席宇迪

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽蕪湖 241002)

鍍液溫度控制在很大程度上決定了電鍍質(zhì)量的高低，為了改進(jìn)電鍍工藝，傳統(tǒng)的半自動溫度控制正在向全自動控制方向轉(zhuǎn)變，應(yīng)用智能化控制技術(shù)，依據(jù)鍍液溫度控制邏輯關(guān)系，開發(fā)電鍍生產(chǎn)控制系統(tǒng)[1]。由于鍍液溫度控制環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的溫度控制方式很難提高溫度控制穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性[2]。考慮到模糊控制方法支持復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用，且在非線性參數(shù)控制方面具有較大優(yōu)勢，所以文章選取此算法與PID控制算法作為研究工具，提出溫度控制系統(tǒng)研究。

1基于模糊PID的鍍液溫度智能控制

PID控制器主要由3部分構(gòu)成，分別是微分環(huán)節(jié)，參數(shù)為KD；積分環(huán)節(jié)，參數(shù)為KI；比例環(huán)節(jié)，參數(shù)為KP，以下為控制器數(shù)學(xué)模型：

(1)

公式(1)中，e(t)代表系統(tǒng)偏差值，u(t)代表系統(tǒng)輸出值。

目前，PID控制器在工業(yè)控制中應(yīng)用較多，采用公式法對調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)。由于鍍液溫度滯后性和非線性較為顯著，作業(yè)期間容易受周圍環(huán)境因素干擾，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的溫度控制方法，很難提升電鍍工藝水平。模糊控制理念的提出，為電鍍工藝改進(jìn)開辟了新的路徑，然而該控制方法存在靜態(tài)誤差[3]。為了實(shí)現(xiàn)鍍液溫度智能控制，該研究將兩種算法融合到一起，提出模糊PID控制算法，用于鍍液溫度的有效控制，算法原理如圖1所示。

圖1 模糊PID控制算法原理圖

該算法以誤差變化率和溫度誤差作為計(jì)算指標(biāo)，將這兩項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果輸入控制器中，經(jīng)過一系列模糊推理分析，得到相關(guān)參數(shù)控制數(shù)據(jù)。與此同時，更新參數(shù)數(shù)值。參數(shù)KD、KI、KP數(shù)值的求取方法相同，都是用初始數(shù)值與實(shí)施增量做加法運(yùn)算，從而得到實(shí)時參數(shù)數(shù)值。其中，知識庫作為模糊化、模糊推理、清晰化處理的數(shù)據(jù)支撐，在PID控制下，令電熱絲加熱，將能量傳輸至電鍍槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)[4]。在此期間，溫度變送器將熱電偶采集到的鍍液溫度數(shù)值輸送至遠(yuǎn)程AI終端，作為模糊化控制依據(jù)，形成閉環(huán)控制體系。

2系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)依據(jù)模糊PID溫度控制算法原理，選取PLC作為作業(yè)現(xiàn)場溫度控制核心控制器，采集現(xiàn)場鍍液溫度數(shù)據(jù)信息，通過遠(yuǎn)程AI設(shè)備將其傳輸至上位機(jī)控制終端，而后下達(dá)電熱絲控制命令，驅(qū)動相應(yīng)硬件電路，從而實(shí)現(xiàn)對電熱絲增加溫度/降低溫度的智能控制。圖2所示為系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖2可知，系統(tǒng)主要由信息采集終端、遠(yuǎn)程操控終端、現(xiàn)場作業(yè)模塊組成。其中，信息采集終端包括遠(yuǎn)程AI、熱電偶、溫度變送器、PLC。PLC作為信息采集終端的核心控制器，通過設(shè)置作業(yè)參數(shù)，控制其他3項(xiàng)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場熱電偶、溫度變送器及遠(yuǎn)程AI傳輸?shù)膶?shí)時控制。遠(yuǎn)程操控終端是以上位機(jī)為主要控制設(shè)備，通過對采集到的鍍液溫度信息進(jìn)行處理和分析，下達(dá)操控命令。該控制終端主要由遠(yuǎn)程AO和上位機(jī)組成，前者用于AI的連接，兩個遠(yuǎn)程線路的連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場終端和監(jiān)控終端的通信連接；后者用于命令下達(dá)，通過對現(xiàn)場返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷當(dāng)前是否需要加熱電熱絲，或者降低電熱絲作業(yè)溫度，依據(jù)分析結(jié)果下達(dá)電熱絲控制命令，向驅(qū)動電路發(fā)送此命令，在驅(qū)動電路作用下，控制電熱絲作業(yè)狀態(tài)。現(xiàn)場作業(yè)模塊由電熱絲和其驅(qū)動電路組成，按照PLC下達(dá)的控制命令調(diào)節(jié)電熱器作業(yè)參數(shù)。

3系統(tǒng)程序開發(fā)

3.1模糊PID控制器程序流程

文章利用TIA Portal軟件開發(fā)控制器作業(yè)程序，在系統(tǒng)程序開發(fā)操作界面選取TIA V15功能作為開發(fā)工具，根據(jù)鍍液溫度控制原理編寫程序[5]。該系統(tǒng)程序開發(fā)的思想建立在模糊處理和PID控制基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)樣本采樣時間，控制PLC數(shù)據(jù)輸入，通過設(shè)定上下限值，控制參數(shù)界定范圍，利用模糊控制查詢表，得到各個參數(shù)增量，將這些增量與量化因子做乘法運(yùn)算，最終得到實(shí)際值。系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制程序流程

第一步：設(shè)置量化因子，微分環(huán)節(jié)參數(shù)增量ΔKD、積分環(huán)節(jié)參數(shù)增量ΔKI、比例環(huán)節(jié)參數(shù)增量ΔKP、因子Kec和因子Ke，將這些參數(shù)寫入PLC當(dāng)中；

第二步：判斷當(dāng)前PLC采樣時間是否達(dá)到，如果達(dá)到采樣時間，則進(jìn)入第三步，反之，繼續(xù)等待采樣時間，直至達(dá)到采樣時間為止；

第三步：以ec和e作為輸入量，以PLC寄存器作為數(shù)據(jù)存儲終端，將變量錄入其中；

第四步：判斷輸入量ec和e是否越界，如果越界，則取其上限值或者下限值作為限定量，明確輸入量范圍，反之，進(jìn)入第五步；

第五步：對輸入量ec和e采取模糊化處理，得到變量EC和變量E，均存儲至寄存器中；

第六步：查詢模糊控制表，得到各個參數(shù)變量數(shù)值，得到增量ΔKD、增量ΔKI、增量ΔKP數(shù)值；

第七步：用量化因子分別乘以增量ΔKD、增量ΔKI、增量ΔKP，得到實(shí)際數(shù)值。

按照上述流程，計(jì)算基于PID控制算法的輸出模擬量，從而明確線路中電阻絲作業(yè)需求。依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，借助上位機(jī)作業(yè)程序，下達(dá)鍍液溫度控制命令，從而使得實(shí)際作業(yè)溫度與預(yù)期溫度需求相符，以此提高電鍍作業(yè)水平。

3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選取TIA Portal V15作為控制程序界面開發(fā)工具，根據(jù)組態(tài)鍍液溫度監(jiān)控需求，設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序界面如圖4所示[6]。

圖4 上位機(jī)程序界面

圖4中，鍍液溫度控制監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度參數(shù)包括實(shí)際溫度和設(shè)定溫度，通過操控“啟動/停止”按鈕，控制設(shè)備作業(yè)狀態(tài)，在顯示界面中顯示實(shí)際溫度數(shù)值。其中，實(shí)際溫度始終小于或者等于設(shè)定溫度值，其主要原因是設(shè)定溫度是鍍液溫度上限值，要求溫度不可以超過30℃。如果溫度超出此限定值，電鍍生產(chǎn)將停止，采取一系列溫度下調(diào)處理措施加以處理，從而保證作業(yè)環(huán)境的安全性。

4仿真應(yīng)用分析

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是否可以有效控制鍍液溫度，提高電鍍工藝水平，文章對系統(tǒng)作業(yè)性能進(jìn)行仿真分析。該研究以某電鍍施工項(xiàng)目未來，對項(xiàng)目實(shí)施期間的鍍液溫度控制進(jìn)行管控。觀察仿真應(yīng)用效果，分析應(yīng)用現(xiàn)狀。

4.1仿真模型的搭建

由于鍍液的滯后性、非線性、時變性較為突出，所以關(guān)于鍍液溫度控制結(jié)果的輸出模型如下：

(2)

公式(1)中，T代表慣性常數(shù)；τ代表滯后時間；K代表穩(wěn)態(tài)增益。利用嵌入式軟件Simulink和仿真軟件Matlab，搭建系統(tǒng)測試仿真模型，如圖5所示。

圖5 仿真模型

該仿真模型在輸入端輸入階躍信號，利用傳統(tǒng)PID控制器和模糊控制器，分別對階躍信號進(jìn)行處理。其中，傳統(tǒng)PID控制器設(shè)定了一階慣性環(huán)節(jié)，利用該環(huán)節(jié)加以處理，使得信號轉(zhuǎn)入滯后環(huán)節(jié)，記為滯后環(huán)節(jié)1，從輸出端口輸出。模糊控制器應(yīng)用期間，增加了N2輸出參數(shù)，利用PID模糊控制裝置，對經(jīng)過模糊處理的變量與N2共同建立變量關(guān)系，采取一階慣性環(huán)節(jié)2加以處理，使得信號轉(zhuǎn)入滯后環(huán)節(jié)，記為滯后環(huán)節(jié)2，從輸出端口輸出。

4.2仿真結(jié)果分析

按照上述方法搭建系統(tǒng)仿真環(huán)境，以傳統(tǒng)PID控制器作為對照組裝置，以模糊控制器作為實(shí)驗(yàn)組裝置，在輸入端輸入階躍信號，觀察輸出端信號變化情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真測試結(jié)果

圖6中，以階躍信號分布直線作為分析標(biāo)準(zhǔn)，觀察傳統(tǒng)PID控制算法和模糊PID控制算法生成的曲線可知。與傳統(tǒng)PID控制算法相比，模糊PID控制算法輸出的信號變化幅度更小一些，隨著時間的推移，更加接近階躍信號。從整體來看，傳統(tǒng)PID控制算法那的調(diào)節(jié)時間大約為23s，信號上升時間大約為2.5s，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可知超調(diào)量大約為7.5%。而模糊PID控制算法的應(yīng)用，信號上升時間大約為2.3s，小于傳統(tǒng)PID控制算法此項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值，并且調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量都有明顯的下降。所以，文章提出的模糊PID控制算法在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、耗費(fèi)上升時間3個方面均具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

5結(jié)語

文章以鍍液溫度控制問題展開研究，依據(jù)鍍液溫度控制策略改進(jìn)需求，以PID控制算法作為基礎(chǔ)建設(shè)工具，添加模糊控制算法，提出兩種算法融合下的鍍液溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC作為現(xiàn)場施工終端控制裝置，用于鍍液溫度的采集和溫度干擾設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的控制，通過上位機(jī)處理數(shù)據(jù)，下達(dá)鍍液溫度控制命令。仿真測試結(jié)果表明，模糊IPD控制的響應(yīng)特性有很大幅度的提升，滿足電鍍工藝溫度精準(zhǔn)控制要求。