基于模糊自适应PID控制的平板硫化机温度控制系统

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于模糊自适应PID控制的平板硫化机温度控制系统范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：平板硫化机系统温度控制系统存在控制精度低，难以达到国家硫化标准等问题，提出了一种基于模糊自适应pid控制的平板硫化机温度控制系统，该系统以模糊自适应 PID 控制为理论基础，以PLC为控制平台，配以高性能的模块化外设，详细介绍了平板硫化机温度控制系统的硬件选型及软件设计。

关键词：平板硫化机；温度控制系统；模糊自适应PID 控制；可编程控制器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：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

硫化工艺是橡胶工业中最为关键的一个环节，平板硫化机是橡胶硫化的主要设备，橡胶硫化制品的质量很大程度取决于平板硫化机对硫化温度控制的精度；传统的平板硫化机通常采用简单且易实现的常规PID控制方法对温度进行控制，但常规PID控制方法难以处理复杂的非线性控制系统，而温度是一种惯性大、波动大、非线性的控制对象，这使得基于常规 PID算法的平板硫化机温度控制系统存在严重缺陷。模糊控制方法是一种基于模糊逻辑推理、模糊集合论以及模糊语言变量的计算机数字控制算法，使用该算法对时变的、非线性的、滞后的、高阶大惯性的对象进行控制，获得较好的控制效果；因此将模糊控制方法和自适应 PID 控制理论相结合，并将其应用到平板硫化机控制系统，对橡胶工业生产具有重大的现实意义。

1 模糊自适应 PID 控制技术

1.1 模糊自适应 PID 控制器结构

模糊控制器是模糊自适应 PID 控制算法的核心，模糊自适应 PID 控制系统的性能取决于该控制器的设计，图1是模糊自适应 PID 控制器。

该PID控制器的控制算式为：[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]分别为表征其比例，积分及微分作用的参数，[e（k）]与[ec（k）]分别为其输入变量偏差与偏差变化，[r（t）]与[y（t）]分别为给定输入输出；PID控制器实现对系统的控制，模糊推理系统以误差[e（k）]和误差变化率[ec（k）]作为输入，采用模糊推理方法对PID参数[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]进行在线整定，直到被控对象有良好的动、静态性能。每次在线整定后，分别采用下式计算模糊控制器的3个输出值[Kp]、[Ki]、[Kd]。

[Kp=Kp0+ΔKpKi=Ki0+ΔKiKd=Kd0+ΔKd] （2）

式中： [Kp0]、[Ki0]、[Kd0]为PID参数的初始设计值，由常规的PID控制器的参数整定方法设计，参数[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]为偏差，由下面的自整定原则确定：当偏差较大时，应取较大的[ΔKp]和较小的[ΔKi]与[ΔKd]值要小，通常取[ΔKi]=0；当偏差和变化率为中等大小的时候， [ΔKp]应取小一些， [ΔKd]应取小一些，而[ΔKi]的取值要适当；当偏差较小的时候，应增大[ΔKp]、[ΔKd]的值，应适当的选取[ΔKd]。

1.2 模糊 PID 控制器的设计步骤

1）首先设置模糊控制器的输入变量（[e（k）]与[ec（k）]）、输出变量初值（[Kp0]、[Ki0]、[Kd0]）以及输出偏差（[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]）；

2）然后根据需要确定输入变量（[e（k）]与[ec（k）]）、输出变量（[Kp]、[Ki]、[Kd]）以及输出偏差（[ΔKp]、[ΔKi]、[ΔKd]）的变化范围，根据确定的变化范围确定量化因子及比例因子等参数；

3）划分模糊子集并确定相应子集的语言变量，然后为各语言变量选择隶属度函数，最后统计模糊子集的个数；

4）根据划分的模糊子集，设计出相应的模糊控制器控制规则，首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作，接着仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周，根据规则调整表修改PID控制器参数，直至控制器的输出能够使系统输出响应的动静态性能达到最佳；

5）根据⑵确定的变量范围、⑶确定的模糊子集和⑷设计出相应的模糊控制器控制规则求出模糊控制器的输出，用“ if then ”形式的条件语句来描述模糊控制表；

6）把迭代得到的[e（k）]与[ec（k）]经过⑵及⑶步骤运算后，结合⑸中设计的模糊控制表，得出新的[Kp]、[Ki]、[Kd]，再经过公式（1）的PID控制器的控制算式、计算输出信息的模糊决策。

2 平板硫化机温度控制系统硬件设计

2.1 平板硫化机温度控制系统硬件

设计的平板硫化机温度控制系统的硬件框图如图 2 所示， 该系统主要由温度控制、温度采样、人机几口和控制输出四部分组成。

1）温度控制：温度控制硬件设计难点在于MCU 的选择，综合考虑软件程序的容量及接口电路，选择结构紧凑、扩展性良好、指令功能强大、价格低廉的西门子PLC S7-400为控制核心，S7-400 PLC包含各种可选择的扩展模块，方便进行各种规模控制器的扩展，且该PLC具有强大的模拟信号处理能力和数字信号运算功能，此外，该PLC具有运行速度高，存储器容量大，自诊断功能强，I/O 扩展功能强，安全性能高，网络功能完备，通信能力极强，集成的 HMI 服务等特点，特别适合处理非线性控制。

2）温度采样：温度采样是整个系统温度控制的关键，关系硫化效果的好坏，通过测温电桥和高精度放大电路构成温度检测电路，完成对平板硫化机温度的测量；测温元件选用Pt100铂电阻，其测温范围为-200～+800℃，测量精确度高（等级为A级，偏差为±（0.15+0.002|t|）），此外，该铂电阻还具有机械强度高，抗振性能好，性能可靠稳定，耐压性能好等特点，铂电阻采用三线制开尔文接法，以消除连接导线电阻变化的影响；

3）控制输出：采用杰顿科技公司的JS3001可控硅电压调整器作为输出触发电路，其采用调压移相和过零周波调功一体化技术，可实现恒流、恒压、恒功率等闭环控制、双闭环三相整流直流电源、电解电源、电镀电源；

4）人机接口界面：主要由触摸屏组成，通过触摸屏可以进行温度控制相关参数的设置，如设置温度值、D值、 I值、P值等。

2.2 温度控制部分基本控制原理

1）利用pt100铂电阻（选用A级铂电阻，精度为.02级）的阻值随物质温度的变化而发生变化的特性，把它作为温度传感器，将测得的温度信号通过铂电阻转换为电流信号，为了将从现场采集到的叠加有噪声的数据滤波，采用数字滤波的方法；

2）PLC的AI输入模块将转换的电流信号输入到PLC控制器，当阻值变化时，温度显示器显示出阻值所对应的温度值；

3）温度电流信号在控制器中首先与操作器中的温度设定进行比较，传递到由模糊控制策略模块，模糊控制策略模块根据比较结果和设定的调节控制策略对其进行调节，通过AO输出模块输出4-20mA电流，送给可控硅电压调整器，可控硅电压调整器随着4-20mA电流的变化，自动改变输出脉冲的宽度，来控制可控硅输出电压的高低，自动控制平板硫化机的温度；

4）当温度显示值远低于设定值时，PLC输出20mA 电流，控制可控硅电压调整器输出，使可控硅导通，加热器加热。当温度显示值高于设定值时，PLC输出0mA电流， 可控硅电压调整器无触发脉冲输出，使加热器不加热；当温度显示值接近设定值时，PLC输出电流按P、I、D规律变化，达到平板硫化机的温度与需要的功率基本相匹配，形成一条波动很小的较平滑的升温曲线，确保本控制具有良好的控制精度和调节特性；同时，系统给出温度调节的动态显示并输出，使得PLC控制器与PLC操作器协调工作；

5）PLC的AO输出模块将调节信号转换为模拟信号（4-20mA）输出到可控硅调压器中，可控硅调压器将模拟信号通过电流表控制平板中的6根加热棒温度，以调节温度达到合理状态，实现对平板硫化机温度的闭环控制。

3 平板硫化机温度控制系统的软件设计

控制软件实现对平板硫化机的硫化温度进行监控及调节，采用 STEP 7 Basis V5.3 对 S7-400 PLC 硬件进行组态，在 STEP 7 中建立程序项目文件和对硬件进行组态，软件设计包含了温度采集、数据滤波、AD变换、模糊自适应 PID控制、DA变换以及 调制PWM 波形输出等，控制流程图如图3所示：

系统首先从测量平板硫化机温度值，由于温度变送器送出的是4-20mA的标准电流信号，信号采集模块将采集到的电流转化成数字信号过后，再通过一系列的数据类型的转换，使得采集到的数据变成标准的温度数据信号，方便识别；同时采集到的数值也需要转化成PLC的PID运算要求的标准数据类型；接着将该标准数据输入模糊自适应 PID控制器，经过迭代运算得出自适应控制值，然后以PWM波形占空比方式输出控制可控硅的导通，从而控制温度，占空比为[α=TsTk]， [Tk]是控制周期，[Ts]是导通时间，[Tk]是通过程序设定，[α]大小取决于偏差e的大小。模糊控制的程序流程为：

IF [T>0.98Tg] then [α=α1]；//若温度大于给定值的0.98倍，则占空比为[α1]；

IF [0.96Tg

IF [0.94Tg

IF [0.92Tg

IF [0.90Tg

………….

根据这些控制语句，可编制系统的软件。

4 结束语

温度控制系统是平板硫化机的重要组成部分，但传统的温度控制系统基于常规PID算法，无法实现对温度的精确控制；基于此，设计了基于模糊自适应PID控制理论的平板硫化机温度控制系统实现对硫化过程温度的精确控制，与传统的平板硫化机温度控制系统相比，控制模块内的微处理器硬件功能更加强大， 加大了存储容量，改进了控制算法，增强了系统工作稳定性，从而提高了硫化机的温度控制精度，具有良好的推广应用前景。

参考文献：

[1] 张胜生.模糊PID控制在硫化机温度控制中的应用[J].仪表技术与传感器，2012（10）.

[2] 李爱莲.基于DSP的橡胶硫化机控制系统的设计与研究[J].化学工程与装备，2011（1）.

[3] 曹青.基于模糊自适应PID的硫化机外压温度控制系统[J].仪表技术与传感器，2009（3）.

[4] 蒋均生.轮胎定型硫化机的三维模型设计[J].电脑知识与技术，2010（20）.