摘  要： 引入以PLC為核心的模糊控制方法來設(shè)計恒溫控制系統(tǒng)，以解決產(chǎn)品溢膠問題。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。溫度控制具有延時和慣性的特點，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控制器等來控制溫度。對于此類位式調(diào)節(jié)器，有著不可避免的缺陷，當(dāng)實際溫度大于給定溫度時，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，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程控制的智能專用模塊，用PLC軟件實現(xiàn)模糊控制，來處理溫度控制，并能克服超調(diào)大的問題，提高控制精度。其實現(xiàn)方式具體有兩種：其一是通過專用的硬件實現(xiàn)，但其價格昂貴，通用性差，并需要專門的編程設(shè)備。還有一種方式是通過軟件實現(xiàn)，把模糊控制程序作為整個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輸出，通過中斷調(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，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℃，熱電偶電勢就會送給放大電路放大，而放大信號會與基準(zhǔn)電壓2 V比較，轉(zhuǎn)換為高低電平信號送給PLC，對于采樣信號執(zhí)行模糊算法的控制程序，輸出信號經(jīng)過放大，再通過晶閘管區(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)就會比較大，調(diào)節(jié)到設(shè)定值的時間就比較長，控制效果較差，為了提高控制精度，需采用模糊推理控制，對Kp、TI、TD參數(shù)進(jìn)行自整定，以提高控制精度?？刂圃砣鐖D2所示。

　由參數(shù)可調(diào)節(jié)PID完成對溫度系統(tǒng)的控制，模糊調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對PID 3個參數(shù)的自動校正。
　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為積分時間，TD為微分時間。
模糊控制作為PLC控制程序的一個子程序，其中包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號輸出。
　PLC通過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E，把誤差信號進(jìn)行模糊化處理(即通過模糊推理系統(tǒng))，得到了誤差E的模糊語言的一個子集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)。為了對被控對象進(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)，從而對被控對象實施控制。
3 模糊控制的實現(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)過程控制的實際經(jīng)驗得到一系列推理語言規(guī)則，寫成如下形式：
　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)系運算符號。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，再通過計算機(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。然后實時控制時，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
　模糊控制程序作為整個PLC控制程序的一個子程序，包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號輸出。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，通過模具對其截面形狀的控制，完成不同形狀的產(chǎn)品的加工，常見的截面形狀有矩形(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，通過相應(yīng)的引導(dǎo)模具引導(dǎo)導(dǎo)電布及泡棉傳動，在熱模中進(jìn)行加熱粘合(加熱粘合就是本文會主要探討的技術(shù)，通過對其溫度精準(zhǔn)的控制，使導(dǎo)電布包裹時通過合適的溫度進(jìn)行粘合但不會產(chǎn)生溢膠)，然后再通過冷模具加風(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單，但對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。
　所以該加熱過程必須引入恒溫控制，并通過借用軟件實現(xiàn)其控制。具體方法為：把模糊控制程序作為整個PLC控制程序的一個子程序，包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號輸出，通過中斷調(diào)用子程序來完成模糊控制。這種方法簡單，便于實現(xiàn)，但是參數(shù)整定比較困難，在實際中往往是根據(jù)經(jīng)驗來手動設(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)。本研究針對控制過程中出現(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，實測數(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％，上升時間縮短10％。模糊PID參數(shù)自整定控制的動態(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，溫度加溫至過高，使熱熔膠沾污了產(chǎn)品表面。而經(jīng)過模糊PID控制后，就沒有了這種現(xiàn)象，完全解決了溢膠問題，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，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)則個數(shù)不受系統(tǒng)硬件限制等特點，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
參考文獻(xiàn)
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