基于遺傳算法的全自動(dòng)除泡機(jī)腔體充排氣PID控制研究

郭曉妮， 王 毅， 姜慧慧， 楊 濤

（中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

隨著社會(huì)的高速信息化，觸控顯示行業(yè)也得到了到迅猛發(fā)展。觸摸屏作為一種實(shí)時(shí)的人、機(jī)、場(chǎng)景交換樞紐，成為了當(dāng)代生活中不可或缺的一部分，并且用戶對(duì)各種觸摸屏技術(shù)也提出了越來(lái)越高的要求。全自動(dòng)除泡機(jī)是LCD生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的性能在整個(gè)生產(chǎn)工藝中起著至關(guān)重要的作用。全自動(dòng)除泡機(jī)的主要工藝原理是將完成OCA貼合及偏光片貼附且有氣泡產(chǎn)生的產(chǎn)品，放入密閉腔體中，在一定時(shí)間內(nèi)以均勻穩(wěn)定的溫度和壓力進(jìn)行處理，除去液晶板中的內(nèi)存氣泡，同時(shí)在保證顯示質(zhì)量的前提下，增強(qiáng)貼合的強(qiáng)度。溫度、壓力和除泡時(shí)間是影響全自動(dòng)除泡機(jī)性能的三個(gè)重要因素，其控制是否合理，關(guān)系到除泡的良品率是否達(dá)標(biāo)。在壓力控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是合理有效地控制充氣、排氣時(shí)間，使加壓與減壓速度可控，有效降低回彈型再發(fā)氣泡的產(chǎn)生，提高除泡良品率。傳統(tǒng)全自動(dòng)除泡機(jī)采用山武PID控制器實(shí)現(xiàn)控制，為了降低成本且高效操作，本文分析了采用基于遺傳算法的PID控制方法，規(guī)避傳統(tǒng)PID控制參數(shù)需靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的問(wèn)題，通過(guò)智能算法給出最優(yōu)的參數(shù)組合，以達(dá)到良好的控制效果。

1 PID控制

PID控制是工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中一種常用的調(diào)節(jié)器控制方法，即以比例（Proportion）、積分（Integration）、微分（Differentiation）進(jìn)行控制的簡(jiǎn)稱。它以具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便的優(yōu)良特性成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。隨著工業(yè)水平不斷進(jìn)步，近年來(lái)出現(xiàn)了許多智能PID控制，向著自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等先進(jìn)方向快速發(fā)展。

PID 控制利用系統(tǒng)的偏差e（t），通過(guò)調(diào)節(jié) P、I、D三個(gè)參數(shù)的線性組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)調(diào)諧，如圖1所示。其中系統(tǒng)偏差e（t）=系統(tǒng)給定r（t）-系統(tǒng)反饋y（t）。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有時(shí)可將 P、I、D 三個(gè)參數(shù)以組合的方式進(jìn)行控制。

圖1 PID控制原理框圖

P比例控制是控制器的輸出與輸入的誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)KP，KP越大偏差減小得越快，但容易引起振蕩，KP越小，發(fā)生振蕩的可能性減小但調(diào)節(jié)速度變慢。單純的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)，這時(shí)就需要積分控制。

I積分控制是控制器的輸出與輸入的誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中引入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)對(duì)誤差的積分取決于時(shí)間，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)增大。積分項(xiàng)推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

D微分控制使其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，對(duì)誤差的變化趨勢(shì)非常敏感，在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就能夠起到修正誤差的作用，提高輸出響應(yīng)的速度，減小被控量的超調(diào)和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)信噪比，使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。

PID控制的輸入輸出關(guān)系為u（t）=KPe（t）+相應(yīng)的傳遞函數(shù)為G（S）=

在工業(yè)自動(dòng)控制中，可根據(jù)實(shí)際情況和需要選取不同的PID控制規(guī)律。

2 基于遺傳算法的PID控制

2.1 遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱“GA”）是一種基于生物進(jìn)化思想將求解優(yōu)化計(jì)算中的迭代過(guò)程模擬成物種進(jìn)化的過(guò)程，形成一種具有“生成+檢驗(yàn)”特征的搜索算法。作為智能全局優(yōu)化算法，GA具有簡(jiǎn)單通用、魯棒性強(qiáng)、適于并行處理等特點(diǎn)，因而在求解復(fù)雜的工程優(yōu)化問(wèn)題中得到了廣泛的應(yīng)用。

GA總體思想是，以染色體編碼空間代替問(wèn)題的參數(shù)空間，用適應(yīng)度函數(shù)作為評(píng)價(jià)的依據(jù)，以編碼群體為進(jìn)化基礎(chǔ)，對(duì)群體中個(gè)體位串的遺傳操作實(shí)現(xiàn)選擇和遺傳機(jī)制，建立迭代過(guò)程。操作過(guò)程如圖2所示：

圖2 遺傳算法計(jì)算流程圖

2.2 基于遺傳算法的PID參數(shù)設(shè)計(jì)

1）遺傳算法常用于求解約束非線性最優(yōu)化問(wèn)題，因此在求解過(guò)程中須首先確定決策變量和約束條件。PID控制中需要確定的變量參數(shù)為KP、KI、KD三個(gè)變量，它們的取值范圍本文參考物理意義和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，即確定約束條件。

2）遺傳算法求解是基于數(shù)學(xué)模型的，因此這里要確定PID控制的目標(biāo)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)，即確定出目標(biāo)函數(shù)u（t）。

式中：KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，T為時(shí)間周期，t為時(shí)間。

3）參數(shù)編碼：GA編碼方式有二進(jìn)制編碼和實(shí)數(shù)編碼兩種，二進(jìn)制編碼搜索能力強(qiáng)，實(shí)數(shù)編碼在變異操作上能夠保持更好的種群多樣性。因此，文中采用實(shí)數(shù)編碼。

4）取種群個(gè)體數(shù)目120產(chǎn)生初始種群。

5）適應(yīng)度計(jì)算：GA在優(yōu)化搜索過(guò)程中，以適應(yīng)度函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)種群個(gè)體是否達(dá)到最優(yōu)值。為使系統(tǒng)在“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”三方面獲得滿意的性能，本文的適應(yīng)度函數(shù)取為：

6）選擇運(yùn)算：將種群中適應(yīng)度高的個(gè)體遺傳到下一代中（采用輪盤(pán)賭選擇方法）。根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度確定其繁殖后在交配池中所占的比例：

式中：f（i）為個(gè)體適應(yīng)度，n為種群的個(gè)數(shù)。

7）交叉運(yùn)算：交叉運(yùn)算是GA中產(chǎn)生新個(gè)體的主要操作過(guò)程。本文選用算術(shù)交叉運(yùn)算（arithXover），其表達(dá)式為：

8）變異運(yùn)算：變異運(yùn)算是使GA具有局部隨機(jī)搜索能力，加速向最優(yōu)解收斂。本文采用非均勻變異（nonUnifMutation），其表達(dá)式為：

式中：r為[0，1]范圍內(nèi)的符合均勻概率分布的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。

9）算法終止的條件：采用最大進(jìn)化代數(shù)規(guī)則。

3 基于遺傳算法的PID控制在腔體充氣中的應(yīng)用

本文以全自動(dòng)除泡機(jī)為例，腔體設(shè)定壓力為0.5 MPa，充氣時(shí)間為5 min，采樣時(shí)間為0.005 s，勻速加壓，采樣由MATLAB軟件編程，壓力曲線如下頁(yè)圖3所示。

圖3中的兩條曲線幾乎重合，一條為腔體目標(biāo)曲線，一條為經(jīng)過(guò)PID控制后的實(shí)際曲線，可以看出，經(jīng)過(guò)PID控制后曲線響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，具有較高的控制性和魯棒性，能很好地滿足除泡機(jī)以勻速壓力充排氣的要求。

圖3 壓力曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

腔體壓力是影響全自動(dòng)除泡機(jī)性能好壞的重要因素之一，基于遺傳算法的PID控制，通過(guò)智能算法給出最優(yōu)的參數(shù)組合，使經(jīng)過(guò)PID控制后的系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，很好地滿足了全自動(dòng)除泡機(jī)以勻速壓力充氣排氣的要求，滿足了實(shí)際工程需求，以降低成本且實(shí)現(xiàn)更高效的控制。