CN102129221A

CN102129221A - 一种基于模糊控制的塑料挤出装置温度控制专用pid方法

Info

Publication number: CN102129221A
Application number: CN2010100341436A
Authority: CN
Inventors: 孙磊; 刘岩; 周建波; 王秉鉴; 鲍治坤
Original assignee: Danaher Setra ICG Tianjin Co Ltd
Current assignee: Danaher Setra ICG Tianjin Co Ltd
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明提供一种基于模糊控制的塑料挤出装置温度控制专用PID方法，在借鉴传统PID控制，引进模糊规则的算法和实现方式，包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。根据参考输入和反馈信号，计算实际温度和理论温度之间的偏差以及当前的偏差变化速度，在模糊推理器中借助模糊经验进行模糊推理，模糊化借助于输入模糊集合的隶属函数转变输入值为隶属度，模糊推理器输出PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，把它们作为当前控制器的参考进行PID控制。通过对塑料挤出机加热和水冷却过程模糊规则的调用，可以有效控制冷却过程中的水汽化冷却产生的非线性作用效果，使整个主机温度控制达到挤出温度的要求，稳定塑料挤出量，提高产品质量。

Description

一种基于模糊控制的塑料挤出装置温度控制专用PID方法

技术领域

本发明涉及工业控制领域中温度控制过程中应用功能研究，在借鉴传统PID控制，引进模糊规则的算法和实现方式，通过对塑料挤出机加热和水冷却过程模糊规则的调用，有效控制冷却过程中的水汽化冷却产生的非线性作用效果，使整个主机温度控制达到挤出温度的要求，稳定塑料挤出量，提高产品质量。

背景技术

工业控制领域中温度控制应用的场合很多，通常说来过程中温度控制主要包括加热装置、冷却装置、检测装置、控制单元和控制对象等，如图1所示闭环温度控制原理示意图，首先检测装置检测控制对象的实际温度，控制单元比较控制对象的实际温度和设定温度的差值，通过PID或模糊等理论计算需要输出的加热或制冷功率大小，由加热装置或冷却装置动作在控制对象上，在图1构成的闭环控制回路上实现如图2所示的温度控制过程。

塑料挤出机是异型挤出生产和铝塑复合管生产的关键设备，塑料挤出主要是利用塑料的可塑性，使塑料在机筒内通过加热和螺杆的作用，经过破碎、融熔、塑化、排气、压实过程，最后成型、冷却定型。按照物料的不同反应，塑料挤出过程分为三个阶段：塑化阶段、成型阶段、定型阶段。螺杆挤出机是塑料成型加工最主要的设备之一，它通过外部动力传递和外部加热元件的传热进行塑料的固体输送、压实、熔融、剪切混炼挤出成型，螺杆的旋转产生剪切力使塑料破碎；螺杆的转动产生推动力使破碎的塑料连续前进并因此产生挤出压力。从螺杆的分类来说，分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机，其中应用最多的是双螺杆挤出机，图3所示为双螺杆挤出机，包括料斗、机筒、螺杆、机头、和模具。

料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料斗的侧面装有视孔和标定计量装置。机筒是一金属圆筒，一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料。螺杆是挤塑机的最主要部件，它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率，由高强度耐腐蚀的合金钢制成。机头由合金钢内套和碳素钢外套构成，机头内装有成型模具，机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，均匀平稳的导入模具中，并赋予塑料以必要的成型压力。

PID控制问世至今已有60多年的历史，采用PID(比例-积分-微分)控制设计的温度控制器可以消除惯性温度误差，PID控制是根据系统的误差利用比例-积分-微分计算出控制量，由于传统的PID控制算法，其运算简单、调整方便、鲁棒性强，得到非常广泛的应用。为了求取PID控制过程中的比例参数P、积分参数D、微分参数I，在控制过程中通过给定加热或制冷控制，根据温度的变化，求取系统设定温度时的PID控制过程参数，图4所示PID控制原理。

采用微处理器设计的温度控制器，需要采用数字PID算法，根据PID基本控制公式如下

u (t) = K_{p} [e (t) + \frac{1}{T_{I}} {&Integral;}_{0}^{t} e (τ) dτ + T_{D} \frac{d (e (t)}{dt}]

式中KP--比例放大系数；TI--积分时间；TD--微分时间。

用矩形积分时，有

\frac{1}{T_{I}} {&Integral;}_{0}^{t} e (τ) dτ = \frac{T_{s}}{T_{i}} Σ_{j = 0}^{k} e (j)

用差分代替微分

T_{d} \frac{de (t)}{dt} = \frac{T_{D}}{T_{S}} [e (k) - e (k - 1)]

代入PID基本控制公式可得

u (k) = K_{p} + [e (k) + \frac{T_{S}}{T_{I}} Σ_{j = 0}^{k} e (j) + \frac{T_{D}}{T_{S}} (e (k) - e (k - 1))] + u_{0}

为方便程序设计上式即为：

u (k) = K_{p} e (k) + K_{I} Σ_{j = 0}^{k} e (j) + K_{D} [e (k) - e (k - 1)] + u_{0}

式中u0--控制量的基值，即k＝0时的控制；u(k)--第k个采样时刻的控制；KP--比例放大系数；KI--积分放大系数；KD--微分放大系数；TS--采样周期。上式是数字PID算法的非递推形式，将系统偏差的全部过去值e(j)(j＝1，2，3，...，k)都存储起来。得出控制量的全量输出u(k)，是控制量的绝对数值。

对于塑料挤出机加热控制是一个线性过程，加热输入信号的大小只影响响应的幅值，而不会改变响应曲线的形状。由于塑料挤出机控制温度一般会在200℃左右，当水冷却时，液态水被瞬间汽化时带走大量的热量，随着水冷却输入信号的大小不同，响应曲线的幅值和形状会产生显著变化，从而使输出具有多种不同的形式。因此采用传统的PID温度控制器很难保证整个主机温度控制系统的波动稳定度达到各种塑料的挤出温度的要求，如图5所示的塑料挤出机加热和水冷却过程传统的PID温度控制曲线

发明内容

本发明的目的在于工业控制领域中温度控制过程中PID控制方法研究，提供一种基于模糊控制适用于塑料挤出装置的专用PID控制方法，采用该控制方法的温度控制器，可以有效控制的冷却，增加物料固体输送率，稳定出胶量，同时提高产品质量，使整个主机温度控制系统的波动稳定度达到各种塑料的挤出温度的要求。

本发明的数字温控仪表通过与加热装置、冷却装置、报警装置、检测装置连接实现对控制对象的控制如图6所示。其温控控制过程如下，首先检测装置检测控制对象的实际温度，控制单元比较控制对象的实际温度和设定温度的差值，通过模糊理论PID方法计算需要输出的加热或制冷功率大小，由加热装置或冷却装置动作在控制对象上，或者提供报警信号给报警装置实现闭环控制回路的温度控制过程如图7所示。

本发明在借鉴传统PID控制，引进模糊规则的算法和实现方式，包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分，模糊PID温度控制结构框图如图8所示。根据参考输入和反馈信号，计算实际温度和理论温度之间的偏差以及当前的偏差变化速度，在模糊推理器中借助模糊经验进行模糊推理，模糊推理器输出PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，把它们作为当前控制器的参考进行PID控制，由于每一次控制时控制器的参数都是根据具体控制情况进行实时修正的，因而能够做到控制作用的最优效果。

给出了模糊控制器的内部结构如图9所示，外部系统状态信息的输入，由模糊控制器对这些信息进行预处理，转换成模糊隶属函数的形式；模糊输入再经过规则估值，得到模糊输出，即规则强度，最后规则强度和隶属函数通过精确化的过程，给出精确的输出。

模糊化借助于输入模糊集合的隶属函数转变输入值为隶属度，即模糊化是根据模糊集合转变输入值为隶属度值的过程，针对塑料挤出冷却过程中的水汽化冷却产生的非线性作用设计如10所示不同温度范围的隶属度，根据模糊规则前提条件中的语言变量把输入值进行转变，每个隶属度值均与特定模糊集合相关。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是闭环温度控制原理示意图；

图2是闭环温度控制过程示意图；

图3是双螺杆挤出机模块图；

图4是传统PID控制原理；

图5是塑料挤出机加热和水冷却过程传统PID温度控制曲线；

图6是本发明的数字温控仪温度控制结构示意图；

图7是本发明的数字温控仪温度控制过程示意图；

图8是控制器P8160的模糊PID温度控制结构框图；

图9是模糊控制器的内部结构

图10是针对塑料挤出冷却过程中的水汽化冷却产生的非线性作用不同温度范围的隶属度

图11是本发明的数字温控仪表电路原理图；

图12是塑料挤出机加热和水冷却过程模糊PID温度控制曲线

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本实施例提供基于ATMEL公司的AT89C52RD2通用处理芯片设计的处理器电路，结合电源电路，输入采集电路，显示电路和按键电路，加热输出电路，制冷输出电路，报警输出电路等组成数字温控仪表如图11所示，并采用本发明模糊控制塑料挤出装置的专用PID控制方法。

通过对塑料挤出机加热和水冷却过程模糊规则的调用，可以有效控制冷却过程中的水汽化冷却产生的非线性作用效果，采用基于模糊控制塑料挤出装置的专用PID控制方法的温度控制器，如图12所示的塑料挤出机加热和水冷却过程模糊传统的PID温度控制曲线，可以看到升温过程平稳，解决了积分饱和问题，实现控制温度不过冲；当改变设定点温度，降温过程迅速，过冲较小，而且在再次到达设定点时间短，控制温度波动小，使整个主机温度控制达到挤出温度的要求，增加物料固体输送率，稳定塑料挤出量，同时提高产品质量。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于模糊控制的塑料挤出装置温度控制专用PID方法，其特征在于，该方法包括：

在借鉴传统PID控制，引进模糊规则的算法和实现方式，包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。根据参考输入和反馈信号，计算实际温度和理论温度之间的偏差以及当前的偏差变化速度，在模糊推理器中借助模糊经验进行模糊推理，模糊推理器输出PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，把它们作为当前控制器的参考进行PID控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：外部系统状态信息的输入，由模糊控制器对这些信息进行预处理，转换成模糊隶属函数的形式；模糊输入再经过规则估值，得到模糊输出，即规则强度，最后规则强度和隶属函数通过精确化的过程，给出精确的输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：模糊化借助于输入模糊集合的隶属函数转变输入值为隶属度，即模糊化是根据模糊集合转变输入值为隶属度值的过程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：针对塑料挤出冷却过程中的水汽化冷却产生的非线性作用设计不同温度范围的隶属度，根据模糊规则前提条件中的语言变量把输入值进行转变，每个隶属度；值均与特定模糊集合相关。