摘要：平板硫化機系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)存在控制精度低，難以達到國家硫化標準等問題，提出了一種基于模糊自適應(yīng)PID控制的平板硫化機溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以模糊自適應(yīng) PID 控制為理論基礎(chǔ)，以PLC為控制平臺，配以高性能的模塊化外設(shè)，詳細介紹了平板硫化機溫度控制系統(tǒng)的硬件選型及軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：平板硫化機；溫度控制系統(tǒng)；模糊自適應(yīng)PID 控制；可編程控制器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）04-0855-03

The Temperature Control System for Plate Vulcanization Machine Based on the Fuzzy Adaptive PID Control

ZHANG Cai

（Anhui GITI Tire Co.， Ltd.Hefei 230601，China）

Abstract： The control precision of the temperature Control System for Plate Vulcanization Machine is low， which can not reach the national standard. The paper proposed a new temperature Control System for Plate Vulcanization Machine with fuzzy temperature control system and PLC，the hardware and software design of the temperature Control System for Plate Vulcanization Machine is elaborated in detailed.

Key words： plate vulcanization machine； temperature control system； the Fuzzy Adaptive PID Control； PLC

硫化工藝是橡膠工業(yè)中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，平板硫化機是橡膠硫化的主要設(shè)備，橡膠硫化制品的質(zhì)量很大程度取決于平板硫化機對硫化溫度控制的精度；傳統(tǒng)的平板硫化機通常采用簡單且易實現(xiàn)的常規(guī)PID控制方法對溫度進行控制，但常規(guī)PID控制方法難以處理復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)，而溫度是一種慣性大、波動大、非線性的控制對象，這使得基于常規(guī) PID算法的平板硫化機溫度控制系統(tǒng)存在嚴重缺陷。模糊控制方法是一種基于模糊邏輯推理、模糊集合論以及模糊語言變量的計算機數(shù)字控制算法，使用該算法對時變的、非線性的、滯后的、高階大慣性的對象進行控制，獲得較好的控制效果；因此將模糊控制方法和自適應(yīng) PID 控制理論相結(jié)合，并將其應(yīng)用到平板硫化機控制系統(tǒng)，對橡膠工業(yè)生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。

1 模糊自適應(yīng) PID 控制技術(shù)

1.1 模糊自適應(yīng) PID 控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制器是模糊自適應(yīng) PID 控制算法的核心，模糊自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng)的性能取決于該控制器的設(shè)計，圖1是模糊自適應(yīng) PID 控制器。

該PID控制器的控制算式為：[u（k）=kpe（k）+kiΣe（k）+kdec（k （k=0，1，2）e（k）=e（k）+e（k-1） （k=0，1，2）ec（k）=e（k）-e（k-1） （k=0，1，2）] （1）

式中，[Kp]、[Ki]、[Kd]分別為表征其比例，積分及微分作用的參數(shù)，[e（k）]與[ec（k）]分別為其輸入變量偏差與偏差變化，[r（t）]與[y（t）]分別為給定輸入輸出；PID控制器實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，模糊推理系統(tǒng)以誤差[e（k）]和誤差變化率[ec（k）]作為輸入，采用模糊推理方法對PID參數(shù)[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]進行在線整定，直到被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。每次在線整定后，分別采用下式計算模糊控制器的3個輸出值[Kp]、[Ki]、[Kd]。

[Kp=Kp0+ΔKpKi=Ki0+ΔKiKd=Kd0+ΔKd] （2）

式中： [Kp0]、[Ki0]、[Kd0]為PID參數(shù)的初始設(shè)計值，由常規(guī)的PID控制器的參數(shù)整定方法設(shè)計，參數(shù)[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]為偏差，由下面的自整定原則確定：當偏差較大時，應(yīng)取較大的[ΔKp]和較小的[ΔKi]與[ΔKd]值要小，通常取[ΔKi]=0；當偏差和變化率為中等大小的時候， [ΔKp]應(yīng)取小一些， [ΔKd]應(yīng)取小一些，而[ΔKi]的取值要適當；當偏差較小的時候，應(yīng)增大[ΔKp]、[ΔKd]的值，應(yīng)適當?shù)倪x取[ΔKd]。

1.2 模糊 PID 控制器的設(shè)計步驟

1）首先設(shè)置模糊控制器的輸入變量（[e（k）]與[ec（k）]）、輸出變量初值（[Kp0]、[Ki0]、[Kd0]）以及輸出偏差（[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]）；

2）然后根據(jù)需要確定輸入變量（[e（k）]與[ec（k）]）、輸出變量（[Kp]、[Ki]、[Kd]）以及輸出偏差（[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]）的變化范圍，根據(jù)確定的變化范圍確定量化因子及比例因子等參數(shù)；

3）劃分模糊子集并確定相應(yīng)子集的語言變量，然后為各語言變量選擇隸屬度函數(shù)，最后統(tǒng)計模糊子集的個數(shù)；

4）根據(jù)劃分的模糊子集，設(shè)計出相應(yīng)的模糊控制器控制規(guī)則，首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作，接著僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周，根據(jù)規(guī)則調(diào)整表修改PID控制器參數(shù)，直至控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)性能達到最佳；

5）根據(jù)⑵確定的變量范圍、⑶確定的模糊子集和⑷設(shè)計出相應(yīng)的模糊控制器控制規(guī)則求出模糊控制器的輸出，用“ if then ”形式的條件語句來描述模糊控制表；

6）把迭代得到的[e（k）]與[ec（k）]經(jīng)過⑵及⑶步驟運算后，結(jié)合⑸中設(shè)計的模糊控制表，得出新的[Kp]、[Ki]、[Kd]，再經(jīng)過公式（1）的PID控制器的控制算式、計算輸出信息的模糊決策。

2 平板硫化機溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 平板硫化機溫度控制系統(tǒng)硬件

設(shè)計的平板硫化機溫度控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖 2 所示， 該系統(tǒng)主要由溫度控制、溫度采樣、人機幾口和控制輸出四部分組成。

1）溫度控制：溫度控制硬件設(shè)計難點在于MCU 的選擇，綜合考慮軟件程序的容量及接口電路，選擇結(jié)構(gòu)緊湊、擴展性良好、指令功能強大、價格低廉的西門子PLC S7-400為控制核心，S7-400 PLC包含各種可選擇的擴展模塊，方便進行各種規(guī)?？刂破鞯臄U展，且該PLC具有強大的模擬信號處理能力和數(shù)字信號運算功能，此外，該PLC具有運行速度高，存儲器容量大，自診斷功能強，I/O 擴展功能強，安全性能高，網(wǎng)絡(luò)功能完備，通信能力極強，集成的 HMI 服務(wù)等特點，特別適合處理非線性控制。

2）溫度采樣：溫度采樣是整個系統(tǒng)溫度控制的關(guān)鍵，關(guān)系硫化效果的好壞，通過測溫電橋和高精度放大電路構(gòu)成溫度檢測電路，完成對平板硫化機溫度的測量；測溫元件選用Pt100鉑電阻，其測溫范圍為-200～+800℃，測量精確度高（等級為A級，偏差為±（0.15+0.002|t|）），此外，該鉑電阻還具有機械強度高，抗振性能好，性能可靠穩(wěn)定，耐壓性能好等特點，鉑電阻采用三線制開爾文接法，以消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響；

3）控制輸出：采用杰頓科技公司的JS3001可控硅電壓調(diào)整器作為輸出觸發(fā)電路，其采用調(diào)壓移相和過零周波調(diào)功一體化技術(shù)，可實現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率等閉環(huán)控制、雙閉環(huán)三相整流直流電源、電解電源、電鍍電源；

4）人機接口界面：主要由觸摸屏組成，通過觸摸屏可以進行溫度控制相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，如設(shè)置溫度值、D值、 I值、P值等。

2.2 溫度控制部分基本控制原理

1）利用pt100鉑電阻（選用A級鉑電阻，精度為.02級）的阻值隨物質(zhì)溫度的變化而發(fā)生變化的特性，把它作為溫度傳感器，將測得的溫度信號通過鉑電阻轉(zhuǎn)換為電流信號，為了將從現(xiàn)場采集到的疊加有噪聲的數(shù)據(jù)濾波，采用數(shù)字濾波的方法；

2）PLC的AI輸入模塊將轉(zhuǎn)換的電流信號輸入到PLC控制器，當阻值變化時，溫度顯示器顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值；

3）溫度電流信號在控制器中首先與操作器中的溫度設(shè)定進行比較，傳遞到由模糊控制策略模塊，模糊控制策略模塊根據(jù)比較結(jié)果和設(shè)定的調(diào)節(jié)控制策略對其進行調(diào)節(jié)，通過AO輸出模塊輸出4-20mA電流，送給可控硅電壓調(diào)整器，可控硅電壓調(diào)整器隨著4-20mA電流的變化，自動改變輸出脈沖的寬度，來控制可控硅輸出電壓的高低，自動控制平板硫化機的溫度；

4）當溫度顯示值遠低于設(shè)定值時，PLC輸出20mA 電流，控制可控硅電壓調(diào)整器輸出，使可控硅導(dǎo)通，加熱器加熱。當溫度顯示值高于設(shè)定值時，PLC輸出0mA電流， 可控硅電壓調(diào)整器無觸發(fā)脈沖輸出，使加熱器不加熱；當溫度顯示值接近設(shè)定值時，PLC輸出電流按P、I、D規(guī)律變化，達到平板硫化機的溫度與需要的功率基本相匹配，形成一條波動很小的較平滑的升溫曲線，確保本控制具有良好的控制精度和調(diào)節(jié)特性；同時，系統(tǒng)給出溫度調(diào)節(jié)的動態(tài)顯示并輸出，使得PLC控制器與PLC操作器協(xié)調(diào)工作；

5）PLC的AO輸出模塊將調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（4-20mA）輸出到可控硅調(diào)壓器中，可控硅調(diào)壓器將模擬信號通過電流表控制平板中的6根加熱棒溫度，以調(diào)節(jié)溫度達到合理狀態(tài)，實現(xiàn)對平板硫化機溫度的閉環(huán)控制。

3 平板硫化機溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制軟件實現(xiàn)對平板硫化機的硫化溫度進行監(jiān)控及調(diào)節(jié)，采用 STEP 7 Basis V5.3 對 S7-400 PLC 硬件進行組態(tài)，在 STEP 7 中建立程序項目文件和對硬件進行組態(tài)，軟件設(shè)計包含了溫度采集、數(shù)據(jù)濾波、AD變換、模糊自適應(yīng) PID控制、DA變換以及 調(diào)制PWM 波形輸出等，控制流程圖如圖3所示：

系統(tǒng)首先從測量平板硫化機溫度值，由于溫度變送器送出的是4-20mA的標準電流信號，信號采集模塊將采集到的電流轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號過后，再通過一系列的數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，使得采集到的數(shù)據(jù)變成標準的溫度數(shù)據(jù)信號，方便識別；同時采集到的數(shù)值也需要轉(zhuǎn)化成PLC的PID運算要求的標準數(shù)據(jù)類型；接著將該標準數(shù)據(jù)輸入模糊自適應(yīng) PID控制器，經(jīng)過迭代運算得出自適應(yīng)控制值，然后以PWM波形占空比方式輸出控制可控硅的導(dǎo)通，從而控制溫度，占空比為[α=TsTk]， [Tk]是控制周期，[Ts]是導(dǎo)通時間，[Tk]是通過程序設(shè)定，[α]大小取決于偏差e的大小。模糊控制的程序流程為：

IF [T>0.98Tg] then [α=α1]；//若溫度大于給定值的0.98倍，則占空比為[α1]；

IF [0.96Tg

IF [0.94Tg

IF [0.92Tg

IF [0.90Tg

………….

根據(jù)這些控制語句，可編制系統(tǒng)的軟件。

4 結(jié)束語

溫度控制系統(tǒng)是平板硫化機的重要組成部分，但傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)基于常規(guī)PID算法，無法實現(xiàn)對溫度的精確控制；基于此，設(shè)計了基于模糊自適應(yīng)PID控制理論的平板硫化機溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)對硫化過程溫度的精確控制，與傳統(tǒng)的平板硫化機溫度控制系統(tǒng)相比，控制模塊內(nèi)的微處理器硬件功能更加強大， 加大了存儲容量，改進了控制算法，增強了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，從而提高了硫化機的溫度控制精度，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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