基于PLC的模糊PID在热压机控制系统中的应用研究.pdf

务l lI5 地 基于P L C 的模糊P I D在热压机控制系统中的应用研究 Res ear ch on appl i cat i on of f uz z y PI D cont r ol bas ed on PL C i n hot pr ess cont r ol s y st em 卞和营 ，代克杰 B I AN H e ． y i n g ． D Al K e - j i e 平顶山学院 电气信息工程学院。平顶山 4 6 7 0 0 0 摘要本文结合实际的人造板热压工艺流程，构建了热压机控制系统，把模糊控制与传统P ID 控制相结 合的新控制方法应用于该系统，实验研究与仿真结果表明，i 玄 种 关键词P L C；模糊P I D ；热压机；仿真 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 9 上 ． 0 6 0 引言 热压机是人造板生产 中的重要加工设备 ，现 代人造板热压机的厚度控制，一般采用电液伺服 系统或机液伺服系统通过 P I D调节进行闭环控制。 但作为压制对象的人 造板纤维或刨花等是一种 不 连续介质 ，在压制过程 中由于厚度 的变化 ，引起 负载变化对液压系统 的工作压力的变化没有一个 确定的数 学模型 ，非线性非常明显。因此 ，即使 应用 P I D调节控制 ，也难以收到满意 的效果。而 模糊控制正是一种非线性控制，不需要精确的数 学模型。因此 ，本研 究以模糊控制与传统 P I D控 制相结合 的新控制方式对刨花板热压过程 中的厚 度控制进行试验与仿真分析。 1 热压机控制系统 1 ． 1热压机控制系统原理图 主要设备有 S 7 2 0 0 C P U2 2 6 、E M2 3 2 、E M2 3 5 、 激光传 感器 Z X L D3 0 0 、功率 放大器 Z X． L DA 4 1 、 电 液 比 例 阀 E F BG 一 0 3 、 一 台 台 湾 朝 田 生 产 的 Y YS Y T - 0 0 1型开放式液压综合实验台、MS 一 2压力 变 送器 两 个 、DS 一 1 2 一 F R定 量 泵 与 MVP ． 3 0 ． F ／ A3变 量泵等。热压机控制系统原理图如图 1 所示。 图1 控制系统原理 图 文童编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 2 0 9 上 一 0 0 1 7 - 0 2 1 ．2热压机控制系统数学模型 结合实验 系统 中各环节的实 际参数，求 出各 环节 的传递 函数 ，最 后求得被控对象的传递 函数 详细过程见参考文献 2 为 1 ． 3 基于P L C 模糊P I D 控 制原理图 基于 P L C模糊 P I D控制原理图如图 2所示。 图2 热压模糊P I D控制框图 图 2中， 是 比例 系数 ，k是 积分 系数，l d 是微分 系数。模糊 P I D控制器通过 P L C把模糊控 制、专家 系统 以及 P I D控制器 结合起来 ，利用专 家系统 知识实时修正 P I D参数 ，以达到最佳控制 效果。 2 模糊P I D 控制规则 实验思路首先通过做大量的 P I D控制试验 获取本 系统控制 的专家 系统知识，并记录系统偏 差、偏差变化率、上升时 间和控制输 出等实验数 据和曲线 ，其次确定 P 、I 、D各参数范围，然后 收稿日期2 0 1 2 - 0 2 - 2 8 基金项目河南省科技计划重点项 目 1 0 2 1 0 2 2 1 0 4 2 1 作者简介卞和营 1 9 7 1 一，男，河南平顶山人，副教授，硕士，研究方向为机电液智能控制技术。 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 上 [ 1 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 匐 似 取不同的 P、I 、D再进行实验 ，最后分析得 出模 、 糊 P I D控制规则 。 2 ． 1 P I 、D 参数范围的确定 要确定模糊 P I D控制规则 ，必须先确 定每一 个单独参数 的具体范围。实验方法为 1 I 、D为 定值 ，改变 P值 ，每次实验 5 0次 ； 2 P 、 D为定值 ， 改变 I 值，每次实验 5 0次； 3 P 、I 为定值，改变 D值 ，每次实验 5 0次。在保证系统稳定的条件下 ， 通过 大量的实 验，最后确 定 P的范 围为 [ 1 ， 3 0 ] ； I 的范围为 [ 1 ， 1 0 ] ； D的范围为 [ 0 , 0 ． 0 0 6 ] 。 2 ． 2 实验及PI D 控制规则的确定 根据 P I D各参 数的范 围任意选 取 P 、I 、D参 数各六个，观察实验效果。根据确定 P 、I 、D各参 数范围时的实验结果与分析 ，选取 P值为 2 8 、1 5 、 l 0 、 7 、 2 、1 ； I 值为 9 、7 、 6 、 4 、3 、1 ； D值为 0 ． 0 0 6 、 0 ． 0 0 3 、0 ． 0 0 1 、 0 ． 0 0 0 5 、 0 ． 0 0 0 1 、 0 ，进行 2 1 6次试验， 反复对实验结果分析验证 ，而后确定模糊 P I D控制 规则如表 1 、表 2和表 3所示。 表1 控制规则表 根据模糊控制规则表可以分别求出 、岛和 控制规则表参数在不 同偏差和偏差变化率下的所 有模糊取值的隶 属度 ，然后根据 e的测量值 ，并 根据反模糊化 加权平均规则进行判决，即可求 出 I 1 8 1 第3 4 卷第g 期2 0 1 2 一 g 上 k i 和 k d的精确 控制参 数 、岛和 值 ，即 ∑ ‘ z ∑ 万 ∑ z 一 其 中 Z p 、 z 、 分别是当前偏差 e对应的隶属度，z 、 、 为模糊值论域 中心元 素值。 3 仿真 3 ． 1 模糊P I D 仿真模型 在 S I MUL 1 NK环境中建立的模糊 P I D仿真模 型如 图 3所示 。 图3 热压模糊P I D系统仿 真框图 3 ． 2三种控制方式的仿真比较 对单位 负反馈 闭环控制 、经典 P I D控 制与模 糊 P I D控制等三种控制方式的阶跃响应进行仿真 ， 仿真曲线如图 4所示 。 图4 仿真 曲线 图 图 4表明 经典 P I D控制 与单 位负反馈 闭环 控制相比，经典 P I D控制 出现较大的超调 量，但 上升时间大大缩短，振荡后趋于稳定。而与经典 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 心 P I D控制相 比，模糊 P I D控制 的性能 又有了显著 的提高 ，振荡 明显减小 ，上升时间缩短。 4 结束语 在对人造板热压工艺流程分析的基础上，把 模糊控制 与传统 P I D控制相结合的新控 制方法应 用于热压机控制 系统 ，通过对大量实验数据 的分 析研究，以及对不同控制方法控制效果的仿真分 析 ，结果表明，这种新的控制方法控制效果理想。 参考文献 【 1 】杨承， 等． 新型实验热压机的控 制系统【 J J ． 林业机械 与木 工设备， 2 0 0 3 ， 3 1 4 2 0 2 2 ． 【 2 】卞 和营， 曹小荣． 基于P L C的液压位置控 制系统建模 与 仿真 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 9 7 5 1 5 2 ． 【 3 】赵岩． 基于模糊P I D 控制器的汽车雨刮系统的研究【 J 1 ． 机 械 制造 自动化， 2 0 1 0 ， 3 2 2 1 7 9 1 8 1 ． [ 4 ]梅晓榕 ．自动 控制原 理 [ M] ． 北京 科学 出版社， 2 0 0 2 202 ． 2 26． 毒品‘ 岛‘ 岛‘ 虫‘ 岛I 盘I 翕‘ 岛‘ 岛● 囊● 南囊‘ 岛‘ 岛‘ 岛● 蠡‘ 岛‘ 兜 戋‘ 岛‘ 岛 ‘ 翕‘ 翕‘ 岛‘ 意‘ 【 上接第1 2 页 】 小车 行驶到火点，开启灭火器 阀门，喷头摇臂左 右 上下摆 动，实施 精确灭 火，灭火操 作结束 后， 又把信息发送给 G S M 模块，通过短信的方式通知 户外人 员 ，火 已经扑 灭 。 4 功能验证 双控 灭火机器人 的实验样机如图 4 a 、 b 所示 。 课题组利用 自行研制的双控灭火机器人在实 验室环境下 ，对机器人的功能进行验证 。 1 运动 能力 该机 器人 在手 动及 自动 两种 状态下，可 以在平地上快速前行、后退 ，并可在 a b 图4 双控灭火机器 人实验样机 3 6 0 0范围内进行原地正反转 ，运动速度可以调节 。 2 定位能力该机器人能够在距离火势一定 位置上停止运动 ，然后灭火机构开始作业。 3 双 向控制模式的切换 手动遥控灭火和 自 动灭火两种灭火方式的切换通过手持式接收站来 选择 ，试验结果 ，两种控制模式切换可靠 ，操作 简便 。 4 灭火执行机构工作范围灭火执行机构 的 摆 杆上 下摆 动范 围为 1 3 5 0 ，左 右摆 动范 围为 21 0 0 。 5 烟雾报警功能利用烟雾传感器感受火场 的烟雾的大小，结合火焰传感器的信号 ，对火场 火势的大小做 出精确判断。 5 结束语 实验 结果表 明，采用该 灭火机器 人可有效、 快速灭火，达到了预期的效果。 参考文献 [ 1 ]刘伟， 张茂 青， 顾俊强， 等 ． 基于A T me g a 3 2 L 单片机的灭 火机器人的设 计【 J 1 ． 江苏 电器， 2 0 0 8 2 4 0 4 3 ． 【 2 】张景川， 刘立阳， 傅家详． 新型灭火机器人的设计 与实现 【 J 】 ． 机电工程技术， 2 0 0 9 ， 4 8 ． 【 3 】宗光华． 机器人的创意设计与实践【 M】 ． 北京 北京航天 航空大学出版社， 2 0 0 4 ． 【 4 】关慧贞， 邱铁， 叶希贵． 基于5 1 型单片机的 自动巡线轮式 机器人控制系统设 计【 J 】 ． 国外 电子元器件， 2 0 0 6 ， 3 7 3 ． 【 5 】崔平， 翁正新． 机器人灭火创新实验的设计与实现[ J 】 ． 实 验室研究与探索， 2 0 0 6 ， 3 ． 【 6 ]罗志增， 蒋静坪． 机器人感觉与多信息融合【 M] ． 北京 机 械工业 出版社， 2 0 0 2 ． 【 7 ]关为 民， 陈帝伊， 马孝义． 智能灭火机器人硬件电路的设 计与实现 [ J ] ． 微型机与应用， 2 0 1 0 2 9 ， 4 ． 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 上 1 1 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m