基于PLC的模糊PID在熱壓機控制系統中的應用研究

（平頂山學院 電氣信息工程學院，平頂山 467000）

0 引言

熱壓機是人造板生產中的重要加工設備，現代人造板熱壓機的厚度控制，一般采用電液伺服系統或機液伺服系統通過PID調節進行閉環控制。但作為壓制對象的人造板纖維或刨花等是一種不連續介質，在壓制過程中由于厚度的變化，引起負載變化對液壓系統的工作壓力的變化沒有一個確定的數學模型，非線性非常明顯。因此，即使應用PID調節控制，也難以收到滿意的效果。而模糊控制正是一種非線性控制，不需要精確的數學模型。因此，本研究以模糊控制與傳統PID控制相結合的新控制方式對刨花板熱壓過程中的厚度控制進行試驗與仿真分析。

1 熱壓機控制系統

1.1 熱壓機控制系統原理圖

主要設備有S7-200CPU226、EM232、EM235、激光傳感器ZX-LD300、功率放大器ZX-LDA41、電液比例閥EFBG-03、一臺臺灣朝田生產的YYSYT-001型開放式液壓綜合實驗臺、MS-2壓力變送器兩個、DS-12-FR定量泵與MVP-30-F/A3變量泵等。熱壓機控制系統原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統原理圖

1.2 熱壓機控制系統數學模型

結合實驗系統中各環節的實際參數，求出各環節的傳遞函數，最后求得被控對象的傳遞函數（詳細過程見參考文獻2）為：

1.3 基于PLC模糊PID控制原理圖

基于PLC模糊PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 熱壓模糊PID控制框圖

圖2中，kp是比例系數，ki是積分系數，kd是微分系數。模糊PID控制器通過PLC把模糊控制、專家系統以及PID控制器結合起來，利用專家系統知識實時修正PID參數，以達到最佳控制效果。

2 模糊PID控制規則

實驗思路：首先通過做大量的PID控制試驗獲取本系統控制的專家系統知識，并記錄系統偏差、偏差變化率、上升時間和控制輸出等實驗數據和曲線，其次確定P、I、D各參數范圍，然后取不同的P、I、D再進行實驗，最后分析得出模糊PID控制規則。

2.1 P、I、D參數范圍的確定

要確定模糊PID控制規則，必須先確定每一個單獨參數的具體范圍。實驗方法為：1）I、D為定值，改變P值，每次實驗50次；2）P、D為定值，改變I值，每次實驗50次；3）P、I為定值，改變D值，每次實驗50次。在保證系統穩定的條件下，通過大量的實驗，最后確定P的范圍為[1,30]；I的范圍為[1,10]；D的范圍為[0,0.006]。

2.2 實驗及PID控制規則的確定

根據PID各參數的范圍任意選取P、I、D參數各六個，觀察實驗效果。根據確定P、I、D各參數范圍時的實驗結果與分析，選取P值為28、15、10、7、2、1；I值為 9、7、6、4、3、1；D值為 0.006、0.003、0.001、0.0005、0.0001、0，進行216次試驗，反復對實驗結果分析驗證，而后確定模糊PID控制規則如表1、表2和表3所示。

表1 kp 控制規則表

表2 ki 控制規則表

表3 kd 控制規則表

根據模糊控制規則表可以分別求出kp、ki和kd控制規則表參數在不同偏差和偏差變化率下的所有模糊取值的隸屬度，然后根據e的測量值，并根據反模糊化加權平均規則進行判決，即可求出kp、ki和kd的精確控制參數kp、ki和kd值，即：

3 仿真

3.1 模糊PID仿真模型

在SIMULINK環境中建立的模糊PID仿真模型如圖3所示。

圖3 熱壓模糊PID系統仿真框圖

3.2 三種控制方式的仿真比較

對單位負反饋閉環控制、經典PID控制與模糊PID控制等三種控制方式的階躍響應進行仿真，仿真曲線如圖4所示 。

圖4 仿真曲線圖

圖4表明：經典PID控制與單位負反饋閉環控制相比，經典PID控制出現較大的超調量，但上升時間大大縮短，振蕩后趨于穩定。而與經典PID控制相比，模糊PID控制的性能又有了顯著的提高，振蕩明顯減小，上升時間縮短。

4 結束語

在對人造板熱壓工藝流程分析的基礎上，把模糊控制與傳統PID控制相結合的新控制方法應用于熱壓機控制系統，通過對大量實驗數據的分析研究，以及對不同控制方法控制效果的仿真分析，結果表明，這種新的控制方法控制效果理想。

[1] 楊承, 等.新型實驗熱壓機的控制系統[J].林業機械與木工設備, 2003, 31(4): 20-22.

[2] 卞和營, 曹小榮.基于PLC的液壓位置控制系統建模與仿真[J].煤礦機械, 2009(7): 51-52.

[3] 趙巖.基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統的研究[J].機械制造自動化, 2010, 32(2): 179-181.

[4] 梅曉榕.自動控制原理[M].北京: 科學出版社, 2002:202-226.