基于模糊PID在線熔融指數儀測控系統設計

文生平 張施華 陳志鴻 曾小英

摘要：為實現聚合物的熔融指數在線測量，實時監控加工過程，設計自行整定參數的PID控制器。首先，將自整定技術最常用的模糊規則用于PID控制器中，基于LabVIEW的PID控制模塊、模糊設計模塊、通信模塊等搭建模糊PID控制器，并借助simulink仿真平臺進行仿真。仿真結果表明，該控制器穩定性好、抗干擾能力強。然后，在增加毛細管流變儀循環流道的基礎上，利用LabVIEW中模糊工具箱和PID函數搭建測控系統并進行實驗測試。實驗結果表明：熔融指數測量值相對誤差為6.7%，系統具有良好在線控制準確度。

關鍵詞：PID；在線測量；在線控制；熔融指數；自整定參數；模糊規則

0引言

熔融指數是表征聚合物熔體流動及加工性能的重要指標，目前以離線測量方法為主。國外可實現在線測量熔融指數的公司有Goettfer、Therrmo、Haake和Toray，其中Goettfer公司采用增加循環流道的方法實現毛細管流變儀在線測量。Dealy等研究的轉動式流變儀只適用于一些高粘度熔體，Qin等研究的注塑式流變儀可測量的粘度范圍大，且流道過長對熔體加工產生不良影響。國內在這方面的研究尚處于起步階段。

在線熔融指數測量可以解決離線測量造成的滯后缺點，可實現聚合物生產過程的質量監控，進而控制質量變量。在線測量的實現不僅可以提高生產過程的自動化水平，還可以填補國內本研究領域的空白。

在線測量技術難度大，經典PID控制無法滿足要求，智能算法應運而生，各種智能算法被應用到流變儀控制系統中。通過查閱資料可知，加人參數自整定技術，可以實現對參數的實時改變，使系統進入穩定狀態。參考Goettfer公司的毛細管流變儀，本文將自整定技術與PID控制相結合，以IabVIEW平臺搭建上位機系統，基于Modbus協議搭建通信橋梁，以PLC為主節點搭建下位機系統，設計了模糊PID自整定控制系統。仿真結果表明，該模糊PID自整定控制器穩定性好、抗干擾能力強，并且實驗結果驗證了該系統可以在線測量熔融指數。

1在線熔融指數儀概述

實驗設備是由華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心自主研發的旁路式在線流變儀，此設備可以在線測量聚合物粘度。實驗設計的測控系統用于探究在線測量熔融指數方法。將毛細管流變儀安裝于對加工過程沒有影響的流道，通過調節3個齒輪泵的轉速，使毛細管口模前后2個壓力傳感器的壓力降保持在設定值，達到穩定的狀態。然后在線測量熔體的熔融指數。將穩態齒輪泵轉速轉換成此處熔體的流量，測量出熔體的密度，結合國際標準的10min時長，計算熔融指數的表達式為

旁路式在線流變儀實物圖及其內部機械結構簡圖如圖1所示。

2在線測控系統總體結構

在線熔融指數測控系統總體結構如圖2所示。

系統分為3部分，其中基于LabVIEW編寫上位機程序，程序調用了Modbus協議模塊、PID控制模塊、模糊控制模塊等。上位機與下位機通過Modbus協議進行通信。下位機采用貝加萊公司型號為X20CP1584的PLC。

測控過程是：壓力傳感器、熱電偶采集的數據通過PLC處理并傳輸到上位機，上位機處理數據并分析，輸出命令到PLC，PLC處理并傳輸給伺服驅動器，伺服驅動器控制電機進而改變齒輪泵的轉速。整個測試和控制的過程很快，可以達到實時控制的效果。

3模糊PID控制器設計

3.1控制器參數確定

模糊PID參數自整定控制器的結構如圖3所示。

3.2控制器性能分析

該測控系統是一個復雜系統.用機理法無法確定系統模型，屬于黑箱模型。據此，設計了系統辨識階躍響應實驗，利用Matlab的系統辨識工具箱，求出辨識參數，對應的傳遞函數為

在Simulink中建立系統的模糊PID模型，利用式（3）進行仿真。選擇兩組常規PID參數，第1組參數.k=5，k=60，k=0.08，第2組參數k=3，k=20，k=0.08。給系統同一個階躍信號，實驗條件均相同，仿真結果如圖5所示。

由圖可知，常規PID1比例系數最大，所以響應時間最短，積分系數大導致超調量大，給系統帶來振蕩影響；常規PID2積分系數小，沒有超調，但響應時間長，產生滯后；模糊PID由于加入模糊技術，3個系數是可以實時改變的，智能地避免了超調與振蕩問題，其綜合效果最好。

模糊PID的穩定性好是由于其參數kn、ki、ks可以實時改變，變化情況分別如圖6（a）～圖6（c）所示，3個參數同時調節到穩定狀態，此后系統穩定。

為了測試控制系統的抗干擾能力，在實驗進行到3 s時施加一個幅值為0.2、持續時間是0.1 s的干擾，PID控制器的信號變化如圖7所示。

結果顯示：與常規PID控制器相比，模糊PID控制器的抗干擾能力更強。

綜上，該模糊PID測控系統具有很好的穩定性和較強的抗干擾能力。

3.3在線測控流程

本熔融指數測控系統選擇增量式PID算法，其輸出增量為前后兩次采樣所計算的位置之差，即.

測控流程簡述為：熱電偶和3個壓力傳感器采集數據，經PLC內部程序處理數據，傳輸結果到LabVIEW程序中；計算偏差e（k）及其變化率ec（k），并分別與模糊控制器的設定值e和ec相比較，經模糊處理后再進行比例因子轉換，利用式（2）得到修正后的值：這些修正的PID值經過比例換算得到轉速改變量An（k），利用式（5）計算轉速，并輸入到PLC中：PLC內部程序處理后傳輸給伺服控制器進而調整伺服電機轉速，從而改變齒輪泵轉速，最終改變熔體狀態，實現質量控制。

4實驗結果

熔融指數測控系統的上位機界面如圖8所示。基于上述仿真結果與測控流程，為了驗證該在線熔融指數測控系統的可行性，實驗材料選用LDPE，測試溫度為180℃，壓力為2.986MPa，齒輪泵初始轉速為2r/min，進行實驗；穩定狀態時，齒輪泵轉速穩定在5r/min附近，如表4所示。

轉速平均值為5.048 r/min，測量出熔體密度為0.71 g/cm3，應用式（1），計算機測量出在線測量的熔融指數平均值為m=92.35 g。對比Tinius Olsen公司生產的MP993熔融指數儀，在相同條件下的測量結果為86.53 g，相對誤差為6.7%，實驗結果誤差在后續工作改進可以縮小。結果表明，本實驗設計的測控系統可以很好實現熔融指數在線測量與控制，具有可行性。

5結束語

本文將PID控制和模糊算法相結合，借助Matlab的模糊工具箱和LabVIEW的PID控制模塊，設計了模糊PID自整定參數控制器：基于TCP/IP的Modbus協議通信，實現上位機與PLC控制器的信息交流。該測控系統可以實現常規PID控制系統不能實現的參數自整定功能，其穩定性好、抗干擾能力強，實現了熔融指數的在線測量與系統的實時控制，對于其他非線性的復雜系統特別是實時測量系統的開發具有一定的參考意義。