基于大林算法的熱壓爐爐溫PLC控制研究

摘 要：本文以金屬基復合材料制備中的熱壓爐為研究對象，分別采用傳統PID控制和大林算法進行仿真研究。結果表明，大林算法較傳統的PID控制可以更穩定地控制熱壓爐溫度，而且大林算法在被控對象模型失配時，仍然可以得到較好的控制效果。

關鍵詞：熱壓爐；爐溫；大林算法；PID；模型失配

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0148-02

Research on PLC Control of Furnace Temperature of Hot Pressing

Furnace Based on Daolin Algorithm

XIN Haiyan

（School of Electronics and Computer Engineering， Southeast University Chengxian College，Nanjing Jiangsu 210088）

Abstract： In this paper， the hot pressing furnace in the preparation of metal matrix composites was taken as the research object， the traditional PID and Dalin algorithm were used to control the simulation， and the Daolin algorithm control system was test. The results showed that the Daolin algorithm could control the temperature of the hot stamping furnace more strictly than the traditional PID control， and the Dalin algorithm could get the better control effect when the controlled object model was mismatched.

Keywords： hot pressing furnace；furnace temperature；Dalin algorithm；PID；model mismatch

熱壓爐是金屬基復合材料制備中應用最多的加熱設備，用于對材料的分斷加熱和冷卻等。熱壓爐的溫度參數對金屬基復合材料生產有很大影響，溫度控制精度和穩定度直接影響材料質量和能源利用效率。熱壓爐是一個具有較大純滯后和時間常數的溫度控制對象，傳統的PID控制易于整定，適應性強，但不能有效控制熱壓爐這樣難以建立精確數學模型、含有滯后、非線性的系統[1]。PID控制對于模型失配時滯系統的控制效果不理想。本文以金屬基復合材料加工中常見的熱壓爐系統為被控對象，采用PLC控制和大林算法對熱壓爐進行研究，解決金屬基復合材料熱處理中的溫度控制問題，實現精度高、響應快的溫度控制。

1 熱壓爐系統算法設計

1.1 系統數學模型

將金屬基復合材料熱壓爐系統中的固態繼電器、熱壓爐、溫度變送器整體作為被控對象。采用飛升曲線的測試方法，對系統加階躍信號作用，使用記錄儀記下熱壓爐的飛升曲線，如圖1所示。被控對象熱壓爐爐溫可以近似為帶有純滯后的一階慣性環節，其傳遞函數為：

[Gc（s）=KT1s+1e-τs=10.4s+1e-0.74s] （1）

[階躍響應曲線][一階近似曲線][y（t）][y（∞）]

圖1 熱壓爐爐溫飛升曲線

1.2 大林算法控制器設計

大林算法是IBM公司的大林（Dahlin）在1968年提出的一種針對工業生產過程中含有純滯后被控對象的控制算法。大林算法的設計目標是設計一個合適的數字控制器，使整個閉環系統的傳遞函數[?]（s）相當于一個帶有純滯后的一階慣性環節，并期望整個閉環系統的純滯后時間和被控對象Gc（s）的純滯后時間τ一致[2]。熱壓爐爐溫控制對加熱和冷卻的波動，即系統的超調量要求較高，而對調節時間要求不高。對于這樣的被控對象，可以選擇大林算法實現控制要求[3]。

按照大林算法的設計目標，將熱壓爐爐溫控制系統閉環傳遞函數等效為：

[?（s）=1Tτs+1e-τs] （2）

式（2）中，Tτ為熱壓爐閉環系統時間常數。

將式（2）經過z變換，得到整個熱壓爐閉環系統的脈沖傳遞函數：

[?（z）=zH0（s）?（s）=z1-e-Tss1Tτs+1e-τs=z-N-11-e-T/Tτ1-e-T/TτZ-1]（3）

熱壓爐廣義對象的脈沖傳遞函數為：

[GC（z）=zH0（s）GC（s）=z1-e-TssKT1s+1e-τs =Kz-N-11-e-T/T11-e-T/T1z-1] （4）

按照數字控制離散化的設計算法，熱壓爐控制系統大林算法數字控制器脈沖傳遞函數為：

[Dz=1G（z）?（z）1-?（z） =（1-e-T/Tτ）（1-e-T/T1z-1）K（1-e-T/T1）1-e-T/Tτz-1-（1-e-T/Tτ）z-N-1] （5）

2 熱壓爐系統仿真與試驗結果分析

設熱壓爐系統采樣周期T=0.35s，設定給定溫度為160℃。在Simulink下進行仿真，分別采用PID控制算法和大林控制算法仿真，設定PID控制參數分別為KP=0.6、KI=0.9、KD=0.05，得到如圖2所示仿真曲線。由圖2可知，響應開始后，大林控制算法響應快于PID控制，當達到1.2s后，PID控制響應速度又快于大林控制算法，但PID控制有超調量，且動態調節時間較長。大林控制算法無超調，而且調節時間短，系統逐漸趨向于穩定狀態。

當熱壓爐放大系數K=1.1，慣性時間常數T1=0.42，純滯后時間τ=0.76s，引起系統模型完全不匹配，大林算法控制器和PID控制器的參數仍然保持不變，仿真結果如圖3所示。

由圖3可知，當參數K失配以及模型完全失配時，PID控制超調量明顯增加超過12%，而且調節時間較長。大林算法控制調節時間短，雖然在放大系數K失配以及模型完全失配時，大林控制算法也出現超量，但超量較小，不影響熱壓爐控制系統的控制效果。從以上結果來看，大林算法控制效果明顯優于PID控制。

[溫度（℃）][時間（s）][PID仿真曲線][大林算法仿真曲線][180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

][0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10]

圖2 熱壓爐溫度控制結果

[時間（s）][溫度（℃）][PID仿真曲線][大林算法仿真曲線][0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10][200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0]

圖3 模型完全失配控制結果

3 結論

本文分別采用PID和大林算法對金屬基復合材料加工熱壓爐控制對象進行控制仿真研究。結果表明，大林控制算法溫度控制精度高，控制效果優于傳統的PID控制，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]丁曉迪，崔寶同.參數不確定史密斯預估器的自適應控制[J].計算機工程與設計，2016（11）：3007-3011.

[2]曹佃國，王強德，史麗紅.計算機控制技術[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[3]潘玉成，林高飛，陳小利，等.基于模糊專家控制的茶葉炒制溫度控制系統[J].食品與機械，2016（11）：79-84.