)， 流平設(shè)備從26.3 s 延時(shí)加熱，28 s～68 s 為加熱時(shí)間，期間并沒(méi)有超調(diào)量及明顯的抖動(dòng)，加熱曲線較為光滑，內(nèi)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度50 ℃需要的時(shí)間約為40 s。在溫度上升過(guò)程中較常規(guī)PID 控制算法要平滑，沒(méi)有過(guò)于明顯的波動(dòng)以及超調(diào)量，震蕩比較小，整定時(shí)間也比常規(guī)PID 控制算法短。

圖4 專(zhuān)家PID 與常規(guī)PID 聯(lián)合控制算法的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of joint control algorithm of expert PID and conventional PID

由以上比較可得，專(zhuān)家PID 及傳統(tǒng)PID 混合控制算法的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制算法，應(yīng)用在流平設(shè)備中，效果更優(yōu)。

4 觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)

本控制方案選用永宏觸摸屏（C3102SF）作為控制系統(tǒng)的操作界面。操作界面如圖5所示，觸摸屏通過(guò)專(zhuān)用連接線與永宏P(guān)LC（Fbs-60MCR2-AC）相連，PLC 通過(guò)485 總線把溫控表的當(dāng)前溫度值存入到R寄存器，觸摸屏通過(guò)監(jiān)控R 寄存器，把當(dāng)前溫度顯示出來(lái)，同時(shí)，觸摸屏可以寫(xiě)入目標(biāo)溫度以及控制紅外燈管輸出，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。

圖5 觸摸屏界面Fig.5 Touch screen interface

配合人性化的操作界面以及完善的控制功能。流平溫度的控制變得簡(jiǎn)單、方便。而除常規(guī)的操作界面外，還有相應(yīng)的報(bào)警界面，與此同時(shí)，界面還能添加相應(yīng)的控制，比如抽風(fēng)機(jī)、以及流平設(shè)備的傳送功能，讓一體化控制成為可行。

5 結(jié)語(yǔ)

溫度控制是否符合工藝需求將直接影響流平的效果以及漆面的達(dá)標(biāo)率。早期的流平設(shè)備在控制時(shí)多采用交流接觸器位控制，稍微高級(jí)點(diǎn)的則使用傳統(tǒng)的PID 控制，控制精度有限，穩(wěn)定性和可靠性等比較欠缺。本文提出了一種基于PLC 系統(tǒng)，運(yùn)用專(zhuān)家PID 控制以及傳統(tǒng)PID 控制的聯(lián)合控制方案，它具有控制精度高、整定時(shí)間短的特點(diǎn)，配合觸摸屏以及人性化的操作界面，為使用者在使用設(shè)備時(shí)提供了足夠的便利。通過(guò)觸摸屏的可視化操作以及參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流平設(shè)備的溫度控制，滿(mǎn)足流平設(shè)備的溫控要求。