溫度控制在屏蔽泡棉生產中的應用

朱錦華

(派克漢尼汾液壓系統上海有限公司，上海 201206)

溫度控制在工業控制中被廣泛應用，是極其重要的控制之一。溫度控制具有延時和慣性的特點，它的數學模型較難建立。工業生產中，常用位式調節器和PID控制器等來控制溫度。對于此類位式調節器，有著不可避免的缺陷，當實際溫度大于給定溫度時，系統不加電壓，導致了超調和控制精度差，甚至出現失控。雖然PID有著較好的控制，但需大范圍變化溫度時，PID控制器的參數是很難確定的，而PID控制也不能總是處于最佳狀態，甚至在控制過程中發生超調。隨著PLC技術的不斷發展，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軟件實現模糊控制，來處理溫度控制，并能克服超調大的問題，提高控制精度。其實現方式具體有兩種：其一是通過專用的硬件實現，但其價格昂貴，通用性差，并需要專門的編程設備。還有一種方式是通過軟件實現，把模糊控制程序作為整個PLC控制程序的子程序，包括數據的讀取、模糊推理和控制信號輸出，通過中斷調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品生產中的應用。

1 溫度控制系統

溫度控制系統結構如圖1所示。系統采用FX微型機，配以模擬量輸入輸出模塊FX-4AD、FX-2AD，該系統掃描速度快，抗干擾能力極強，當溫度上升到95%以前，采取全壓控制，大大節約升溫時間，加熱區一旦上升到95%，采用模糊控制，提高了控制精度，當上升到給定值的102%時，采取失壓控制，使加熱塊溫度快速下降。假設設定溫度為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電壓2 V比較，轉換為高低電平信號送給PLC，對于采樣信號執行模糊算法的控制程序，輸出信號經過放大，再通過晶閘管區控制加熱區域。

圖1 溫度控制系統結構

2 模糊控制原理

如果采用傳統PID控制，控制溫度的超調就會比較大，調節到設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參數進行自整定，以提高控制精度。控制原理如圖2所示。

圖2 系統控制原理

由參數可調節PID完成對溫度系統的控制，模糊調節器實現對PID 3個參數的自動校正。

數字PID的位置式算法如式(1)：

Kp為比例系數，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，其中包括數據的讀取、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，把誤差信號進行模糊化處理(即通過模糊推理系統)，得到了誤差E的模糊語言的一個子集e，再由e模糊控制規則R，根據合成規則進行決策，得到模糊控制量為U(U為模糊量)。為了對被控對象進行精確的控制，還需將模糊量U轉化為精確的數字量，再經D/A轉換，送給執行機構，從而對被控對象實施控制。

3 模糊控制的實現

本系統采用二維模糊控制。設模糊變量為：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 為 ：負 大(NB)，負 小(NS)，負 零(NZ)，正 零(PZ)，正 小(PS)，正大(PB)。系統中溫差、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的論域設定為+u，其范圍定為[-6，+6]。

本系統為雙輸入單輸出模糊控制，根據過程控制的實際經驗得到一系列推理語言規則，寫成如下形式：

IF E=(NB)and EC=(PB)，then U=(PB)

例如：溫度偏差(E=e’)為負大且偏差變化率(EC=ec’)為正大，則輸出控制增量(U=Δu)應為正大，以減少負偏差，使其趨近于給定值。根據這些模糊條件語句可歸納為模糊關系：

式(2)中，“×”為模糊關系矩陣的關系運算符號。由E、EC及上式推理合成規則，得到控制增量模糊集U為：

求出控制決策U，再按隸屬函數中位數方法得到相應的控制增量Δu，再通過計算機離線反復調試修正，就可得到相應的模糊控制規則表。然后實時控制時，根據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，包括數據的讀取、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 模糊控制具體應用

所謂泡棉產品，就是泡棉芯被導電布包裹，在接縫處貼膠帶。如圖4所示。

圖3 模糊控制程序流程圖

本單位主要生產的產品有SS3500、SS5000、SS4000、SS2000、SS1000 等 ，SS3500加工工藝是鎳銅導電布包裹泡棉加熱粘合處理，屬于“外包裹”產品。

SS3500產品是由導電布和泡棉包裹而成的產品，通過模具對其截面形狀的控制，完成不同形狀的產品的加工，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。

圖4 泡棉產品示意圖

圖5 SS3500工藝流程圖

其中導電布就是截面外圍包裹的一層布，泡棉作為內芯，通過相應的引導模具引導導電布及泡棉傳動，在熱模中進行加熱粘合(加熱粘合就是本文會主要探討的技術，通過對其溫度精準的控制，使導電布包裹時通過合適的溫度進行粘合但不會產生溢膠)，然后再通過冷模具加風冷進行冷卻至常溫，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，不能在導電布接縫處有溢膠(該溢膠即導電布上熱熔膠，通過加熱，使其與泡棉粘合的粘結劑)，從而影響產品屏蔽效果。

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，包括數據的讀取、模糊推理和控制信號輸出，通過中斷調用子程序來完成模糊控制。這種方法簡單，便于實現，但是參數整定比較困難，在實際中往往是根據經驗來手動設定PID參數，且一組整定的參數不能完全適應不同的溫度控制工藝要求，還易產生較大的超調。本研究針對控制過程中出現的升溫速度慢、超調量大、控制精度不高等現象，利用PLC編程軟件采用模塊化編程方法，使用編制程序實現模糊控制算法，對標準的PID控制模塊的KP、TI和TD進行模糊參數自整定，以達到良好的控制效果和良好的穩定性。

將模糊PID控制系統應用于熱模加熱區域控制系統中，實測數據表明模糊PID參數自整定控制較常規的PID控制有更好的控制效果。設定保溫溫度為200℃，分別采用兩種不同的控制方式，模糊參數自整定控制的超調量比常規PID控制降低70%，上升時間縮短10%。模糊PID參數自整定控制的動態和靜態特性全面改善，表現出良好的魯棒性。

而超調量的大大降低，直接影響了產品加工的質量，提高了產品的性能，見圖6。

圖6 模糊控制與傳統PID控制效果結比

從上圖中可以看，傳統PID控制后的產品有溢膠產生，這就是超調導致的結果，溫度加溫至過高，使熱熔膠沾污了產品表面。而經過模糊PID控制后，就沒有了這種現象，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里得到應用。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最佳。

將模糊控制與PLC控制系統相結合，既顯示了PLC的可靠、靈活、適應性強的特點，也大大提高了控制系統的智能化程度。基于模糊控制的PLC系統適用于很多場合，控制程序易于模塊化、標準化，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，模糊變量和模糊規則個數不受系統硬件限制等特點，降低了系統的開發成本，擴大了應用范圍。

[1]高欽和.可編程控制器應用技術與設計實例[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2]黃水紅.可編程控制器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2003.