模糊自整定PID控制在清梳聯(lián)連續(xù)喂棉中的應(yīng)用

胡玉汞

（三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明365001）

清梳聯(lián)是棉紡織廠的第一道工序，它將原棉經(jīng)過開松、混和、精開松、主除雜、除微塵、梳理，最終制成棉條。優(yōu)質(zhì)棉條是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紗線的基礎(chǔ)，棉條的某些質(zhì)量缺陷在以后的工序中無法得到彌補。為了保證清梳聯(lián)的成紗質(zhì)量，尤其是成紗條干質(zhì)量，現(xiàn)代清梳聯(lián)系統(tǒng)必須實現(xiàn)全流程連續(xù)喂棉的自動控制［1］。

由于清梳聯(lián)喂棉控制系統(tǒng)是一個非線性、時變和分布參數(shù)系統(tǒng)，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的理論計算整定法很難準(zhǔn)確確定PID控制器參數(shù)，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整修改，給棉很不均勻，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，波動很大。所以本系統(tǒng)采用PLC作主控制器，自整定模糊PID算法為核心算法來控制交流電機，保證控制的準(zhǔn)確性和快速性，保證穩(wěn)定均勻給棉。

1 控制系統(tǒng)原理

系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示，清梳聯(lián)喂棉控制系統(tǒng)工作原理為：首先壓力傳感器檢測輸棉管道的壓力，與管道壓力設(shè)定值（期望值）相比較，計算實際值和設(shè)定值之間的偏差，再由主控制器PLC根據(jù)偏差通過智能模糊PID算法計算得出控制量，輸出一模擬量信號控制變頻器，實時地控制輸棉風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，整個系統(tǒng)由PLC、變頻器和觸摸屏等組成。PLC采用西門子S7—200系列CPU224XP。由PLC根據(jù)不同的輸入指令進(jìn)行各數(shù)字量的邏輯控制和模擬量的處理和數(shù)據(jù)運算。最后通過變頻器控制電機的運轉(zhuǎn)速度來控制輸棉管道的壓力，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖1 系統(tǒng)控制原理框圖

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

（1）采用觸摸屏作為人機界面。系統(tǒng)的各項操作指令通過觸摸屏及通訊電纜傳送到PLC，采用RS－485通訊方式，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)，PLC根據(jù)操作指令和預(yù)先設(shè)計好的程序進(jìn)行相應(yīng)的動作控制。

（2）PID控制器的參數(shù)在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)定。觸摸屏通過讀取PLC相應(yīng)存儲器的數(shù)值顯示被控系統(tǒng)的壓力數(shù)值及變化情況。

（3）經(jīng)壓力傳感器檢測的壓力通過PLC的AI口進(jìn)行模擬量的輸人，智能模糊PID算法計算得出控制量通過AQ口進(jìn)行模擬量輸出，數(shù)據(jù)類型為一個字長（16位）。

3 模糊PID控制器的設(shè)計

3.1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自整定模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是由傳統(tǒng)PID控制器和模糊控制器兩部分組成。其思想是將壓力偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，進(jìn)行模糊化處理；然后，在模糊控制器內(nèi)，對模糊化的偏差e和偏差變化率ec進(jìn)行模糊邏輯決策，應(yīng)用模糊推理算法和解模糊化方法——重心法，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；最后從模糊控制輸出PID控制器的三個輸入變量ΔKp、ΔKi和ΔKd，并進(jìn)行在線控制。通過模糊控制器對PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整，以滿足在不同時刻e和ec時對PID控制器參數(shù)的自整定要求，使系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。

3.2 論域與隸屬度函數(shù)

系統(tǒng)將采樣得到的壓力信號與給定值加以比較，得到系統(tǒng)的誤差和誤差變化率。經(jīng)過量化得到系統(tǒng)的輸人語言變量E和EC，輸出變量為△Kp、△Ki和△Kd。

誤差E和誤差變化率Ec的模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，對應(yīng)的論域為：｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝。

輸出變量△Kp、△Ki和△Kd的模糊子集為：｛NB，NMB，NM，NMS，NS，ZO，PS，PMS，PM，

PMB，PB｝，對應(yīng)的模糊論域為：｛－l，－0.8，－0.6，－0.4，－0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。

輸入語言變量E和Ec，輸出△Kp、△Ki和△Kd均采用三角型隸屬函數(shù)。三角型隸屬函數(shù)具有較高的靈敏度，它們論域所對應(yīng)的模糊語言變量的隸屬函數(shù)如圖4、圖5所示。

圖4 輸入變量E和EC的隸屬度函數(shù)曲線圖

圖5 輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd隸屬函數(shù)曲線

3.3 PID參數(shù)調(diào)整規(guī)則

對于模糊PID控制器而言，為了獲得良好的動靜態(tài)特性，在不同的輸入量區(qū)域內(nèi)，選取PID參數(shù)的要求是不同的。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等特性考慮，通過 Kp、Ki、Kd三個參數(shù)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響進(jìn)行歸納，可以得到以下模糊PID算法的參數(shù)自整定原則：

（1）當(dāng)｜e｜較大時。為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，同時為防止積分飽和，應(yīng)去掉積分作用，取Ki＝0。

（2）當(dāng)｜e｜和｜ec｜中等大時，為使系統(tǒng)避免產(chǎn)生過大的超調(diào)量，應(yīng)取較小的Ki值，Kp和Kd的取值要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）當(dāng)｜e｜較小時，為了使系統(tǒng)有較好穩(wěn)定性能，應(yīng)增大Kp、Ki值，同時為了避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩，及考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)適當(dāng)選取Kd。若｜ec｜較小，則 Kd可取大些：當(dāng)｜ec｜較大時 Kd取小些，以使系統(tǒng)響應(yīng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能［2］。

根據(jù)上述PID參數(shù)的作用以及在不同的偏差和偏差變化率時對PID參數(shù)的要求。即可制定出△Kp、△Ki和△Kd的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 所示模糊控制表

3.4 調(diào)整PID參數(shù)

根據(jù)模糊規(guī)則表，將輸入模糊集合映射成輸出模糊集合，再利用去模糊化得到輸出變量查詢表，分別求出某采樣時刻的△Kp、△Ki、△Kd具體值之后，將校正值按下列公式賦給Kp、Ki、Kd。

Kp＝Kp0＋△Kp

Ki＝Ki0＋△Ki

Kd＝Kd0＋△Kd

式中：Kp0、Ki0、Kd0—Kp、Ki、Kd的初始值。PLC就可以通過對模糊規(guī)則的處理，實時運算，實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線調(diào)整。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC根據(jù)采集到的誤差和誤差變化率輸入信號，軟件依據(jù)設(shè)置的模糊控制參數(shù)，進(jìn)行e和ec的模糊化，得到E和EC。依照E和EC的值，查找模糊規(guī)則表，求出△Kp、△Ki和△Kd的值，將模糊控制器的輸出量△Kp、△Ki和△Kd與PID參數(shù)的初始值疊加，可得到當(dāng)前時刻的PID參數(shù)：Kp、Ki、Kd。即得PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)Kp、Ki和Kd，最后根據(jù)PID控制算法計算輸出控制量。

5 結(jié)論

在PID控制的基礎(chǔ)上設(shè)計了自適應(yīng)模糊PID

控制系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，又有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，還可以實現(xiàn)參數(shù)的在線自整定、自調(diào)節(jié)，保證穩(wěn)定均勻給棉，提高生條質(zhì)量。

［1］趙志剛，楊麗麗.連續(xù)喂棉技術(shù)在清梳聯(lián)電氣控制中的應(yīng)用［J］.棉紡織技術(shù)2004，32（2）：47—48.

［2］許力.智能控制與智能系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.