基于PL6－C型紙樣抄取器的溫度控制研究

Research on the Temperature Control Based on PL6－C Handsheet Former

劉曉龍1鄒　軒2(上海理工大學光電信息與計算機工程學院1，上海　200093;上海理工大學中德學院2，上海　200093)

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基于PL6－C型紙樣抄取器的溫度控制研究

Handsheet former

修改稿收到日期:2015－09－23。

第一作者劉曉龍(1990－)，男，現為上海理工大學電氣工程專業在讀碩士研究生;主要從事電力電子技術與控制方法的研究。

0　引言

PL6－C型紙樣抄取器(快速凱塞法抄片器)是集抄片、真空干燥于一體的紙樣形成設備。此設備應用于普通有機纖維、無機纖維、動物纖維、化學合成纖維、超細纖維、納米纖維、超厚紙張、稠漿法紙張的成型、壓榨、真空干燥等工藝過程。

在紙樣抄取過程中，干燥環節直接關系到紙樣的物理性能。若溫度過高，伸長率降低，蠕變性變小，強度變弱;溫度過低，相對濕度增加，伸長率有較大的提高，表現為應力變化緩慢，而應變伸長變化較大，所以溫度控制是否精確對于紙樣的質量至關重要。目前，造紙生產中溫度控制普遍使用傳統PID算法。該方法在實際應用中存在著收斂時間長、超調量大、參數固定、不具備自適應能力等缺點。針對傳統PID控制的不足，本文研究了一種新型的溫度控制算法。

1　硬件構成及數學模型

1.1溫度控制系統硬件構成

溫度控制系統主要由上位機和下位機兩部分構成。上位機采用了西門子的WinCC組態軟件，主要作用是繪制溫度輸出曲線和監控現場設備的工作狀態。下位機采用了西門子的300系列產品，分為主站和從站兩部分。主站是SIMATIC S7－300，主站電源采用的是PS 307 2A，中央處理器采用的是CPU 315－2 PN/DP。主站的主要作用是通過Profibus DP總線與從站進行數據交換并傳送給上位機。從站是ET200S，主要由IM151－7接口模塊和電子模塊等構成。從站的主要作用是實現對工作現場設備的控制和數據采集。

PL6－C型紙樣抄取器的溫度控制系統硬件配置圖如圖1所示，溫度控制系統的工作過程說明如下。

從站的數字量輸出端口(Q1.3)輸出的PWM脈沖控制固態繼電器的常開開關，進而達到控制加熱器的目的。溫度傳感器采用的是WZP－200型鉑電阻，分度號為Pt100，測量范圍－50～300℃。溫度變送器(CHR－2480)將檢測到的溫度變量轉換成4～20 mA的標準電信號并通過模擬量輸入端口(IW340)傳送給從站CPU進行處理。從站將檢測到的溫度值及加熱器的工作狀態實時傳送給主站，主站再將接收到的數據實時傳送給WinCC組態軟件，實現對于加熱器溫度數據的采集和工作狀態的遠程監控。

根據生產要求:溫度的超調量小于3%，上升時間小于20 min，調整時間小于30 min，穩態誤差小于0.5。

圖1　溫度控制系統的硬件配置圖Fig.1 Hardware configuration diagram of temperature control system

1.2被控對象數學模型

為了設備的安全，本文采用了矩形脈沖法測定對象的單位階躍響應曲線，從而得到對象的數學模型。矩形脈沖法的原理是用兩個幅度相等、方向相反且開始作用時間不同的階躍信號進行疊加作為輸入信號;然后通過式(1)逐段遞推出階躍響應曲線［1］。

式中: y(t)為矩形脈沖下的響應曲線; y1(t)為階躍響應曲線。

根據飛升曲線，利用Cohn－Coon公式:

得到加熱器的數學模型為:

式中: t0.632為階躍響應曲線穩態值y(∞)的63.2%所對應的時間; t0.28為階躍響應曲線穩態值y(∞)的28%所對應的時間。t0.632≈6 300 s，t0.28≈2 400 s。

2　傳統PID控制實現

2.1程序設計

本文先實現傳統PID的控制算法，程序設計流程圖如圖2所示。

圖2　傳統PID程序流程圖Fig.2　The program flowchart of traditional PID

執行程序時首先計算偏差e(k)，然后分別計算比例項、積分項和微分項。若溫度實際值達到設定值的80%，則積分項清零，防止出現積分過飽和現象;反之，則不清零。最后累加比例項、積分項和微分項計算出控制量，進而達到控制加熱器的目的。

2.2 PID參數確定

根據Ziegler－Nichols經驗公式得出:

在平衡系統的精確性、穩定性、快速性3方面性能基礎上，經過現場調試，最終確定Kp、Ti、Td分別為2.5、240 s、70 s。基于以上參數，當設定值溫度為100℃時，傳統PID控制的溫度輸出曲線如圖3所示。

從圖3可知:上升時間tr為19.07 min，峰值tp時間為24.43 min，超調量σ%為4.04%，調整時間ts為30.25 min，穩態誤差ess為0.3，允許誤差范圍為±2%。通過與生產工藝要求的溫度控制技術指標進行比較可知，傳統PID的超調量和調整時間超出了要求的技術指標。為了滿足工藝要求，本文提出了模糊PID控制方案。

圖3　傳統PID輸出曲線Fig.3　The output curve of traditional PID

3　模糊PID控制實現

3.1模糊PID控制系統結構

模糊PID控制是在PID控制算法的基礎上，應用模糊理論，分析PID控制的作用效果，建立合適的模糊規則;再利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊控制查詢表進行在線PID參數自調整，以滿足不同的e 和de/dt對控制參數的不同要求，使被控對象有良好的動、靜態性能［2－3］，其控制結構如圖4所示。

圖4　模糊PID控制結構Fig.4　The control structure of fuzzy PID

3.2模糊控制器的設計

控制系統采用單變量二維的模糊控制系統，溫度的偏差和偏差的變化率(e、ec)作為輸入量，比例系數、積分時間和微分時間的變化量(ΔKp、ΔTi、ΔTd)作為模糊控制器的輸出量。

模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊化3個部分。

3.2.1輸入量模糊化

E、EC分別為e、ec模糊化后的量，KP、TI、TD分別為ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊量。

e、ec論域等級均為［－6－5－4－3－2－1 0 1 2 3 4 5 6］，模糊子集為E = EC =［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。ΔKp、ΔTi、ΔTd論域的等級均為［－3－2－1 0 1 2 3］，模糊子集為KP= TI= TD=［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］表示［負大，負中，負小，零，正小，正中，正大］，選用三角函數作為各變量的隸屬度函數［4］。

3.2.2模糊推理

模糊推理程序在PLC中實現較為困難，主要體現在模糊規則的編寫、模糊規則表的生成和模糊規則的調試與修改3個環節。為提高PLC的編程和調試效率，采用了離線計算查詢表的方法［5］。

根據溫度過程控制中的專家經驗總結，可以得出模糊控制規則。選取控制量變化的原則是:當誤差大或較大時，選擇控制量以消除誤差為主;當誤差較小時，選擇控制量注意防止超調［6］。

3.2.3解模糊化

ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊控制查詢表是通過Fuzzy工具箱—FIS Editor中的Rule Viewer得出;推理方法為min，合成方法為max，解模糊化方法為centroid。

3.3程序設計

待采樣時間結束時，計算偏差e和偏差變化率ec并存儲。若e和ec超出上下限，則進行范圍限制。模糊PID控制程序流程圖如圖5所示。

圖5　模糊PID控制程序流程圖Fig.5　The program flowchart of fuzzy PID control

在基本論域轉換到模糊論域后，查詢模糊控制查詢表并將輸出的模糊論域轉換到基本論域。然后將輸出量與傳統PID控制的參數進行疊加，進而實現在線自整定的PID控制［7－9］。

3.4參數確定

設實際溫度范圍為0～120℃，故偏差的基本論域為［0 120］。通過實驗觀測及調試，偏差變化率的基本論域為［－0.05 065 0.05 065］，ΔKp的基本論域為［－0.5 0.5］，ΔTi的基本論域為［－90 90］，ΔTd的基本論域為［－75 75］。

根據量化因子和比例因子公式:

可知:量化因子(Ke，Kec)分別為0.1，118.46;比例因子(Ku1，Ku2，Ku3)分別為0.166 7，30，25。其中|b－a|和|e－f |是對應變量的模糊論域范圍，| d－c | 和|g－h|是對應變量的基本論域范圍。

基于以上參數，當設定值溫度為100℃時，模糊PID控制的溫度輸出曲線如圖6所示。

圖6　模糊PID控制輸出曲線Fig.6　The output curve of fuzzy PID control

從圖6可知:上升時間tr為17.25 min，峰值時間tp為21.50 min，超調量σ%為2.92%，調整時間ts為25.55 min，穩態誤差ess為0.01，允許誤差范圍為±2%。通過與工藝要求的溫度控制技術指標進行比較可知，模糊PID控制下的各個指標都滿足紙樣生產的技術指標，并取得了理想的控制效果。

4　結束語

本文針對傳統PID和模糊PID控制算法在PL6－C型紙樣抄取器溫度控制中的對比研究，并基于PLC可編程控制器實現了這兩種算法，得到實際運行的溫度輸出曲線。通過比較得出如下結論:模糊PID控制與傳統PID控制相比，上升時間減少了1.82 min，峰值時間減少了2.93 min，超調量減少了1.12%，調整時間減少了4.7 min，穩態誤差ess減小了0.29。模糊PID控制在溫度控制系統的快速性、精確性、穩定性方面的指標都有所提高，因此最終可以確定模糊PID控制更適合應用到PL6－C型紙樣抄取器的溫度控制中，該研究具有一定的工程價值和生產意義。

參考文獻

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Research on the Temperature Control Based on PL6－C Handsheet Former

劉曉龍1鄒軒2
(上海理工大學光電信息與計算機工程學院1，上海200093;上海理工大學中德學院2，上海200093)

摘要:針對造紙工藝過程中采用傳統PID溫度控制存在的收斂時間長、超調量大、精度低等問題，提出了模糊PID控制方案。與傳統PID控制在PL6－C型紙樣抄取器中的應用上相比，模糊PID控制在上升時間、超調量、調整時間等性能指標方面都有顯著改善，確定了適合PL6－C型紙樣抄取器溫度控制的模糊PID算法。實際運行結果驗證了模糊PID控制的可行性和精確性。

關鍵詞:模糊控制PID溫度控制在線整定可編程控制器專家規則紙樣抄取器

Abstract:To overcome the disadvantages of the traditional PID temperature control used in paper making process，e.g.，long convergence time，big overshoot，and low accuracy，etc.，the control strategy of fuzzy PID is proposed.The applications of fuzzy PID control and traditional PID control in PL6－C handsheet former are compared; it is found that the rise time，overshoot and adjusting time of fuzzy control are all better than those of traditional PID control.Thus the fuzzy PID algorithm for temperature control suitable for PL6－C handsheet former is determined.The practical operating results verify the feasibility and exactness of fuzzy PID control.

Keywords:Fuzzy controlPIDTemperature controlOn－line tuningProgrammable logic controller (PLC)Expert rule

中圖分類號:TP273 +.4

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603024