基于模糊自適應PID控制的雙螺桿擠壓機溫度控制研究

劉訓非

（蘇州工業職業技術學院，江蘇 蘇州 215104）

近年來，雙螺桿擠壓機已經被廣泛地應用于食品加工行業，可以應用于各類谷物的加工。雙螺桿擠壓機的應用越來越廣，目前已經應用于水產飼料、寵物飼料、幼畜哺乳期飼料和經濟動物飼料的加工中。雙螺桿擠壓機提高了飼料的輸送、泵出以及混合性能。由于雙螺桿擠壓機的嚙合具有螺旋結構，因此，其具有一種正壓泵的功能。雙螺桿擠壓機能夠用來輸送低黏性的飼料，并且具備自清理的能效。對于同向的雙螺桿擠壓機，物料能夠沿著一個“∞”型的通道流動，兩螺旋的關鍵部位是嚙合區，螺棱不僅能夠實現正向輸送，而且能夠改變物料的方向，從而能夠提高混合和熱交換效率。對于雙螺桿擠壓機，在工作過程中必須進行有效控制的變量有各區的溫度以及模口的壓力，飼料的溫度控制和飼料的結構（例如，淀粉的糊精化、脂肪的揮發性等）是密切相關的，模口的壓力和飼料加工效率、飼料加工的質量以及整機的工作性能都是密切相關的。對雙螺桿擠壓機的溫度和模口的壓力進行有效的控制，能夠提高飼料加工的操作穩定性，從而能夠防止故障的發生。如果利用傳統的PID控制技術對雙螺桿擠壓機的工作過程進行控制，存在控制精度低、抗干擾能力差、超調量大的缺陷。為了能夠彌補這一缺陷，可以采取模糊控制，雖然能夠提高PID控制器的控制效果，但是仍然存在控制相應速度慢的缺陷。為了能夠有效地解決以上問題，可以將PID控制器和模糊控制器結合起來形成模糊自適應PID控制器,利用模糊規則在線調節PID控制器的基本參數,然后利用PID控制對雙螺桿擠壓機進行智能控制。

1 雙螺桿擠壓機模口壓力控制的基本原理

控制的對象是直流電機，被控的參數是支流電機電壓。雙螺桿擠壓機的模口壓力和直流電機的轉速是密切相關的，通過調節直流電機電壓的大小能夠調節直流電機的轉速，進而能夠達到調節雙螺擠壓機模口壓力的目的。模口壓力可以通過壓力傳感器來測試，傳感器輸出的電信號通過變送器、信號隔離、信號調理電路最終輸入至A/D轉換器。通過模糊自適應PID控制器根據給定的電壓和實際的電壓變化情況對直流電機的轉速進行控制，從而能夠有效地控制模口壓力。雙螺桿擠壓機具有控制變量多的特點，而且不同控制變量之間存在著非線性的聯系，在噪聲的干擾下將增加控制的難度。傳統的PID控制無法滿足雙螺桿擠壓機的控制要求，因此利用模糊自適應PID控制系統對其進行控制。

2 雙螺桿擠壓機模糊自適應PID控制系統的設計

2.1 模糊自適應PID控制的基本原理

傳統的PID控制技術具有結構簡單、容易實現以及工作穩定的特點，然而，其參數整定的前提是能夠獲得雙螺桿擠壓機精確的數學模型，如果控制系統的參數產生改變，就不能達到雙螺桿擠壓機的額定工作性能，所以無法較好地處理雙螺桿擠壓機動態和靜態間的沖突。

模糊控制的理論依據有模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理，基于人的知識和經驗的智能控制技術。模糊控制以雙螺桿擠壓機的作業參數為前提，不考慮雙螺桿擠壓機的精確數學模型，因此該控制技術可以適用于不能進行精確模型建立的玉米聯合收割機和在信息比較匱乏時所對應的病態，可以實現對復雜的非線性、時變系統的有效控制。然而，模糊控制不能除去靜態誤差。把模糊控制和PID控制緊密地結合起來，選擇模糊規則對PID控制器的參數進行實時的調節，能夠有效地發揮模糊控制以及PID控制的優勢，進而可以使系統的動態和靜態能夠提高，從而能夠使雙螺桿擠壓機的控制可靠性得到提高。

模糊自適應PID控制把模糊規則和對應的操作事先存儲于計算機知識庫內，計算機可以根據玉米聯合收割機實際的響應狀態，按照預先存儲的知識庫采取模糊推理操作，并且對PID控制器的參數進行實時地調節，進而能夠有利于模糊控制和PID控制的緊密結合。

模糊控制器的輸入為誤差e和誤差的變化率ec，通過模糊控制技術實現PID參數的在線調整，從而獲得PID控制中3個參數值的變化量比例因子Kp、積分因子Ki、微分因子Kd，進而使控制系統輸出預設值。

雙螺桿擠壓機的模糊自適應PID控制原理如圖1所示。按照實際測試的結果，可以對PID控制器的參數進行調整，將傳統PID算法和模糊控制的優勢結合起來，從而能夠實現對雙螺桿擠壓機的平穩控制。

模糊自適應PID控制器的設計步驟包括：確定模糊控制器的結構、輸入輸出模糊化、建立模糊控制規則、近似推理算法、去模糊化。

圖1 雙螺桿擠壓機的模糊自適應PID控制原理

2.2 模糊規則的確定

為了能夠把模糊PID雙螺桿擠壓機控制系統中偏差e所對應的語言變量轉化為模糊集合，把語言變量E定義為7個層次，進而獲得對應的7個模糊子集，可以充分地體現偏差e的水平，劃分結果如下：

式中，NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL 分別表示“負大”、“負中”、“負小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。誤差e是0和1之間的數。和誤差的模糊集合相應的論域可以表示為如下的形式：

對應的隸屬度函數如圖2所示。

圖2 偏差的隸屬度函數

把偏差的變化率ec相應的變量分為7個層次，形成7個模糊子集，進而能夠充分地體現偏差變化率的大小，層次劃分如下所示：

式中各符號的意義同上，ec的取值范圍為[0,1]。偏差的變化率的模糊集合相應的論域如下所示：

和偏差變化率相應的隸屬度函數示意圖如圖3所示。

把雙螺桿擠壓機的模口壓力P分為7個層次，形成了7個模糊子集，從而能夠充分地體現控制變量的大小，層次劃分如下所示：

式中，各符號的意義同上。

圖3 偏差變化率的隸屬度函數

模口壓力的隸屬度函數示意圖如圖4所示。

圖4 控制變量的隸屬度函數

根據模糊自適應PID控制器不同參數調整的實際需求，同時考慮雙螺桿擠壓機控制系統的實際特點，設計出不同控制變量的控制規則，見表1。

表1 各變量的控制規則

當變量為ZO時，利用的PID算法如下所示：

3 雙螺桿擠壓機成捆密度控制試驗研究

為了驗證模糊自適應PID控制技術的有效性，利用該控制系統對某機械公司制造的雙螺桿擠壓機的樣機進行了測試試驗，同時利用傳統的PID控制技術對樣機進行控制測試，從雙螺桿擠壓機的飼料加工的效率和模口壓力控制的精度進行了比較研究。試驗結果如圖5所示。

圖5 雙螺桿擠壓機模口壓力的控制仿真曲線

從圖5中可以看出，改進的滑模控制對發電機輸出電壓進行控制的結果相對于傳統的滑模控制結果，具有超調量小、響應速度快的優點，因此，能夠有效地對小型風力發電機進行控制。此外，利用模糊自適應PID控制系統對雙螺桿擠壓機進行控制和傳統的PID控制系統比較，雙螺桿擠壓機的工作效率提高了25%，從而提高了飼料加工的效率和質量。

4 結論

模糊自適應PID控制系統結構簡單，抗干擾能力強、具有較高的控制精度和控制穩定性，可以有效地克服傳統的PID控制系統的缺陷，在雙螺桿擠壓機的智能控制中具有較廣闊的應用前景。通過樣機的控制測試，表明利用該模糊自適應PID控制技術可以提高雙螺桿擠壓機模口壓力控制的準確性，能夠極大地提高雙螺桿擠壓機的工作效率和質量。

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