CN104460764A - 一种基于去伪控制的模糊pid的挤出机机筒温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，用于对挤出机机筒进行温度控制，包括：采集挤出机机筒的温度，将获取到的温度经微分处理后输入模糊推理控制器，模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理，输出模糊推理后的结果；将模糊推理的结果直接输入去伪控制器，经去伪控制器处理后得到PID控制器参数Kp、Ki、Kd；PID控制器通过去伪控制器输出与实际输入得到最终的控制变量u，用于对挤出机机筒进行温度控制。采用本方法对挤出机机筒进行温度控制，在具备可靠性和快速性的同时，又具有高鲁棒性和强适应性，并能消除传统温控方法存在的温度控制不确定时滞，从而确保挤出机机筒具有良好的动、静态特性，保证精确控温。

Description

一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法

技术领域

本发明涉及自动化设计技术领域，尤其涉及一种基于模糊去伪控制的挤出机温度控制方法。

背景技术

温度控制在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位，是工农业生产及生活中较为常见和基本的工艺参数之一。塑料是一种高分子合成材料，是现代社会经济发展的基础材料之一，其广泛应用在农业、工业、能源、交通运输等经济领域,和钢铁、木材、水泥并称为材料领域的四大支柱。

在塑料挤出行业，挤出机机筒的温度控制效果关系到挤出塑料薄膜的质量和品质。传统挤出机的温度控制采用开关控制法，即通过硬件电路和软件计算对当前温度进行判断，进而对机筒表面的加热装置进行通断控制，达到控制温度的效果。但是由于挤出机加热功率大、温度超调量大、鲁棒性差，采用此种温度控制方式往往无法很好克服温度变化的滞后性，控制精度低，控制效果不理想，完全不能满足高精度控温要求。

传统的PID控制器是工业生产过程中应用最广泛、最基本的一种控制器，其具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点。但是PID方法在处理非线性系统时有其固有的缺陷，在有精确模型时才是最有效的。当PID控制器在处理非线性、时不变甚至在被控对象模型不确定时很难实现有效的控制。

上述传统塑料挤出机机筒温度控制系统普遍存在的收敛时间长、超调量大，温度控制精度低的现象的不足。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，采用本方法对挤出机机筒进行温度控制，在具备可靠性和快速性的同时，又具有高鲁棒性和强适应性，并能消除传统温控方法存在的温度控制不确定时滞，从而确保挤出机机筒具有良好的动、静态特性，保证精确控温。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，用于对挤出机机筒进行温度控制，包括以下步骤：

S1.采集挤出机机筒的温度，将获取到的温度经微分处理后输入模糊推理控制器，模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理，输出模糊推理后的结果；

S2.将模糊推理的结果直接输入去伪控制器，经去伪控制器的处理后得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd；

S3.PID控制器通过去伪控制器的输出与实际输入得到最终的控制变量u，用于对挤出机机筒进行温度控制。

进一步的，所述挤出机机筒等距分为6-8个温区，分别使用6-8个热电偶采集各区温度，并对各区机筒进行分段加热、分段控温。

进一步的，所述步骤S1中模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理的具体过程为：对输入量偏差e和偏差变化率ec进行模糊化，该模糊控制输入变量偏差e和偏差变化率ec，输出初始变量Kp、Ki、Kd；对输出初始变量进行去模糊化并存储；

上述输入输出变量的隶属函数采用三角函数形式，模糊控制的规则是电磁加热器温度控制过程中的经验获取。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，采用本方法对挤出机机筒进行温度控制，在具备可靠性和快速性的同时，又具有高鲁棒性和强适应性，并能消除传统温控方法存在的温度控制不确定时滞，从而确保挤出机机筒具有良好的动、静态特性，保证精确控温。

附图说明

图1是EXC1450/90-B生产工艺流程图。

图2是电磁加热的挤出机机筒结构图。

图3是本发明提出方法实现的总框图。

图4是本发明提出方法中模糊控制器的框图。

图5是输入变量的隶属函数图。

图6是输出变量的隶属函数图。

图7是本发明提出方法中去伪控制器的流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例的控制方法用于高性能的EXC1450/90-B生产线上，EXC1450/90-B生产线具体如图1所示，包括放卷部1、涂胶部2、第一电晕机3、烘箱部4、挤出机5、复合部6、第二电晕机7、副放卷8、切边整理9、接膜部10和收卷部11。其中挤出机5的机筒是采取高效节能的电磁加热方式，即通过三相半桥电磁感应加热驱动器产生频率为20KHZ左右的高频交流电，从而根据法拉第电磁感应定律产生变化的磁场，随后高频交变的磁场产生涡流来使机筒自内向外快速发热，而机筒表面保温棉可以将90％的能量保留在机筒上，热量利用充分，基本无散失，节电效果显著。挤出机5的机筒的加热方式克服了传统挤出机机筒常采取电阻加热方式，接触式热传递方式电热转换效率低，而加热圈外壁的热量大部分散失到空气中，造成热效率下降，环境温度上升的问题。

本实施例的生产线中的挤出机5的机筒的具体方式是：机筒等距分为六个温区，分别使用六个热电偶采集各区温度，分段加热、分段控温，提高控制精度，如图2所示。

本实施例提供了一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，用于对上述挤出机5的机筒进行温度控制，其目的是解决了传统PID控制器不能在线调整K_p、K_i、K_d，在非线性条件下有效性变差的问题。

本实施例提供温度控制方法可以在无被控对象精确数学模型的情况下快速、准确地确定PID参数并进行精确控制。该方法是基于数据驱动的，即只需得到输入数据即可对对象进行控制。

本方法包含三个过程，a、输入温度经微分处理后输入模糊推理控制器，模糊推理控制器通过输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理，输出模糊推理后的结果；b、模糊推理的结果直接输入去伪控制器，经去伪控制器的处理后得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd；c、PID控制器通过去伪控制器的输出与实际输入得到最终的控制变量u。具体实现框图如图3所示。

本实施例的基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，所述模糊去伪控制PID控制器的设计方法包括以下步骤：

a、模糊控制器处理，详细框图如图4所示。

对输入量偏差e和偏差变化率ec进行模糊化。

整个系统的模糊控制采取“二入三出”，其中偏差e和偏差变化率ec的论域取{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；输出变量Kp、Ki、Kd的论域取{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}；

所有输入输出变量的隶属函数全部采取三角函数形式。如图5、图6所示。

根据电磁加热器温度的控制过程中经验，得出控制规则。

选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调。Kp、Ki、Kd的模糊规则表如表1、2、3所示。

表1Kp的模糊规则表

表2Ki的模糊规则表

表3Kd的模糊规则表

输出变量的解模糊化。

若输出变量的去模糊化采取偏差e和偏差变化率ec在线计算的方法，则会消耗过多的CPU资源，所以这里选用“查表法”：将离线计算的输出变量模糊控制表存放在PLC数据块中，系统运行时，通过在线检测偏差e和偏差变化率ec，查表求得PID参数，并将其输出至PID中断程序所对应的数据表中，经过PID运算后输出控制量，实现动态的温度调节。

b、去伪控制器处理，详细框图如图6所示。

1)采集相关参数并对其进行初始化；

2)确定PID控制器集合K；

3)通过测量数据u(t)和y(t)，可确定每个控制器K_i的唯一虚拟参考信号r_i：

$r_i=y+\frac{s}{{\mathrm{sk}}_{\mathrm{pi}}+k_{\mathrm{li}}}(u+\frac{{\mathrm{sk}}_{\mathrm{Di}}}{\mathrm{\ϵs}+1}y)$

计算性能指标J(i,k t)，i＝1，2，…，N。

在任意时刻t，系统性能指标和三维数组集合(r,y,u)组成满足下式的积分性能不等式

J≤-ρ+T_spec(r_i(t)，y(t)，u(t))

$\∀t\∈[0,\mathrm{\τ}]$

根据系统的实际情况，设定的性能指标为

T_spec(r_i(t)，y(t)，u(t))＝|ω₁*(y-r)|+|ω₂*u|-|r|²-ρ²

要确定一个控制器是“非伪”的充分必要条件是：

$\begin{array}{cc}J(i,t)\≤0,& \∀t\∈[0,\mathrm{\τ}]\end{array}$

对所有的J_i≤0，J_i最小的那组控制器为最优控制器，使此控制器作用于回路中。

本发明的温控方法包括输入模糊化、模糊规则推理、解模糊、去伪控制等几个重要组成部分。根据输入和反馈信号，得到实际温度和目标温度之间的偏差及偏差变化率，并将之模糊化；经过模糊推理机借助模糊经验进行计算分析，最后通过去伪控制输出控制信号。可以有效地控制挤出机机筒的温度，保证挤出质量。

本实施提供基于西门子S7-300型PLC的温度控制系统，结合电源电路、输入采集电路、显示电路、按键电路、加热输出电路、报警输出电路等数字仪表等。该实施例在某公司的加热挤出机上进行实施，其加加热区有六段加热区域，主要包括PLC控制器、人机界面、AD转换模块、温度传感器、变频器和感应加热线圈。其中温度传感器(热电偶)采集机筒温度，经过AD模块进行模数转换后，数字量进入PLC控制器，PLC控制器中执行本实施例的控制算法，再通过DO模块输出PWM脉冲信号，从而控制变频器的开关，达到闭环控温的效果。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，用于对挤出机机筒进行温度控制，其特征在于，包括以下步骤：

S1.采集挤出机机筒的温度，将获取到的温度经微分处理后输入模糊推理控制器，模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理，输出模糊推理后的结果；

S2.将模糊推理的结果直接输入去伪控制器，经去伪控制器的处理后得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd；

S3.PID控制器通过去伪控制器的输出与实际输入得到最终的控制变量u，用于对挤出机机筒进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，其特征在于，所述挤出机机筒等距分为6-8个温区，分别使用6-8个热电偶采集各区温度，并对各区机筒进行分段加热、分段控温。

3.根据权利要求2所述的基于去伪控制的模糊PID的挤出机机筒温度控制方法，其特征在于，所述步骤S1中模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理的具体过程为：对输入量偏差e和偏差变化率ec进行模糊化，该模糊控制输入变量偏差e和偏差变化率ec，输出初始变量Kp、Ki、Kd；对输出初始变量进行解模糊化并存储；

上述输入输出变量的隶属函数采用三角函数形式，模糊控制的规则是电磁加热器温度控制过程中的经验获取。