基于模糊PID的硫化機控制系統設計

李 靖 韓建斌

（西安航天精密機電研究所，陜西西安710100）

0 引言

硫化膠囊是外胎自動定型硫化機的必備配件，主要作用是在外胎生產時對胎胚進行加壓以及傳熱，膠囊的硫化溫度對膠囊硫化的品質起著非常關鍵的作用，也是硫化機需要控制的主要參數。常規控制方法是在硫化過程中將硫化溫度連續測量出來，并將其送入PID控制器進行動態調節。由于硫化機運行環境比較惡劣，存在較多干擾，特別是存在閥漏時，容易引起系統超調和持續震蕩，因而常規的PID控制無法達到預期的效果。

模糊PID作為一種新興的控制方法，是把傳統的PID控制技術和模糊控制技術有機結合而形成的。該技術通過模糊算法對系統參數的改變、干擾、延遲等過程實時地進行數據檢測，將數據傳給PID控制器從而實現對系統的補償和控制，控制方法簡便易行、魯棒性好、適應性強。

1 模糊PID控制原理

模糊PID控制器的工作流程可用圖1來表示。

圖1 模糊PID控制器工作流程

每個采樣周期首先對當前值采樣，計算e（k）、ed（k），然后進行模糊化、模糊推理、解模糊化，得到Δkp（k）、Δki（k）、Δkd（k），根據式（1）計算kp（k）、ki（k）、kd（k），最后進行PID輸出。

2 模糊PID控制的實現

論域選擇為：[-3，3]，共七個等級，其中的子集對應為{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，參數取負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，隸屬函數選擇三角函數。該模糊PID控制器控制規則如下：如果{e=Xi&ed=Yj}則{U=Zk，i，j，k=1，2，…，7}。其中Xi，Yj，Zk為各自論域上的模糊語言值，根據溫差e、溫差變化率ed與控制量之間的關系，并結合實際控制經驗，確定模糊控制規則，如表1所示。

表1 模糊控制規則表

模糊規則表中的每一條模糊條件語句都對應相應的控制量U，由此得出模糊控制量，然后再按照隸屬函數中的位數方法，得出實際控制量U。將模糊規則表元素逐行依次存儲在PLC的保持繼電器中，通過基址偏移的方式來實現查表程序。硬件控制器采用西門子S7-300 PLC，A/D模塊采集溫度信息并傳輸到PLC中，經過算法處理查表找出所對應模糊論域中的元素，得到模糊輸出量，與輸出量化因子相乘后即得到實際輸出值，最后由D/A輸出模塊對閥門進行控制。

3 Simulink仿真

通過參考其他文獻對于溫度數學模型的研究成果，并結合硫化溫度自身的特點，結合之前硫化溫度的控制數據，建立被控對象數學模型。在MATLAB Simulink模塊搭建模糊PID控制系統仿真模型，如圖2所示。

圖2 溫度控制仿真系統結構圖

由于溫度變化是一個從無到有，上升到規定值并保持的過程，因此給定輸入信號為大小為1的階躍信號，仿真曲線如圖3所示。

圖3 溫度模糊PID控制仿真曲線圖

由仿真輸出曲線可以發現，模糊PID控制超調很小，響應速度很快，穩態誤差小。對于硫化溫度控制系統，模糊PID控制能在性能上充分滿足工藝要求和控制指標，控制精度大大提高。

4 結語

本文針對現有硫化機控制精度差的不足，結合生產工藝和控制系統的研究，開發了一套模糊PID控制系統，通過建模仿真充分論證了該控制系統的可行性和有效性。最后通過建立PLC離線查詢模糊規則表的方法來實現該控制過程，該方法簡便易行，有效改善了輪胎膠囊厚度均勻性和產品質量的穩定性。

[1]葉高文.模糊控制查詢表的MATLAB實現[J].工業控制計算機，2010（11）：64-66.

[2]張慧.MATLAB與PLC相結合的模糊控制系統在加熱爐溫度控制中的應用[J].遼寧化工，2014（6）：757-758.

[3]王國林，施斌，姬新生，等.基于人工智能技術的輪胎硫化優化[J].江蘇大學學報（自然科學版），2011，32（2）：144-147.