自校正PID在加彈機溫控器中的應用探討

李冠軍

摘 要： 在分析自校正PID控制方法的基礎上，本文對加彈機溫控器的設計和實現問題展開了分析。從溫控器性能驗證結果來看，采用自校正PID控制算法的溫度控制偏差不超出±1%。

關鍵詞： 自校正PID；加彈機；溫控器

引言：在紡織機械中，加彈機用于進行纖維材料處理，具有較高的精度控制要求。但是加彈機的溫度會受到材料吸熱能力、環境溫度等多種因素的影響，所以采用傳統控制算法難以滿足生產要求。而目前在工業過程控制中，自校正PID控制方法得到了較好的應用。因此，還應加強對自校正PID在加彈機溫控器中的應用分析，以便更好的滿足加彈機溫控需求。

1自校正PID控制分析

自校正PID控制為自適應控制方式的一種，可用于解決非線性、時變過程。該種控制方法對自適應和PID控制的優點進行了集成，可以劃分為模擬控制和數字控制兩種。相較于模擬控制，數字控制可以利用計算機實現，不僅性能可靠，同時靈活性較高，成本較低，可以達到較高的溫度控制精度，并體現智能化特點。采用自校正PID控制方式，需要對少量參數進行整定，結合系統參數變化對控制器參數進行在線調整。完成適當極點配置，則能以最小方差實現控制，使系統動態特性得到改善。由于計算量較小，所以能夠實現實時控制。從原理上來看，自校正控制器由兩個控制回路構成，外環由數控制器和控制器設計計算兩部分構成，內環由常規控制器和被控對象構成。采用遞推算法，可以完成參數估計。為簡化計算過程，還要采用極點配置法，結合被控對象特征完成自校正最小相位系統設計，使系統具有閉環特性。而將參數估計遞推算法與各種控制算法結合在一起，則能實現系統參數的實時自動校正。

2自校正PID在加彈機溫控器中的應用

2.1加彈機溫控需求

加彈機為拉伸滌綸長絲的變形機，可以在纖維處理上得到應用，以獲得高彈力纖維。在加彈機工作的過程中，需要實現對恒溫箱溫度的精確控制，才能滿足設備應用要求。分析恒溫箱的結構和力學原理可以發現，其利用電熱絲通電實現加熱管加熱，促使整個恒溫箱空氣溫度上升[1]。與此同時，保溫層溫度也將提升，伴隨著保溫層散熱加大，散熱功率將逐步提升，直至與加熱功率相等。由于恒溫箱溫度控制為單輸入、單輸出，所以可以建立相應的差分模型，如式（1）所示。式中，y（k）為系統溫度輸出，u（k）為系統輸入熱功率，d指的是系統滯后采用周期，a、b、k等為系數，t為時間。

y（k）+a1y（k-1）+a2y（k-2）=b0u（k-d）+b1u（k-d-1）+e（t） （1）

完成被控對象控制模型建立后，需要完成相關系數的辨識，利用最小二乘法對模型參數估計值進行獲取，即結合實際觀測值與計算值累計誤差平法和最小值確定模型輸出結果。采取該種系數辨識方法，能夠使計算機運算負荷得到減輕。結合控制對象特征，則能通過遞推辨識得到系統閉環辨識控制函數。

2.2溫控器的設計

在實際進行溫控器設計時，需要認識到PID控制為二階控制，階數相當于溫控對象階數，可以使系統閉環辨識條件得到滿足。采用極點配置的自校正算法，需要利用以常規控制策略為基礎的自校正器實現控制。首先，需對期望系統閉環極點位置進行確認，然后完成系統參數的在線估計和識別。在此基礎上，需要依次完成控制器參數和控制率的計算。數字PID控制器的傳遞函數Z如式（2）所示，式中g1=-[Kp+2KpTD/T]，g2=KpTD/T，g0=Kp+KpT/T1+KpTD/T。

G（z）=（g0+g1z-1+g2z-2）/（1-z-1） （2）

在根平面左半面，存在函數零點，所以可知系統為最小相位系統，能夠使g2′=a2，g1′=a1，f1′=b1/b0，得到式（3）。對系統參數進行在線辨識，則能使控制器的控制參數隨控制對象參數變化發生改變。

u（k）=u（k-1）+g0e（k）+g0a1^e（k-1）+g0a2^e（k-2）+b1^[u（k-2）+u（k-1）]/b0（3）

2.3溫控器的實現

在加彈機的溫控器設計上，需要完成較多控制點的設置。所以在溫控器實現過程中，需要完成多路數字輸出和多路選擇的實現。在電路通道選擇上，應采用多個模擬開關芯片，以構成120路通道。數字輸出功能的實現，可利用5片8255擴展得到120路輸出。在溫度計算、通道切換、按鍵中斷處理等方面，可以采用MPU實現各項功能。從系統硬件組成上來看，包含中央控制處理模塊、輸入模塊、放大模塊、模數轉換模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等。從控制器工作流程上來看，系統一開機，會先對計數位和標志位進行清零，確認有上電標志后，建立標志，完成系統初始化[2]。初始化完成后，確定是否產生定時器中斷或A/D中斷，如果有中斷產生，執行相應的中斷操作。無中斷，需要確定標記為是否有效，有效需進行溫度計算或PID數據處理，在計數值加1后重新返回到是否存在中斷的判定程序中。

2.4溫控器性能驗證

為確定控制器的性能，需要利用實驗室電加熱裝置對自校正PID算法和普通PID算法的控制效果進行比較，采用盛有水的電熱杯進行溫度控制。從實驗結果來看，在85℃的恒溫控制過程中，采用普通控制算法溫度在83-87℃范圍內浮動，采用自校正PID控制算法溫度在84-86℃內浮動，因此溫度控制偏差不超出±1%，能夠獲得更高的溫度控制精度。

結論：通過分析可以發現，在加彈機溫控器設計中，采用自校正PID控制方法，能夠利用溫控系統模型動態變化控制能力對溫度進行實時在線控制，使溫度控制偏差不超出±1%，所以能夠更好的滿足恒溫箱的溫度控制要求。因此相信在加彈機溫度控制方面，該種溫控器可以獲得較好的應用前景。

參考文獻

[1]馬其明，樊亞娟.基于車間聯網的化纖加彈機嵌入式控制系統[J].科技創新與生產力，2015（06）：62-64.

[2]張葉興，湯祝忠，郭茂明等.加彈機高溫短熱箱的清潔方式對DTY生產的影響[J].聚酯工業，2014，27（05）：32-34.