摘 要： 引入以PLC為核心的模糊控制方法來(lái)設(shè)計(jì)恒溫控制系統(tǒng),，以解決產(chǎn)品溢膠問(wèn)題。結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、控制精度和品質(zhì),。
關(guān)鍵詞： PID控制；PLC,；模糊控制
溫度控制在工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用,，是極其重要的控制之一。溫度控制具有延時(shí)和慣性的特點(diǎn),，它的數(shù)學(xué)模型較難建立。工業(yè)生產(chǎn)中,，常用位式調(diào)節(jié)器和PID控制器等來(lái)控制溫度。對(duì)于此類位式調(diào)節(jié)器,，有著不可避免的缺陷,，當(dāng)實(shí)際溫度大于給定溫度時(shí)，系統(tǒng)不加電壓,，導(dǎo)致了超調(diào)和控制精度差,，甚至出現(xiàn)失控。雖然PID有著較好的控制,，但需大范圍變化溫度時(shí),，PID控制器的參數(shù)是很難確定的，而PID控制也不能總是處于最佳狀態(tài),，甚至在控制過(guò)程中發(fā)生超調(diào),。隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，各家廠家推出了適用于各類過(guò)程控制的智能專用模塊,，用PLC軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制,，來(lái)處理溫度控制，并能克服超調(diào)大的問(wèn)題,，提高控制精度,。其實(shí)現(xiàn)方式具體有兩種：其一是通過(guò)專用的硬件實(shí)現(xiàn)，但其價(jià)格昂貴,，通用性差,，并需要專門(mén)的編程設(shè)備。還有一種方式是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),，把模糊控制程序作為整個(gè)PLC控制程序的子程序,，包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號(hào)輸出,，通過(guò)中斷調(diào)用子程序完成模糊控制[1-2],。
本文著重介紹溫度控制在泡棉產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用。
1 溫度控制系統(tǒng)
溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。系統(tǒng)采用FX微型機(jī),，配以模擬量輸入輸出模塊FX-4AD、FX-2AD,，該系統(tǒng)掃描速度快,，抗干擾能力極強(qiáng)，當(dāng)溫度上升到95%以前,，采取全壓控制,，大大節(jié)約升溫時(shí)間，加熱區(qū)一旦上升到95%,，采用模糊控制,，提高了控制精度,，當(dāng)上升到給定值的102%時(shí)，采取失壓控制,，使加熱塊溫度快速下降,。假設(shè)設(shè)定溫度為220℃,，熱電偶電勢(shì)就會(huì)送給放大電路放大,，而放大信號(hào)會(huì)與基準(zhǔn)電壓2 V比較，轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)送給PLC,，對(duì)于采樣信號(hào)執(zhí)行模糊算法的控制程序,，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，再通過(guò)晶閘管區(qū)控制加熱區(qū)域,。
2 模糊控制原理
如果采用傳統(tǒng)PID控制,，控制溫度的超調(diào)就會(huì)比較大，調(diào)節(jié)到設(shè)定值的時(shí)間就比較長(zhǎng),，控制效果較差,，為了提高控制精度，需采用模糊推理控制,，對(duì)Kp,、TI、TD參數(shù)進(jìn)行自整定,，以提高控制精度,。控制原理如圖2所示,。
由參數(shù)可調(diào)節(jié)PID完成對(duì)溫度系統(tǒng)的控制,，模糊調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 3個(gè)參數(shù)的自動(dòng)校正。
數(shù)字PID的位置式算法如式(1)：
Kp為比例系數(shù),，U(n)為控制器的輸出,，e(n)為偏差值，Ts為采樣周期,，TI為積分時(shí)間,，TD為微分時(shí)間。
模糊控制作為PLC控制程序的一個(gè)子程序,，其中包括數(shù)據(jù)的讀取,、模糊推理和控制信號(hào)輸出。
PLC通過(guò)采樣獲取被控量的精確值,，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E,，把誤差信號(hào)進(jìn)行模糊化處理(即通過(guò)模糊推理系統(tǒng))，得到了誤差E的模糊語(yǔ)言的一個(gè)子集e,，再由e模糊控制規(guī)則R,，根據(jù)合成規(guī)則進(jìn)行決策,，得到模糊控制量為U(U為模糊量)。為了對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行精確的控制,，還需將模糊量U轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字量,，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu),，從而對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制,。
3 模糊控制的實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)采用二維模糊控制。設(shè)模糊變量為：e(溫差),，ec(溫差變化率),，u(輸出量)。輸入輸出變量語(yǔ)言可以表達(dá)為：負(fù)大(NB),，負(fù)小(NS),，負(fù)零(NZ)，正零(PZ),，正小(PS),，正大(PB)。系統(tǒng)中溫差,、溫差變化率的基本論域分別為+e,、+ec，其范圍為[-5,，+5],。輸出量u的論域設(shè)定為+u，其范圍定為[-6,，+6],。
本系統(tǒng)為雙輸入單輸出模糊控制，根據(jù)過(guò)程控制的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得到一系列推理語(yǔ)言規(guī)則,，寫(xiě)成如下形式：
IF E=(NB) and EC=(PB),，then U=(PB)
例如：溫度偏差(E=e’)為負(fù)大且偏差變化率(EC=ec’)為正大，則輸出控制增量(U=?駐u)應(yīng)為正大,，以減少負(fù)偏差,，使其趨近于給定值。根據(jù)這些模糊條件語(yǔ)句可歸納為模糊關(guān)系：
R=U(E×EC)U(2)
式(2)中,，“×”為模糊關(guān)系矩陣的關(guān)系運(yùn)算符號(hào),。由E、EC及上式推理合成規(guī)則,，得到控制增量模糊集U為：
U=(E×EC)R(3)
求出控制決策U,，再按隸屬函數(shù)中位數(shù)方法得到相應(yīng)的控制增量?駐u，再通過(guò)計(jì)算機(jī)離線反復(fù)調(diào)試修正，就可得到相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表,。然后實(shí)時(shí)控制時(shí),，根據(jù)輸入偏差與輸入偏差變化率的模糊值直接查找控制表，獲得控制量,。
4 模糊控制的程序流程圖設(shè)計(jì)
模糊控制程序作為整個(gè)PLC控制程序的一個(gè)子程序,，包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號(hào)輸出,。模糊控制算法的程序流程圖如圖3所示,。
5 模糊控制具體應(yīng)用
所謂泡棉產(chǎn)品，就是泡棉芯被導(dǎo)電布包裹,，在接縫處貼膠帶,。如圖4所示。
本單位主要生產(chǎn)的產(chǎn)品有SS3500,、SS5000、SS4000,、SS2000,、SS1000等，SS3500加工工藝是鎳銅導(dǎo)電布包裹泡棉加熱粘合處理,，屬于“外包裹”產(chǎn)品,。
SS3500產(chǎn)品是由導(dǎo)電布和泡棉包裹而成的產(chǎn)品，通過(guò)模具對(duì)其截面形狀的控制,，完成不同形狀的產(chǎn)品的加工,，常見(jiàn)的截面形狀有矩形(R型)、D型,、Bell型和C型等,。加工工藝流程如圖5所示。
其中導(dǎo)電布就是截面外圍包裹的一層布,，泡棉作為內(nèi)芯,，通過(guò)相應(yīng)的引導(dǎo)模具引導(dǎo)導(dǎo)電布及泡棉傳動(dòng)，在熱模中進(jìn)行加熱粘合(加熱粘合就是本文會(huì)主要探討的技術(shù),，通過(guò)對(duì)其溫度精準(zhǔn)的控制,，使導(dǎo)電布包裹時(shí)通過(guò)合適的溫度進(jìn)行粘合但不會(huì)產(chǎn)生溢膠)，然后再通過(guò)冷模具加風(fēng)冷進(jìn)行冷卻至常溫,，即可背客戶要求的膠帶,。該工藝流程雖比較簡(jiǎn)單，但對(duì)有的成品的表面要求較高,，不能在導(dǎo)電布接縫處有溢膠(該溢膠即導(dǎo)電布上熱熔膠,，通過(guò)加熱，使其與泡棉粘合的粘結(jié)劑),，從而影響產(chǎn)品屏蔽效果,。
所以該加熱過(guò)程必須引入恒溫控制,，并通過(guò)借用軟件實(shí)現(xiàn)其控制。具體方法為：把模糊控制程序作為整個(gè)PLC控制程序的一個(gè)子程序,，包括數(shù)據(jù)的讀取,、模糊推理和控制信號(hào)輸出，通過(guò)中斷調(diào)用子程序來(lái)完成模糊控制,。這種方法簡(jiǎn)單,，便于實(shí)現(xiàn)，但是參數(shù)整定比較困難,，在實(shí)際中往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)手動(dòng)設(shè)定PID參數(shù),，且一組整定的參數(shù)不能完全適應(yīng)不同的溫度控制工藝要求，還易產(chǎn)生較大的超調(diào),。本研究針對(duì)控制過(guò)程中出現(xiàn)的升溫速度慢,、超調(diào)量大、控制精度不高等現(xiàn)象,，利用PLC編程軟件采用模塊化編程方法,，使用編制程序?qū)崿F(xiàn)模糊控制算法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的PID控制模塊的KP,、TI和TD進(jìn)行模糊參數(shù)自整定,，以達(dá)到良好的控制效果和良好的穩(wěn)定性。
將模糊PID控制系統(tǒng)應(yīng)用于熱模加熱區(qū)域控制系統(tǒng)中,，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明模糊PID參數(shù)自整定控制較常規(guī)的PID控制有更好的控制效果,。設(shè)定保溫溫度為200℃，分別采用兩種不同的控制方式,，模糊參數(shù)自整定控制的超調(diào)量比常規(guī)PID控制降低70％,，上升時(shí)間縮短10％。模糊PID參數(shù)自整定控制的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性全面改善,，表現(xiàn)出良好的魯棒性,。
而超調(diào)量的大大降低，直接影響了產(chǎn)品加工的質(zhì)量,，提高了產(chǎn)品的性能,，見(jiàn)圖6。
從上圖中可以看,，傳統(tǒng)PID控制后的產(chǎn)品有溢膠產(chǎn)生,，這就是超調(diào)導(dǎo)致的結(jié)果，溫度加溫至過(guò)高,，使熱熔膠沾污了產(chǎn)品表面,。而經(jīng)過(guò)模糊PID控制后，就沒(méi)有了這種現(xiàn)象，完全解決了溢膠問(wèn)題,，從而一定程度上提高了泡棉本身性能,，使其能在一些電子高端行業(yè)里得到應(yīng)用。并使泡棉的電性能和屏障的電性能盡可能相同,，在界面處保持高等級(jí)的導(dǎo)電性和避免空氣或其他高電阻的間隙,，這樣就能使屏蔽效果到達(dá)最佳。
將模糊控制與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合,，既顯示了PLC的可靠,、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),，也大大提高了控制系統(tǒng)的智能化程度,。基于模糊控制的PLC系統(tǒng)適用于很多場(chǎng)合,，控制程序易于模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化，與PLC自帶的PID控制模塊相比,，具有編程方式靈活,，限制條件少，模糊變量和模糊規(guī)則個(gè)數(shù)不受系統(tǒng)硬件限制等特點(diǎn),，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍,。
參考文獻(xiàn)
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