增量式PID控制在全鋼內襯層生產線中的應用

2015-08-16 08:52:58吳斌劉晶方秀華

橡塑技術與裝備 2015年3期

吳斌，劉晶，方秀華

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江杭州 310018)

Application of incremental PID control in all steel inner production line

吳斌，劉晶，方秀華

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江杭州 310018)

我公司全鋼內襯層生產線的全線速度采用浮動輥進行檢測調節，并采用增量式PID進行控制，實現了全線各單機、各皮帶之間較好的速度匹配，生產的制品不打褶、不拉伸，始終保持在公差范圍內，滿足了生產和工藝的要求。

內襯層；PID；速度控制

內襯層處于輪胎的最里層，其目的是減少內胎與輪胎胎體之間的相互摩擦，避免胎體內部被濕氣和空氣滲透。內襯層由氣密層和過渡層貼合而成，當生產線各段速度不匹配時，容易造成打褶或拉伸，因此，速度的控制對于內襯層生產線至關重要。

目前，內襯層生產線的全線速度控制常采用浮動輥進行檢測調節，因此具有滯后性、時變性和非線性等特點，想通過建立精確的數學模型十分困難。而PID控制由于算法簡單，可靠性強，被廣泛的應用在工業過程控制中。

我公司在21世紀初從德國克虜伯公司引進了全鋼內襯層生產線，該生產線代表了國際90年代末和21世紀初的工藝技術水平。生產線全線速度匹配采用浮動輥進行檢測調節，并采用增量式PID進行控制，設備使用至今，全線各單機、各皮帶之間速度控制仍能保持較高的精度，生產的制品不打褶、不拉伸，始終保持在公差范圍內。

1 全鋼內襯層生產線簡介

我公司引進的全鋼內襯層生產線采用的是兩輥壓延雙擠出生產法，該生產線主要包括：1#擠出機和1#壓延機，用于生產氣密層；2#擠出機和2#壓延機，用于生產過渡層；以及風冷冷卻房和卷取裝置。

2 PID控制簡介

2.1 常規PID控制

常規PID控制根據給定值和設定值之間的偏差，通過比例、積分和微分對偏差構成控制量，實現對被控對象的控制。常規PID的理想算法為[1]。

式（1）中，u(t)為PID控制器輸出，e(t)為控制偏差，Kc，Ti和Td為PID控制器的比例增益、積分時間常數和微分時間常數。

由于計算機控制采用的是采樣控制，因此需對式（1）進行離散化處理，可得式（2）。

式（2）中，Kc為比例增益；Ki為積分系數，Ki=KcT/Ti，Kd為微分系數，Kd=KcTd/ T。

2.2 增量式PID控制

PID控制主要有兩種算法，位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。相比之下，采用增量式PID控制算法可以減少設備的誤動作，減輕PLC的計算負擔[2]。根據式（2），通過遞推原理，得：

式（2）和式（3）相減，可得

式（4）即為增量式PID控制算法。

3 增量式PID控制的應用

在西門子PLC的Standard Library里提供了現成的PID控制功能塊PID Control Block，用戶可以根據需求，選擇相應的功能塊，也可以自己動手編寫PID程序。在本系統中，我們采用STL語句編寫了PID控制功能塊FB42，控制算法的流程圖如圖1所示。各單機、各皮帶之間速度控制均通過調用功能塊FB42，實現對速度的控制。在調用FB42時，只需給相應的變量賦予對應的地址即可使用。圖2顯示了對中輸送帶PID控制程序。

3.1 參數整定

對于PID控制來說，采樣周期和控制參數的整定至關重要，直接影響了系統的動態性能和靜態性能。

在本系統中，采樣周期的時間設置為PLC的掃描周期，控制參數的整定則采用工程法中的試湊法。具體步驟如下[3]：

（1）先設控制器積分時間Ti=∞, 微分時間Td=0。將系統投入運行, 整定比例增益Kc。如果曲線振蕩頻繁, 則加大比例增益Kc；如果曲線超調大, 且趨于非周期過程，則減小比例增益Kc。

（2）引入積分作用，此時需將上述比例增益Kc加大1.2倍。將Ti從大到小進行整定。如果曲線波動較大，則應該增大積分時間常數Ti；如果曲線偏離設定值長時間回不來，則需要減小Ti，以獲取良好的過渡過程曲線。

（3）引入微分作用，使Td=(1/4-1/3) Ti，并且由小到大進行調整。如果曲線超調大而衰減慢，則增加微分時間常數Td；如果曲線震蕩厲害，則減小Td。調整過程中，觀察曲線狀況，適當調整Kc和Ti，直至獲得滿意的控制曲線。

通過上述方法，各參數整定后的結果為：