流平設備的溫度專家PID控制系統

陳 勇，胡進杰，趙文華，來新民

（1.佛山科學技術學院 自動化學院，佛山528225；2.佛山沃頓裝備技術股份有限公司，佛山528200）

隨著控制工程、溫控設備等的發展，對溫度控制的精度、整定速度提出了越來越高的要求，例如在噴涂設備及油漆干燥等領域，對溫度控制的需求更加迫切。然而，常規的溫度控制方案很難滿足控制要求，因此找出一套控制精度高、控制過程平滑、整定速度快的溫度控制方案一直是各國學者的研究熱點。在現今工業上，大多數企業仍在使用通過溫控表與交流接觸器直接控制發熱管導通關斷的控制模式來實現溫度控制， 由于溫度具有慣性，因此該方案在溫度控制上的精度很低。文獻[1-2]在該方案的基礎上加入PID 控制，對溫度的控制精度有一定的提升。然而在維持某一恒定溫度時，交流接觸器由于不停的導通、 關斷會產生不少的噪聲，使用壽命也會隨之降低，而且交流接觸器的工作頻率有限，在精度上也有所妥協。文獻[3]采用了專家PID算法控制，并在硬件上使用可編程控制器（PLC）、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、電熱絲控制器從而提高控制精度以及整定效率。該方案非常適合工業實際需求，方便與別的設備統一控制，然而該方案在工業使用上，由于流平設備使用時，會使用風機達到循環加熱、抽風進氣、抽風冷卻等，不同的風速會對溫度有一定的影響；而不同的工件、油漆對溫度的要求也不同；為滿足流平要求，各個加熱區域的溫度也不盡相同，專家庫的信息在如此多變量影響的情況下很難滿足控制需求，即使有足夠多的信息，PLC 也未必能完全儲存、運用。因此，該方案在使用上也有所欠缺。因此，本文考慮了專家信息庫在信息過多的情況下不容易建立的弊端以及傳統PID 算法控制整定速度較慢的缺陷， 對專家PID控制以及傳統PID 控制相結合，實現更優的溫度控制。本文采用永宏PLC、雙向可控硅、可控硅觸發器、永宏顯示屏、溫控表，設計了簡單實用、可靠性高的流平溫度控制方案。

1 溫度控制方案的結構與組成

流平溫度自動控制系統的結構簡圖如圖1所示。該控制系統主要由PLC、溫控表、紅外加熱管、可控硅、可控硅觸發器等組成。

圖1 流平溫度自動控制系統的結構框圖Fig.1 Structure diagram of leveling equipment of temperature automatic control system

如圖1所示，觸摸屏與PLC 通過專用傳輸線相連，使得觸摸屏可以代替電腦，對PLC 進行監控、數據交互、參數設置等操作。由于其出色的界面以及良好的操作性能，給工程人員在調試以及設備使用提供足夠的便利。設置好給定溫度后，按下自動運行按鈕，控制系統就能自主運行，完成溫度整定。溫度通過耐高溫補償線把模擬信號（0～20 mA）傳輸到溫控表（AI-516），溫控表把模擬信號轉換成數字信號，通過總線把數據傳輸到永宏PLC（Fbs-60MCR2-AC）中。PLC 將當前溫度值與設定溫度值進行比較，通過運算得出P、I、D 的具體數值，并把數值傳送給溫控表，由溫控表輸出模擬信號，控制可控硅的導通、關斷，從而控制紅外線發熱管的發熱效率，實現流平溫度自動調控。

2 專家PID 控制

專家控制是一種基于受控對象和控制規律的各種知識，并通過智能的方式使用這些知識來設計控制器。利用專家經驗從而設計的PID 參數便構成專家PID 控制。

根據加熱管加熱時，當前溫度與目標溫度之間的誤差及其變化， 可設計專家PID 溫度控制算法，該算法分5 種情況設計：

令e（k）表示離散化的當前采樣時刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有：

當e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）>0 或e（k）=0時，控制器輸出不變。

當e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）<0 且M2時，實施較激進的控制作用，則：

當e（k）Δe（k）<0，e（k）Δe（k-1）<0 且時，實施較平和的控制作用，則：

其中，em（k）為誤差e 的第k 個極值；u（k），u（k-1）分別為第k 次和第k-1 次控制器輸出；k1=2 為增大放大系數，k1>1；k2=0.5 為增益抑制系數，0M2；ε=0.001 為任意小的正實數；kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數。

表1為室溫25 ℃，抽風機運轉速度為400 r/min時，加熱到各目標溫度穩定時kp、ki、kd的數值。

表1 到達目標溫度時的PID 系數Tab.1 PID coefficient at target temperature

3 控制理念

流平設備內的溫度具有非線性、滯后性和區域溫度多變性等特點，外加干擾溫度的因素較多。因此，單純使用常規PID 控制方案很難保證溫度的精確，找出一套滿足要求的控制方案顯得尤為關鍵。溫度控制上，可以選用遺傳算法、人工神經網絡、模糊控制算法、粒子群算法、遺傳算法等控制策略來實現，然而在工業生產上，主控設備以PLC 居多，遺傳算法、人工神經網絡、模糊控制算法、粒子群算法、遺傳算法等控制策略很難在該主控平臺上實現[3-5]，所以引用專家PID 控制理念，又由于PLC 的數據存儲能力有限，專家信息內的信息也有限，溫度控制的覆蓋面不夠， 況且PLC 除了控制紅外發熱管，還要控制流平設備中的輸送電機以及抽風電機，過長的代碼延長PLC 的工作周期，影響控制性能，所以，本文體出一種以專家PID 控制為主、傳統PID 控制為輔的控制理念，實現對流平溫度的控制。

圖2為本方案的控制流程。該方案是通過專家PID 控制算法以及傳統PID 算法相結合的新算法，通過數據采集，采用專家知識庫進行推理，自動修正P、I、D 三者的數值；若推理庫沒有該信息，則通過傳統PID 進行控制， 兩種控制算法聯合控制，在控制功能齊全的同時，不影響溫度控制性能，以達到最佳的控制效果。

圖2 控制流程Fig.2 Control flow chart

通過FvDesigner 軟件， 對PLC 進行通訊連接，把溫控表的實時數據讀取回來， 并通過FvDesigner自帶折線圖的功能， 把采集到的數據繪制成折線圖。通過上述方法，可以作出新型溫度控制算法與傳統控制算法之間的比較。

常規PID 控制算法的響應曲線如圖3所示。由圖3可知：單純選用PID 控制算法時，流平設備從20 s～32 s 為延時加熱狀態，加熱設備延時啟動，26.3 s 發熱管開始加熱， 從30 s～35 s 出現了第一次抖動，40 s～48 s 出現了超調，直到76.8 s 才讓流平內的溫度穩定在50 ℃，從加熱到穩定在既定溫度所需時間約為50.5 s。在溫度上升過程中出現明顯的波動以及超調量，震蕩比較劇烈，整定時間較長。

圖3 常規PID 控制算法的響應曲線Fig.3 Response curve of conventional PID control algorithm

專家PID 控制算法與常規PID 控制算法聯合控制的響應曲線如圖4所示。由圖4可知：選用專家PID 及傳統PID 聯合控制算法時， 流平設備從26.3 s 延時加熱，28 s～68 s 為加熱時間，期間并沒有超調量及明顯的抖動，加熱曲線較為光滑，內的溫度達到目標溫度50 ℃需要的時間約為40 s。在溫度上升過程中較常規PID 控制算法要平滑，沒有過于明顯的波動以及超調量，震蕩比較小，整定時間也比常規PID 控制算法短。

圖4 專家PID 與常規PID 聯合控制算法的響應曲線Fig.4 Response curve of joint control algorithm of expert PID and conventional PID

由以上比較可得，專家PID 及傳統PID 混合控制算法的效果要遠遠優于傳統PID 控制算法，應用在流平設備中，效果更優。

4 觸摸屏操作界面設計

本控制方案選用永宏觸摸屏（C3102SF）作為控制系統的操作界面。操作界面如圖5所示，觸摸屏通過專用連接線與永宏PLC（Fbs-60MCR2-AC）相連，PLC 通過485 總線把溫控表的當前溫度值存入到R寄存器，觸摸屏通過監控R 寄存器，把當前溫度顯示出來，同時，觸摸屏可以寫入目標溫度以及控制紅外燈管輸出，從而實現溫度控制。

圖5 觸摸屏界面Fig.5 Touch screen interface

配合人性化的操作界面以及完善的控制功能。流平溫度的控制變得簡單、方便。而除常規的操作界面外，還有相應的報警界面，與此同時，界面還能添加相應的控制，比如抽風機、以及流平設備的傳送功能，讓一體化控制成為可行。

5 結語

溫度控制是否符合工藝需求將直接影響流平的效果以及漆面的達標率。早期的流平設備在控制時多采用交流接觸器位控制，稍微高級點的則使用傳統的PID 控制，控制精度有限，穩定性和可靠性等比較欠缺。本文提出了一種基于PLC 系統，運用專家PID 控制以及傳統PID 控制的聯合控制方案，它具有控制精度高、整定時間短的特點，配合觸摸屏以及人性化的操作界面，為使用者在使用設備時提供了足夠的便利。通過觸摸屏的可視化操作以及參數調節，實現對流平設備的溫度控制，滿足流平設備的溫控要求。