流平設(shè)備的溫度專家PID控制系統(tǒng)

陳 勇，胡進(jìn)杰，趙文華，來新民

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 自動化學(xué)院，佛山528225；2.佛山沃頓裝備技術(shù)股份有限公司，佛山528200）

隨著控制工程、溫控設(shè)備等的發(fā)展，對溫度控制的精度、整定速度提出了越來越高的要求，例如在噴涂設(shè)備及油漆干燥等領(lǐng)域，對溫度控制的需求更加迫切。然而，常規(guī)的溫度控制方案很難滿足控制要求，因此找出一套控制精度高、控制過程平滑、整定速度快的溫度控制方案一直是各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。在現(xiàn)今工業(yè)上，大多數(shù)企業(yè)仍在使用通過溫控表與交流接觸器直接控制發(fā)熱管導(dǎo)通關(guān)斷的控制模式來實(shí)現(xiàn)溫度控制， 由于溫度具有慣性，因此該方案在溫度控制上的精度很低。文獻(xiàn)[1-2]在該方案的基礎(chǔ)上加入PID 控制，對溫度的控制精度有一定的提升。然而在維持某一恒定溫度時(shí)，交流接觸器由于不停的導(dǎo)通、 關(guān)斷會產(chǎn)生不少的噪聲，使用壽命也會隨之降低，而且交流接觸器的工作頻率有限，在精度上也有所妥協(xié)。文獻(xiàn)[3]采用了專家PID算法控制，并在硬件上使用可編程控制器（PLC）、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、電熱絲控制器從而提高控制精度以及整定效率。該方案非常適合工業(yè)實(shí)際需求，方便與別的設(shè)備統(tǒng)一控制，然而該方案在工業(yè)使用上，由于流平設(shè)備使用時(shí)，會使用風(fēng)機(jī)達(dá)到循環(huán)加熱、抽風(fēng)進(jìn)氣、抽風(fēng)冷卻等，不同的風(fēng)速會對溫度有一定的影響；而不同的工件、油漆對溫度的要求也不同；為滿足流平要求，各個(gè)加熱區(qū)域的溫度也不盡相同，專家?guī)斓男畔⒃谌绱硕嘧兞坑绊懙那闆r下很難滿足控制需求，即使有足夠多的信息，PLC 也未必能完全儲存、運(yùn)用。因此，該方案在使用上也有所欠缺。因此，本文考慮了專家信息庫在信息過多的情況下不容易建立的弊端以及傳統(tǒng)PID 算法控制整定速度較慢的缺陷， 對專家PID控制以及傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的溫度控制。本文采用永宏P(guān)LC、雙向可控硅、可控硅觸發(fā)器、永宏顯示屏、溫控表，設(shè)計(jì)了簡單實(shí)用、可靠性高的流平溫度控制方案。

1 溫度控制方案的結(jié)構(gòu)與組成

流平溫度自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要由PLC、溫控表、紅外加熱管、可控硅、可控硅觸發(fā)器等組成。

圖1 流平溫度自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of leveling equipment of temperature automatic control system

如圖1所示，觸摸屏與PLC 通過專用傳輸線相連，使得觸摸屏可以代替電腦，對PLC 進(jìn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)交互、參數(shù)設(shè)置等操作。由于其出色的界面以及良好的操作性能，給工程人員在調(diào)試以及設(shè)備使用提供足夠的便利。設(shè)置好給定溫度后，按下自動運(yùn)行按鈕，控制系統(tǒng)就能自主運(yùn)行，完成溫度整定。溫度通過耐高溫補(bǔ)償線把模擬信號（0～20 mA）傳輸?shù)綔乜乇恚ˋI-516），溫控表把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接篮關(guān)LC（Fbs-60MCR2-AC）中。PLC 將當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，通過運(yùn)算得出P、I、D 的具體數(shù)值，并把數(shù)值傳送給溫控表，由溫控表輸出模擬信號，控制可控硅的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制紅外線發(fā)熱管的發(fā)熱效率，實(shí)現(xiàn)流平溫度自動調(diào)控。

2 專家PID 控制

專家控制是一種基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并通過智能的方式使用這些知識來設(shè)計(jì)控制器。利用專家經(jīng)驗(yàn)從而設(shè)計(jì)的PID 參數(shù)便構(gòu)成專家PID 控制。

根據(jù)加熱管加熱時(shí)，當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度之間的誤差及其變化， 可設(shè)計(jì)專家PID 溫度控制算法，該算法分5 種情況設(shè)計(jì)：

令e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有：

當(dāng)e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）>0 或e（k）=0時(shí)，控制器輸出不變。

當(dāng)e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）<0 且M2時(shí)，實(shí)施較激進(jìn)的控制作用，則：

當(dāng)e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）<0 且時(shí)，實(shí)施較平和的控制作用，則：

其中，em（k）為誤差e 的第k 個(gè)極值；u（k），u（k-1）分別為第k 次和第k-1 次控制器輸出；k1=2 為增大放大系數(shù)，k1>1；k2=0.5 為增益抑制系數(shù)，0M2；ε=0.001 為任意小的正實(shí)數(shù)；kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

表1為室溫25 ℃，抽風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為400 r/min時(shí)，加熱到各目標(biāo)溫度穩(wěn)定時(shí)kp、ki、kd的數(shù)值。

表1 到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)的PID 系數(shù)Tab.1 PID coefficient at target temperature

3 控制理念

流平設(shè)備內(nèi)的溫度具有非線性、滯后性和區(qū)域溫度多變性等特點(diǎn)，外加干擾溫度的因素較多。因此，單純使用常規(guī)PID 控制方案很難保證溫度的精確，找出一套滿足要求的控制方案顯得尤為關(guān)鍵。溫度控制上，可以選用遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制算法、粒子群算法、遺傳算法等控制策略來實(shí)現(xiàn)，然而在工業(yè)生產(chǎn)上，主控設(shè)備以PLC 居多，遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制算法、粒子群算法、遺傳算法等控制策略很難在該主控平臺上實(shí)現(xiàn)[3-5]，所以引用專家PID 控制理念，又由于PLC 的數(shù)據(jù)存儲能力有限，專家信息內(nèi)的信息也有限，溫度控制的覆蓋面不夠， 況且PLC 除了控制紅外發(fā)熱管，還要控制流平設(shè)備中的輸送電機(jī)以及抽風(fēng)電機(jī)，過長的代碼延長PLC 的工作周期，影響控制性能，所以，本文體出一種以專家PID 控制為主、傳統(tǒng)PID 控制為輔的控制理念，實(shí)現(xiàn)對流平溫度的控制。

圖2為本方案的控制流程。該方案是通過專家PID 控制算法以及傳統(tǒng)PID 算法相結(jié)合的新算法，通過數(shù)據(jù)采集，采用專家知識庫進(jìn)行推理，自動修正P、I、D 三者的數(shù)值；若推理庫沒有該信息，則通過傳統(tǒng)PID 進(jìn)行控制， 兩種控制算法聯(lián)合控制，在控制功能齊全的同時(shí)，不影響溫度控制性能，以達(dá)到最佳的控制效果。

圖2 控制流程Fig.2 Control flow chart

通過FvDesigner 軟件， 對PLC 進(jìn)行通訊連接，把溫控表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取回來， 并通過FvDesigner自帶折線圖的功能， 把采集到的數(shù)據(jù)繪制成折線圖。通過上述方法，可以作出新型溫度控制算法與傳統(tǒng)控制算法之間的比較。

常規(guī)PID 控制算法的響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可知：單純選用PID 控制算法時(shí)，流平設(shè)備從20 s～32 s 為延時(shí)加熱狀態(tài)，加熱設(shè)備延時(shí)啟動，26.3 s 發(fā)熱管開始加熱， 從30 s～35 s 出現(xiàn)了第一次抖動，40 s～48 s 出現(xiàn)了超調(diào)，直到76.8 s 才讓流平內(nèi)的溫度穩(wěn)定在50 ℃，從加熱到穩(wěn)定在既定溫度所需時(shí)間約為50.5 s。在溫度上升過程中出現(xiàn)明顯的波動以及超調(diào)量，震蕩比較劇烈，整定時(shí)間較長。

圖3 常規(guī)PID 控制算法的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve of conventional PID control algorithm

專家PID 控制算法與常規(guī)PID 控制算法聯(lián)合控制的響應(yīng)曲線如圖4所示。由圖4可知：選用專家PID 及傳統(tǒng)PID 聯(lián)合控制算法時(shí)， 流平設(shè)備從26.3 s 延時(shí)加熱，28 s～68 s 為加熱時(shí)間，期間并沒有超調(diào)量及明顯的抖動，加熱曲線較為光滑，內(nèi)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度50 ℃需要的時(shí)間約為40 s。在溫度上升過程中較常規(guī)PID 控制算法要平滑，沒有過于明顯的波動以及超調(diào)量，震蕩比較小，整定時(shí)間也比常規(guī)PID 控制算法短。

圖4 專家PID 與常規(guī)PID 聯(lián)合控制算法的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of joint control algorithm of expert PID and conventional PID

由以上比較可得，專家PID 及傳統(tǒng)PID 混合控制算法的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制算法，應(yīng)用在流平設(shè)備中，效果更優(yōu)。

4 觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)

本控制方案選用永宏觸摸屏（C3102SF）作為控制系統(tǒng)的操作界面。操作界面如圖5所示，觸摸屏通過專用連接線與永宏P(guān)LC（Fbs-60MCR2-AC）相連，PLC 通過485 總線把溫控表的當(dāng)前溫度值存入到R寄存器，觸摸屏通過監(jiān)控R 寄存器，把當(dāng)前溫度顯示出來，同時(shí)，觸摸屏可以寫入目標(biāo)溫度以及控制紅外燈管輸出，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。

圖5 觸摸屏界面Fig.5 Touch screen interface

配合人性化的操作界面以及完善的控制功能。流平溫度的控制變得簡單、方便。而除常規(guī)的操作界面外，還有相應(yīng)的報(bào)警界面，與此同時(shí)，界面還能添加相應(yīng)的控制，比如抽風(fēng)機(jī)、以及流平設(shè)備的傳送功能，讓一體化控制成為可行。

5 結(jié)語

溫度控制是否符合工藝需求將直接影響流平的效果以及漆面的達(dá)標(biāo)率。早期的流平設(shè)備在控制時(shí)多采用交流接觸器位控制，稍微高級點(diǎn)的則使用傳統(tǒng)的PID 控制，控制精度有限，穩(wěn)定性和可靠性等比較欠缺。本文提出了一種基于PLC 系統(tǒng)，運(yùn)用專家PID 控制以及傳統(tǒng)PID 控制的聯(lián)合控制方案，它具有控制精度高、整定時(shí)間短的特點(diǎn)，配合觸摸屏以及人性化的操作界面，為使用者在使用設(shè)備時(shí)提供了足夠的便利。通過觸摸屏的可視化操作以及參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對流平設(shè)備的溫度控制，滿足流平設(shè)備的溫控要求。