不確定性塑膠硫化過程的仿人智能控制策略

李會軍

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造技術(shù)學(xué)院， 重慶 401120)

1 背景

橡膠在當(dāng)今工程材料領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，是被廣泛應(yīng)用的工程材料，在交通、能源、航天航空及宇宙開發(fā)等領(lǐng)域和現(xiàn)代尖端科技的各方面發(fā)揮著重要作用。塑膠制品由高分子材料構(gòu)成，一些高分子材料經(jīng)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以改善塑膠制品的耐熱性和力學(xué)性能，但熱塑性彈性體在塑煉和混煉后只有經(jīng)過硫化(橡膠的硫交聯(lián)反應(yīng))才具有良好的彈性[1-4]。橡膠硫化的含義是將構(gòu)成橡膠的線性大分子鏈經(jīng)過化學(xué)交聯(lián)以形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程，經(jīng)過硫化可以改變膠料的物理性能以及其他性能。塑膠制品特性與多種因素相關(guān)，更與制品生產(chǎn)過程的硫化溫度、硫化壓力和硫化時間緊密相關(guān)，但目前國內(nèi)不少設(shè)備在控制方法方面相對落后，不當(dāng)?shù)目刂茻o助于橡膠大分子鏈之間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)鍵。將橡膠大分子鏈相互連接在一起形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以改善橡膠的彈性、強度和模量等物理機械性能，并在受到長時間應(yīng)力后仍舊保持網(wǎng)鏈位置不變，從而實現(xiàn)塑膠制品結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定不變[5-9]。不當(dāng)?shù)娜斯た刂仆鶗艿讲僮髡呓?jīng)驗和技能等主觀因素的影響，塑膠制品的物理化學(xué)性能主要取決于在硫化階段對物理成形的控制效果，更與控制策略緊密相關(guān)。

2 硫化過程的控制論特性

2.1 硫化過程控制中存在的問題

硫化過程控制中存在的難點是由過程的控制論特性決定的[10-11]。從硫化過程控制中存在的問題可以總結(jié)出控制論特性，再根據(jù)控制論特性尋找出與控制論特性匹配的硫化過程控制策略。硫化過程控制中存在以下問題：

1) 塑膠制品是由高分子材料構(gòu)成的，物料的復(fù)雜性導(dǎo)致不確定性因素影響增加。膠料與各種助劑在特定條件下發(fā)生交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)后，會因受不確定性因素影響使合格產(chǎn)品方差分布大，因此如何克服不確定性因素影響是控制難點之一。

2) 膠料本身并非良好的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱性能差，在硫化過程中制品內(nèi)部各個點的溫度場分布是非均勻的，呈現(xiàn)出熱傳遞的超大純滯后與大慣性特性，這也是控制工程中需要解決的瓶頸問題之一。

3) 硫化是一個具有強非線性特性的過程，迄今為止還沒有成熟的控制經(jīng)驗和方法可以借鑒和遵循，因此被列為工程中的控制難點。

4) 硫化過程的溫度場是分布式的，例如：由于時滯的影響，硫化過程中制品分布在不同內(nèi)、外層的塑膠不可能同時達到正硫化點溫度。因此，對硫化過程實施范式的定量控制非常困難。

5) 膠料分布的不均勻等因素導(dǎo)致最佳硫化程度難以確定。

等效硫化和硫化時間與硫化效應(yīng)E的關(guān)系為

式中：K是硫化溫度系數(shù)；I為硫化強度(1/s)；τ1，τ2分別為硫化的起始和終止時間(s)。等效硫化是指在Δτ很小時，其近似計算硫化效應(yīng)E為

式中：硫化標(biāo)準(zhǔn)溫度為t0(℃)；E0為達到t0時的硫化效應(yīng)。

2.2 硫化過程控制論特性

綜上，硫化過程事實上是一個具有不確定性的復(fù)雜過程，其控制論特性可以歸納如下：

1) 膠料成分復(fù)雜，過程參數(shù)分布具有極大的不確定性。事實上，過程參數(shù)一直處于變化中，因此， 過程參數(shù)具有時變性。

2) 硫化物料不是良導(dǎo)熱體，硫化過程具有大慣性和大純滯后的特性，其簡化模型可以粗略地用1階慣性環(huán)節(jié)加1個滯后環(huán)節(jié)進行等效。

3) 硫化過程具有強非線性特性，這是由熱傳遞關(guān)系的復(fù)雜性決定的。

4) 硫化過程中的高分子物料屬性決定了硫化過程的時滯參數(shù)必然具有未知性與時變性。

5) 除上述控制論特性外，外部環(huán)境干擾難以預(yù)料，硫化過程呈現(xiàn)出未知性、隨機性及多樣性。

事實上，對于高度非線性、半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化、各要素間高度耦合與互相制約的塑膠硫化過程，采用傳統(tǒng)的控制策略(如PID控制等)不可能達到與上述控制論特性相匹配，必須尋找新的控制策略。

3 控制策略與控制方法

3.1 控制策略

硫化屬于不確定性復(fù)雜過程控制問題，難于數(shù)學(xué)建模，因此，常規(guī)的PID 控制策略不可取，PID 控制也不可能獲得預(yù)期的控制效果[12-13]。模糊控制存在隸屬函數(shù)確定問題，不確定性意味著沒有規(guī)律可循，因此，模糊控制技術(shù)并不適宜于對硫化過程實施控制。專家控制系統(tǒng)控制存在諸多問題，例如，如何獲取知識與如何表達知識等，因此不可能建立完備的專家知識庫，在硫化過程中采用專家系統(tǒng)控制并不明智。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中，因為存在不確定性不可能選取學(xué)習(xí)樣本等問題，因此對塑膠硫化過程控制而言，這種控制策略也很難被采納。但是，如果換一種思路分析問題，總結(jié)駕駛員的控制經(jīng)驗就會發(fā)現(xiàn)，在高速公路上有豐富經(jīng)驗的駕駛?cè)藛T可以靈活自如地駕駛車輛高速安全行駛，并按照預(yù)定的路線軌跡前行到達預(yù)定的目標(biāo)。遵循該思路發(fā)展起來的仿人智能控制(human simulated intelligent controller，HSIC)[14]，它根據(jù)實際路線軌跡偏離理想軌跡的誤差及其變化率實現(xiàn)對行進軌跡的良好控制，且該控制不涉及數(shù)學(xué)模型，本質(zhì)上是一種人體控制系統(tǒng)的“同態(tài)”變換。控制過程中只要知道過程偏差及其變化率，就可根據(jù)自動控制原理構(gòu)造出相應(yīng)模式的控制算法。采用HSIC控制策略可以確保硫化過程中控制的響應(yīng)時間快、調(diào)節(jié)時間短、控制精度高、無超調(diào)以及強魯棒性能。因此， HSIC策略是針對硫化過程的一種較好選擇。

3.2 控制算法

圖1 HSIC控制過程模型

綜上，硫化過程基本控制算法可歸納如下：

基本控制算法中，對被控過程以開、閉環(huán)交替控制方式實現(xiàn)。如果過程比較復(fù)雜，可基于基本控制算法，將控制專家的知識和實踐經(jīng)驗，以及操作者的控制智慧、控制技巧和控制技能，借助產(chǎn)生式規(guī)則融入基本控制算法，構(gòu)造出與過程特性匹配的HSIC控制算法以提高對硫化過程的控制品質(zhì)[15]。

4 實驗仿真及其結(jié)果分析

4.1 實驗仿真

硫化過程控制模型可以近似描述為

W0(s) =Ke-τs/(Ts+1)

式中：K、T和τ分別為放大系數(shù)、時間常數(shù)和純滯后時間。實驗仿真中，選取K=0.83，T=1 680，τ=200，過程近似模型為W0(s) = 0.83e-200s/(1 680s+1)。

為了減小純滯后環(huán)節(jié)的影響，一種方法是采用如圖2所示的Smith控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2中：W0(s)e-τs為被控過程的傳遞函數(shù)；Wc(s)為控制器的傳遞函數(shù)，借助補償環(huán)節(jié)W0(s)(1-e-τs)與控制器并聯(lián)，整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

W(s)=Wc(s)W0(s)e-τs/(1 +Wc(s)W0(s))

因為特征方程中沒有純滯后環(huán)節(jié)e-τs，改善了純滯后對控制品質(zhì)的不利影響。純滯后的影響是在控制時間上推遲了τ。

圖2 Smith控制系統(tǒng)框圖

基于Matlab環(huán)境，分別將PID、Smith預(yù)估和HSIC控制等3種控制器作用于同一硫化過程，在階躍輸入信號為3時，實驗仿真結(jié)果如圖3所示。圖3中，曲線1為PID控制的過程響應(yīng)，曲線2為HSIC控制的過程響應(yīng)，曲線3為Smith控制的過程響應(yīng)。對比3種曲線可以看出：Smith控制的調(diào)節(jié)時間過長且存在穩(wěn)態(tài)誤差；HSIC控制對超大滯后過程有良好的控制品質(zhì)，無穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)，上升時間快；PID控制存在嚴(yán)重超調(diào)。在6 000 s時刻分別對同一過程輸入端施加1個擾動輸入，其脈沖擾動幅度為2。圖4中的曲線3為Smith控制時的過程響應(yīng)，曲線2為HSIC控制時的過程響應(yīng)，曲線1為PID控制時的過程響應(yīng)。比較3種曲線可知，HSIC控制的過程響應(yīng)受到擾動的影響較小。

圖3 不同策略的響應(yīng)

圖4 擾動后不同策略的響應(yīng)

下面借助過程參數(shù)變化，通過3種算法過程響應(yīng)的對比考察HSIC控制策略的魯棒性能。

當(dāng)其他條件維持不變，僅K值由0.83變化到3時，其過程響應(yīng)如圖5所示。比較3條響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略比PID控制和Smith控制策略有更好的過程響應(yīng)。當(dāng)T由1 680 s變化到1 880 s時，其他條件均保持不變，過程響應(yīng)如圖6所示，此時比較3條曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略有更強的魯棒性能。

圖5 K改變后的過程響應(yīng)

圖6 T改變后的過程響應(yīng)

當(dāng)其他條件維持不變，僅τ值由200 s變化到400 s時，其過程響應(yīng)如圖7所示，比較響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略有更強的魯棒性能。當(dāng)被控過程增加1個慣性環(huán)節(jié)1/(10s+1)，即過程階次變?yōu)?階時，其他條件均保持不變，則過程響應(yīng)如圖8所示。此時比較3條曲線發(fā)現(xiàn)，HSIC控制策略有更強的魯棒性能。

圖7 τ改變后的過程響應(yīng)

圖8 2階過程的響應(yīng)

4.2 仿真結(jié)果分析

如果控制過程中出現(xiàn)擾動(見圖4)，HSIC控制相比PID控制和Smith控制策略具有更好的抗干擾性。

當(dāng)過程參數(shù)發(fā)生變化時，HSIC控制相比PID控制和Smith控制有更強的魯棒性(以過程參數(shù)：K=0.83，T=1 680，τ=200作比較原型)：

1)K值增大后： HSIC控制的過程響應(yīng)基本無穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時間和上升時間有所縮短；PID控制的過程響應(yīng)曲線超調(diào)有所減小，在調(diào)節(jié)時間和上升時間方面均有縮短。

2)T值增大后：HSIC響應(yīng)幾乎沒有變化；PID響應(yīng)超調(diào)有所減小；Smith響應(yīng)上升時間有所增加。

3)τ值增大后：HSIC控制和Smith控制的過程響應(yīng)僅在時間上推遲了200 s，其他幾乎沒有發(fā)生變化；PID控制出現(xiàn)較大的穩(wěn)態(tài)誤差，但響應(yīng)的超調(diào)有所減小。

4) 原過程加入1個慣性環(huán)節(jié)后，HSIC響應(yīng)僅有1個較小的超調(diào)； Smith響應(yīng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差且上升時間有所增大；PID響應(yīng)超調(diào)有所增大。

5 結(jié)束語

塑膠硫化是一個具有不確定性因素和大慣性、大純滯后特性的復(fù)雜過程。本文探討的基于仿人智能的HSIC控制策略無需建立數(shù)學(xué)模型，基于過程前一個周期的誤差及其變化率就可判別下一個周期的控制模式，從而確定下一個周期的控制算法。由于每個控制周期都要進行邏輯判斷決定如何施加控制，因此不會出現(xiàn)偏離控制目標(biāo)的情況，只需在存在誤差時施加控制進行較正。該控制策略控制精度高、穩(wěn)定性好、魯棒性強，仿真實驗結(jié)果表明，對精密塑膠制品硫化成形控制而言，基于仿人智能的HSIC控制策略具有獨特的優(yōu)勢。