基于模糊PID算法的輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度的控制

吳用玖，李泉溪，宋培芬，許根山

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基于模糊PID算法的輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度的控制

吳用玖1，李泉溪2，宋培芬3，許根山3

（1. 河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454003；3. 風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

結(jié)合風(fēng)神輪胎股份有限公司輪胎生產(chǎn)硫化過程的特點，采用熱電阻PT100溫度傳感器、PLC控制器設(shè)計一種基于模糊PID算法的溫控方法，實現(xiàn)輪胎生產(chǎn)硫化過程除氧高溫循環(huán)水溫度的智能控制.

模糊PID；高溫循環(huán)水；溫度控制

輪胎硫化過程是輪胎生產(chǎn)線的最后一道工序，除氧高溫循環(huán)水是輪胎硫化的重要介質(zhì)之一，硫化過程對介質(zhì)的溫度和壓力指標(biāo)要求較高，需要精確、穩(wěn)定地控制高溫循環(huán)水的溫度. 雖然傳統(tǒng)的PID控制具有響應(yīng)快、精確度高等優(yōu)點，但PID控制存在自適應(yīng)差，易產(chǎn)生超調(diào)震蕩的缺點[1]；模糊控制不要求掌握被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要根據(jù)控制決策表決定控制量的大小，但普通的模糊控制器的控制精度不高[2]. 本文將模糊控制和PID控制相結(jié)合，為風(fēng)神輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度控制設(shè)計了一種基于模糊PID算法的溫控方法.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

輪胎硫化過程循環(huán)水控制系統(tǒng)原理：利用閥門控制進入反應(yīng)器的水蒸氣和自來水的流量，從而控制流經(jīng)反應(yīng)器循環(huán)水的溫度，溫度控制范圍(170±2)℃. 設(shè)計的基于模糊PID算法的PLC控制器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示. 工作人員通過按鍵設(shè)定工作參數(shù)，由熱電阻PT100采集高溫循環(huán)水的溫度，采集值經(jīng)PLC控制器進行模糊計算，輸出控制量，電動閥門根據(jù)輸出的控制量調(diào)節(jié)流量，同時顯示屏顯示實際溫度值和參數(shù)表.

圖1 基于PID模糊算法的PLC控制器系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)神輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.系統(tǒng)采用熱電阻PT100采集溫度值，PLC控制器將采集溫度值與設(shè)定溫度值比較，按某種控制規(guī)律對誤差值進行運算，并將運算結(jié)果傳送到模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡妷盒盘?，?qū)動電磁閥門執(zhí)行機構(gòu)工作，實現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制. 控制器發(fā)出一個指令，閥門根據(jù)指令通過改變位置調(diào)整偏差. 這里的偏差信號的檢查和調(diào)整就是PID控制器的調(diào)整，包括調(diào)整增益（比例）、速率（微分）和復(fù)歸時間（積分）參數(shù)，使它們的值能夠滿足控制系統(tǒng)的需要.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫度采集設(shè)計

熱電阻PT100測溫電路圖如圖3所示.

圖3 PT100測溫電路圖

本系統(tǒng)選用熱電阻PT100作為溫度傳感器，它具有測量精度高、性能穩(wěn)定、使用方便等特點，但是它輸出的電量信號很小，因此利用高精度的放大器AD620對該信號放大，通過外接電阻方便地進行各種增益（1～l 000）的調(diào)整. 把熱電阻PT100放在電橋橋臂上，當(dāng)溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被輸送到放大器AD620的輸入端，經(jīng)過放大器放大后的電壓輸送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)值量.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 模糊PID控制系統(tǒng)

圖4 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)圖

3.2 模糊PID控制器設(shè)計

3.3 模糊PID軟件設(shè)計流程

根據(jù)模糊PID控制設(shè)計規(guī)則，輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度控制系統(tǒng)的模糊PID算法[5]的程序流程如圖5所示.

3.4 模糊控制表的制定

圖5 模糊PID算法程序流程圖

在專家經(jīng)驗基礎(chǔ)上，通過不斷的仿真和實驗調(diào)整得到49條本系統(tǒng)采用的規(guī)則，其模糊控制規(guī)則如表1所示.

表1 模糊控制規(guī)則表

4 實驗結(jié)果

風(fēng)神輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度控制范圍(170±2)℃，通過實際抽樣對改進的控制器進行評估. 在0～190 s內(nèi)每隔10 s對2種控制器的輸出進行采樣，采樣數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 2種控制方法的溫度采樣值 ℃

根據(jù)以上采樣數(shù)據(jù)作出常規(guī)PID和模糊PID溫度控制曲線如圖6所示. 由圖6中的曲線a看出：采用常規(guī)PID溫度控制時溫度有跳躍式上升和下降情況. 由圖6中的曲線b看出：采用模糊PID恒溫系統(tǒng)對溫度變化的調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)，顯示了很好的控制效果.

圖6 常規(guī)PID與模糊PID溫度 控制曲線圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于模糊PID算法的PLC控制器系統(tǒng)實現(xiàn)了對風(fēng)神輪胎硫化高溫循環(huán)水溫度的智能恒溫控制，還可通過按鍵進行在線人工調(diào)節(jié)，取得了良好的控制效果，實際運行結(jié)果也證明了此系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和實用性，最終得到了公司的一致好評.

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[責(zé)任編輯：孫建平]

Research on Temperature Control of the Circulating Water for Tire Curing Based on the Fuzzy PID Algorithm

WUYong-jiu1,LIQuan-xi 2,SONGPei-fen3,XUGen-shan3

A temperature control method based on the fuzzy PID algorithm is designed taking into consideration of the vulcanized tire production process characteristics of Fengsheng Tire Limited Company and adopting the thermal resistance PT100 temperature sensor and PLC controller design to achieve the intelligent control of the temperatures of the deoxygenated high-temperature circulating water in the tire curing process.

fuzzy PID; high-temperature circulating water; temperature control

1006-7302（2010）03-0004-24

TH117.1

A

2010-03-20

河南省教育廳科技攻關(guān)項目（2008B510005）

吳用玖（1979—），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程，E-mail: hnlswyj@126.com；李泉溪，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事嵌入式計算機應(yīng)用與開發(fā)研究，E-mail: lqx427@163.com.