基于模糊PID的硫化機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 靖 韓建斌

（西安航天精密機(jī)電研究所，陜西西安710100）

0 引言

硫化膠囊是外胎自動(dòng)定型硫化機(jī)的必備配件，主要作用是在外胎生產(chǎn)時(shí)對胎胚進(jìn)行加壓以及傳熱，膠囊的硫化溫度對膠囊硫化的品質(zhì)起著非常關(guān)鍵的作用，也是硫化機(jī)需要控制的主要參數(shù)。常規(guī)控制方法是在硫化過程中將硫化溫度連續(xù)測量出來，并將其送入PID控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。由于硫化機(jī)運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，存在較多干擾，特別是存在閥漏時(shí)，容易引起系統(tǒng)超調(diào)和持續(xù)震蕩，因而常規(guī)的PID控制無法達(dá)到預(yù)期的效果。

模糊PID作為一種新興的控制方法，是把傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合而形成的。該技術(shù)通過模糊算法對系統(tǒng)參數(shù)的改變、干擾、延遲等過程實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，將數(shù)據(jù)傳給PID控制器從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的補(bǔ)償和控制，控制方法簡便易行、魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)。

1 模糊PID控制原理

模糊PID控制器的工作流程可用圖1來表示。

圖1 模糊PID控制器工作流程

每個(gè)采樣周期首先對當(dāng)前值采樣，計(jì)算e（k）、ed（k），然后進(jìn)行模糊化、模糊推理、解模糊化，得到Δkp（k）、Δki（k）、Δkd（k），根據(jù)式（1）計(jì)算kp（k）、ki（k）、kd（k），最后進(jìn)行PID輸出。

2 模糊PID控制的實(shí)現(xiàn)

論域選擇為：[-3，3]，共七個(gè)等級，其中的子集對應(yīng)為{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，參數(shù)取負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，隸屬函數(shù)選擇三角函數(shù)。該模糊PID控制器控制規(guī)則如下：如果{e=Xi&ed=Yj}則{U=Zk，i，j，k=1，2，…，7}。其中Xi，Yj，Zk為各自論域上的模糊語言值，根據(jù)溫差e、溫差變化率ed與控制量之間的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，確定模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

模糊規(guī)則表中的每一條模糊條件語句都對應(yīng)相應(yīng)的控制量U，由此得出模糊控制量，然后再按照隸屬函數(shù)中的位數(shù)方法，得出實(shí)際控制量U。將模糊規(guī)則表元素逐行依次存儲(chǔ)在PLC的保持繼電器中，通過基址偏移的方式來實(shí)現(xiàn)查表程序。硬件控制器采用西門子S7-300 PLC，A/D模塊采集溫度信息并傳輸?shù)絇LC中，經(jīng)過算法處理查表找出所對應(yīng)模糊論域中的元素，得到模糊輸出量，與輸出量化因子相乘后即得到實(shí)際輸出值，最后由D/A輸出模塊對閥門進(jìn)行控制。

3 Simulink仿真

通過參考其他文獻(xiàn)對于溫度數(shù)學(xué)模型的研究成果，并結(jié)合硫化溫度自身的特點(diǎn)，結(jié)合之前硫化溫度的控制數(shù)據(jù)，建立被控對象數(shù)學(xué)模型。在MATLAB Simulink模塊搭建模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

圖2 溫度控制仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于溫度變化是一個(gè)從無到有，上升到規(guī)定值并保持的過程，因此給定輸入信號為大小為1的階躍信號，仿真曲線如圖3所示。

圖3 溫度模糊PID控制仿真曲線圖

由仿真輸出曲線可以發(fā)現(xiàn)，模糊PID控制超調(diào)很小，響應(yīng)速度很快，穩(wěn)態(tài)誤差小。對于硫化溫度控制系統(tǒng)，模糊PID控制能在性能上充分滿足工藝要求和控制指標(biāo)，控制精度大大提高。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有硫化機(jī)控制精度差的不足，結(jié)合生產(chǎn)工藝和控制系統(tǒng)的研究，開發(fā)了一套模糊PID控制系統(tǒng)，通過建模仿真充分論證了該控制系統(tǒng)的可行性和有效性。最后通過建立PLC離線查詢模糊規(guī)則表的方法來實(shí)現(xiàn)該控制過程，該方法簡便易行，有效改善了輪胎膠囊厚度均勻性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

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