徐秀英

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

模糊比例積分微分（PID）控制通過(guò)控制經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)的專家背景知識(shí)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)智能溫控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)，既不依賴控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，還具備PID控制良好的穩(wěn)態(tài)精度［1-3］，達(dá)到超調(diào)量小、調(diào)節(jié)周期短、穩(wěn)定性高的目的，溫度偏差絕對(duì)值變化小，溫度波動(dòng)范圍縮小。將模糊PID控制方法應(yīng)用在塑料擠出機(jī)溫度控制中，利用模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則輸入，可提高溫度控制精度。本文綜述了模糊PID控制技術(shù)研究進(jìn)展及在塑料擠出機(jī)溫度控制中的應(yīng)用。

1 模糊PID控制技術(shù)研究進(jìn)展

模糊控制利用模糊邏輯并根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)PID參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化?？刂破鞣譃閮蓚€(gè)部分，PID控制器和模糊控制器，見圖1，由設(shè)定目標(biāo)值和實(shí)際測(cè)量值可以得到控制量的誤差（E），再由E得到誤差變化率（Ec），將Ec輸送到模糊控制器中，模糊控制器利用模糊規(guī)則表對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而獲得最佳的PID控制參數(shù)。PID控制通過(guò)找出PID的三個(gè)參數(shù)和E以及Ec之間的模糊關(guān)系不斷檢測(cè)其之間的變化，根據(jù)事先制定好的模糊控制規(guī)則進(jìn)行在線調(diào)整，滿足不同E和Ec對(duì)參數(shù)的不同控制要求。模糊PID技術(shù)被大量應(yīng)用在各領(lǐng)域［4-12］，在焦?fàn)t溫度控制、烤煙房、包裝機(jī)熱封、水泥生產(chǎn)、火電廠、電梯、中央空調(diào)、油鉆機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、無(wú)人機(jī)、汽車技術(shù)、軌道交通、制漿造紙、冷軋板生產(chǎn)等均有應(yīng)用。

圖1 模糊控制技術(shù)原理示意Fig.1 Technical principle of fuzzy control

為了能夠消除傳統(tǒng)PID控制存在的穩(wěn)態(tài)誤差，陳曉磊等［13-15］利用模糊控制與PID控制互補(bǔ)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊-PID復(fù)合控制器。該方法利用了模糊控制提高升溫速率和PID控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差的功能，在溫度偏差較大時(shí)采用模糊控制保證升溫速率，當(dāng)溫度接近設(shè)定值時(shí)，采用PID控制避免超調(diào)過(guò)高或者穩(wěn)態(tài)誤差過(guò)大。與常規(guī)PID控制相比，模糊PID控制具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，升溫快，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。特別是大量應(yīng)用在塑料擠出機(jī)的溫度控制上，較好地起到了提升產(chǎn)品質(zhì)量的作用。在塑料擠出機(jī)中，不僅需要對(duì)擠出時(shí)間進(jìn)行精確控制，還需要在操作參數(shù)改變時(shí)，常規(guī)PID無(wú)法達(dá)到這些控制精度要求，必須借助于模糊PID控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。王子劍等［16］提出了基于模糊控制的螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 以螺桿擠出機(jī)溫控系統(tǒng)的擾動(dòng)多、非線性、時(shí)變以及大滯后的特性，研究得到了智能化的控制算法，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法充分預(yù)料的情況，這種溫度控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮重要的作用。使用ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控的遠(yuǎn)程操作，提升檢測(cè)效率和水平。對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線溫度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)CC2430型射頻主控芯片的外圍電路、溫度傳感電路以及溫度控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明，使用常規(guī)PID控制器，在階躍信號(hào)和脈沖干擾信號(hào)作用下，系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間不能夠滿足螺桿擠出機(jī)溫度控制的要求。與常規(guī)PID控制器相比，使用模糊PID控制器的超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間明顯增強(qiáng)。以聚酰胺6/CaCl2復(fù)合材料擠出為例，分別使用常規(guī)PID控制算法和模糊控制算法進(jìn)行對(duì)比分析，研究溫度控制精度對(duì)產(chǎn)品成型質(zhì)量的影響。與常規(guī)PID控制算法相比，在模糊控制算法下，三種產(chǎn)品（溫度設(shè)置分別為240，260，280 ℃）的缺口沖擊強(qiáng)度合格率、彎曲應(yīng)力合格率、斷裂伸長(zhǎng)率合格率、拉伸強(qiáng)度合格率分別提高了6.87%，8.67%，9.33%，8.77%。

李森［17］針對(duì)雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)通常存在大擾動(dòng)、非線性以及滯后性等特點(diǎn)，提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的溫度控制方法，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法充分預(yù)估的情況，該控制方法能夠根據(jù)具體情況對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。首先，介紹了雙螺桿擠出機(jī)溫度采集與控制系統(tǒng)組成，將模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，利用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)整。然后，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制與常規(guī)PID和模糊PID控制進(jìn)行仿真對(duì)比，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制對(duì)螺桿機(jī)溫度控制效果更佳，采用該控制方法可以極大提高產(chǎn)品合格率。

模糊PID技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到飛速發(fā)展，最早應(yīng)用于日本的地鐵控制系統(tǒng)預(yù)測(cè)。美國(guó)將模糊PID控制引向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且應(yīng)用在航天控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)廣泛應(yīng)用于模糊PID技術(shù)，張凌云［18］在塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器采用的是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制器的輸入為溫度偏差和溫度偏差變化，經(jīng)過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別后輸出為一個(gè)控制量，控制量經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到需要提升的溫度，輸入給料筒加熱系統(tǒng)控制器，完成對(duì)料筒溫度的控制，在一定的采樣周期內(nèi)通過(guò)溫度傳感器不斷采集料筒的當(dāng)前溫度，然后與加熱塑料所需的目標(biāo)溫度對(duì)比后再次經(jīng)過(guò)已經(jīng)訓(xùn)練好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，重新調(diào)整控制參數(shù)，直到達(dá)到預(yù)定的加熱溫度。蔣正炎［19］以常用的電容傳感器測(cè)量塑料薄膜厚度為例，介紹了薄膜厚度測(cè)量的工作原理，建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型，并對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的工作流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用 Matlab仿真軟件對(duì)比了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和常規(guī)PID算法的輸出曲線，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的可行性與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法的優(yōu)越性。雷瑩［20］設(shè)計(jì)了一種基于徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)吹膜機(jī)塑料薄膜張力控制方法。結(jié)果表明：RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的張力控制方法能夠適應(yīng)參數(shù)多變的復(fù)雜系統(tǒng)，塑料薄膜收卷張力更加穩(wěn)定，提升了薄膜質(zhì)量和生產(chǎn)效率。王楠［21］提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的厚度智能控制方法，將常規(guī)PID控制、模糊控制理論以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID參數(shù)的自適應(yīng)在線調(diào)整，以提高薄膜厚度控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。結(jié)果表明：基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的塑料薄膜厚度控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有一定的抗干擾能力。

2 模糊PID控制技術(shù)在塑料擠出機(jī)溫度控制中的應(yīng)用

塑料擠出機(jī)是利用塑料的物理特性，將物料加熱成熔融狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)模具成型冷卻最終加工成具有一定形狀的塑料制品。擠出機(jī)控制系統(tǒng)要求穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)。擠出機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要由觸摸屏、接觸器、變壓器、熱電偶溫度傳感器、行程開關(guān)、按鈕開關(guān)等組成［1-4］。塑料擠出機(jī)主要由下料斗、加熱料筒、螺桿以及擠出機(jī)頭等組成。擠出機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，塑料顆粒在螺桿的帶動(dòng)下將物料從下料斗傳送到加熱料筒中，將塑料顆粒融化成流體狀態(tài)。料筒內(nèi)部通常有多個(gè)加熱溫度區(qū)域，各加熱區(qū)域設(shè)定不同的溫度。擠出機(jī)主螺桿啟動(dòng)后，螺桿在設(shè)定轉(zhuǎn)速下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)對(duì)料筒內(nèi)部的物料進(jìn)行攪拌、剪切、塑化，并不斷向前運(yùn)動(dòng)，最后通過(guò)擠出機(jī)的機(jī)頭擠出并通過(guò)口模成型輸出成品。塑料擠出機(jī)在工作過(guò)程中，首先需要對(duì)料筒進(jìn)行加熱，當(dāng)筒體溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，依次啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵、冷卻泵、主電機(jī)、加料等設(shè)備。溫度對(duì)塑料性質(zhì)影響很大，影響塑料的熔融狀態(tài)和擠出狀態(tài)，對(duì)成品質(zhì)量影響很大，溫度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)氣泡或者結(jié)焦，因此溫度是塑料擠出機(jī)的關(guān)鍵工藝控制指標(biāo)。

閆兵等［8］提出了非線性PID控制方法。該方法將常規(guī)PID中的比例、積分、微分系數(shù)用非線性函數(shù)來(lái)表示，根據(jù)不同環(huán)節(jié)系統(tǒng)對(duì)系數(shù)的要求不同來(lái)改變函數(shù)的因子。對(duì)于給定輸入和反饋輸入通道加入跟蹤微分器，平滑輸入信號(hào)，并對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波。結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制相比，該控制方法可消除超調(diào)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。模糊控制是智能控制的分支，余鵬程［22］發(fā)現(xiàn)，在塑料擠出的生產(chǎn)過(guò)程中，擠出溫度控制效果會(huì)影響擠出制品的質(zhì)量，提出一種分段引入積分環(huán)節(jié)的模糊PID控制方法，能夠有效解決常規(guī)PID控制器和簡(jiǎn)單的模糊控制器在塑料擠出機(jī)溫度控制過(guò)程中存在的弊端問(wèn)題。在研究隸屬函數(shù)和論域之間的管制后，結(jié)合論域分層的控制思想，設(shè)計(jì)了具有等比間距隸屬函數(shù)的模糊控制器。該模糊控制器是對(duì)常規(guī)模糊控制器的一種改進(jìn)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該模糊控制器具有一定的可行性和有效性，較常規(guī)PID控制器更智能化，對(duì)擠出機(jī)的溫度控制更精準(zhǔn)，波動(dòng)幅度小，成品質(zhì)量更穩(wěn)定。

司志澤等［23］通過(guò)分析銅鋁電線電纜生產(chǎn)中塑料擠出機(jī)溫度控制的重要性，提出電磁加熱來(lái)替代電阻絲加熱的方法，對(duì)比了電磁加熱與電阻絲加熱的優(yōu)缺點(diǎn)，提出電磁加熱的具體結(jié)構(gòu)制造。在溫度控制器的設(shè)計(jì)中提出了采用模糊PID控制來(lái)替代常規(guī)PID控制，通過(guò)仿真分析，得出模糊PID控制的速度及魯棒性極大提高。

張永勝［24］設(shè)計(jì)了一種基于可編程控制器（PLC）和觸摸屏相結(jié)合的塑料擠出機(jī)溫度智能控制系統(tǒng)。研究了塑料的溫度特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的硬件系統(tǒng)，采用熱電偶傳感器采集溫度信號(hào)并經(jīng)過(guò)變送器將信號(hào)傳送到控制器中，采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制的閉環(huán)自適應(yīng)控制。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)可將溫度誤差控制在±1.5 ℃；該控制系統(tǒng)可以有效地提高系統(tǒng)溫度控制精度，對(duì)于提高塑料制品質(zhì)量具有重要作用。

劉丹［25］介紹了塑料擠出機(jī)基本組成結(jié)構(gòu)和PID控制器溫度控制原理，該系統(tǒng)采用分段溫控方式，將增量式PID控制算法與智能控制結(jié)合，提出一種模糊自適應(yīng)PID控制方法，該方法能夠提高PID參數(shù)自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。分別對(duì)塑料擠出機(jī)溫控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種更具開放性、智能性的溫控系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)類似專家系統(tǒng)能夠根據(jù)被控操作參數(shù)及外界環(huán)境中讀入的信息進(jìn)行選擇、存儲(chǔ)和智慧學(xué)習(xí)，不斷循環(huán)使控制系統(tǒng)的功能更完善，對(duì)被控目標(biāo)及外界環(huán)境條件有更強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)可以參考控制目標(biāo)要求進(jìn)行專家系統(tǒng)組織和決策，具有更靈活的兼容性、魯棒性。

黃紅兵［26］］以塑料擠出機(jī)料筒溫度控制系統(tǒng)為核心研究?jī)?nèi)容，在分析系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)擠出機(jī)溫度控制算法進(jìn)行研究。同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)控制算法在擠出機(jī)上的應(yīng)用，提高料筒溫度的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。分析了塑料擠出機(jī)工藝流程和工作原理，設(shè)計(jì)了擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)總體方案。采用階躍響應(yīng)曲線辨識(shí)法獲取系統(tǒng)模型參數(shù)，建立料筒溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。利用Matlab/Simulink軟件對(duì)常規(guī)PID控制方法與模糊PID控制策略進(jìn)行仿真，針對(duì)常規(guī)PID控制參數(shù)難以整定、超調(diào)量過(guò)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了模糊PID仿真模型，通過(guò)仿真分析看出，模糊PID控制方法控制精度更高，且在系統(tǒng)存在擾動(dòng)的情況下具備一定的抗干擾能力。

張還［27］開發(fā)了一種基于可編程控制器S7-300和CD 901型智能溫控表組成的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)，介紹了該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件配置。利用CP340通信模塊，S7-300 PLC可與智能溫控表進(jìn)行雙向、高速的串行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)其讀寫控制。PLC作為控制核心，通過(guò)擴(kuò)展通信模塊與智能溫度控制表進(jìn)行RS-485串行通信。

3 結(jié)語(yǔ)

模糊PID控制技術(shù)利用模糊邏輯并根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)PID參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化。根據(jù)事先制定好的模糊控制規(guī)則來(lái)進(jìn)行在線調(diào)整，滿足不同E和Ec對(duì)參數(shù)的不同控制要求。模糊PID被大量應(yīng)用在各領(lǐng)域，特別是大量應(yīng)用在塑料擠出機(jī)的溫度控制上。使用模糊PID控制技術(shù)對(duì)常規(guī)控制器進(jìn)行改進(jìn)，與常規(guī)的PID控制技術(shù)相比，能夠較好地模擬專家系統(tǒng)，更智能化，對(duì)擠出機(jī)的溫度控制更精準(zhǔn)，波動(dòng)幅度更小，成品質(zhì)量更穩(wěn)定。