基于PLC的模糊控制在挤出机温度控制系统中的应用.pdf

2 0 1 0年 第 5期 NO． 5 2 0l 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 t O年 l O月 0e t ．． 2 01 0 基 于 P L C的模糊控制在挤 出机温度控 制系统 中的应用 吴佳 ， 翁正新 上海交通大学 电子信息与 电气工程学院 ， 上海 2 0 0 0 3 0 摘要 为 了进一步提 高挤 出机温度控制性能 ， 提 出了一种 以模 糊控制 为核 心的 温度 控制 系统 。该 系统能够很 好地解决温度超调的 问题 ， 并能提 高 系统的控 制精度 和响应速度 。同时结合 可编 程序控 制器 P L C 来 实现该 控 制 系 统 ， 使 其 更 为 灵 活 及 高效 。 关 键 词 挤 出机 ；模 糊 控 制 ；温 度控 制 ；P L C 中图分类号 T M2 0 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 6 9 0 1 2 0 1 0 0 5 - 0 0 3 3 - 0 4 Appl i c a t i o n of t he PLC- Ba s e d Fuz z y Co nt r o l i n t he Te mpe r a t ur e Con t r o l S y s t e m of t he Ex t r ud e r W U J i a．e t a l S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y，I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0，C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t e mp e r a t ur e c o n t r o l o f t he e x t r u d e r ，a t e mp e r a t u r e c o n t r o l s ys t e m f o c us i n g o n f uz z y c o nt r o l wa s p r e s e n t e d．Th i s s y s t e m c a n e l i mi na t e e f f e c t i v e l y o v e r s h o o t a n d i mp r o v e c o n t r o l p r e c i s i o n a nd r e s po ns e s p e e d o f t h e s y s t e m．I n t e g r a t i o n w i t h p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L Ci mp r o v e s f l e x i b i l i t y a n d f u n c t i o n o f t h e s y s t e m ． Ke y wor dse x t r u d e r ；f u z z y c o n t r o l ；t e mp e r a t ur e c o nt r o l ； PLC 0 引 言 1 温度控 制系统的工作原理 在挤出设备 中， 温度不但对产品的质量有最直 接 的影 响 ， 而且 对加 工稳 定性 、 设备 的耐用 性 等都有 影响 。如 果挤 出温度 过 高 ， 橡胶 容 易产生 焦烧 现象 ， 即发生 早期 硫 化 交 联 并 失 去流 动 性 能 和 再 加 工 的能力 。而挤 出温 度太 低 ， 不但 会 使 产 品 表 面不 光 滑 、 容 易脱节 ， 而 且会 加 剧 螺 杆 与 料筒 的磨 损 ， 加 重 驱动系统的负 载， 甚 至直接 带来 零部件 的致命 损 伤 。在实 际 生 产 过 程 中 ， 影 响 温 度 的 因 素 比 较 多 ， 包 括 静液 压 功 率 、 模 头 阻力 、 电加 热器 功 率 、 聚 合 物导 热性 能 、 室 温 、 冷 却水 温度 及信 号噪音 等 。 因 此 ， 在设 计 挤 出 机温 度 控 制 系统 时很 难 建立 精确 的数 学模 型 ， 在很 多情 况下 ， 挤 出过程 的温度 控 制在很大程度上依赖于操作人员和工程师的经验来 进行 调整 。本 文则 主要 介绍 了如何 利用 模糊 控制方 法对温度进行高精度控制的应用实例。 收 稿 日期 2 0 1 0 ． 0 2 1 l 作者简 介 吴 佳 1 9 8 1 一 ， 男 ， 在读硕士研究生． 作者地址 上海市 浦东 新 区凌 河路 7 7 7弄 3 8号 2 0 1室 [ 2 0 0 1 2 9 ] ． 温度控制系统的控制对象是加热及冷却模块 ， 它可用近似一阶惯性环节 和滞后环节来描述 ， 其传 递 函数 为 G 5 K e ⋯／ T 1 1 式 中 ， 为对象 的静 态增 益 ； T为对 象 的 时 间常数 ； r 为对象的滞后时间； S 为时间变量。 通常获得近似传递函数的方法是对控制对象施 加阶跃输入信号 ， 测得控制对象 的阶跃响应 ， 再通过 阶跃响应曲线确定近似的传递函数。针对本文的控 制对 象 ， 我 们可 以采 用 飞升 曲线 法进 行实 验 ， 获得 其 飞升 曲线 ， 然 后 根 据 C o h n ． C o o n公 式 求 出对 象 的 参 数 。C o h n ． C o o n公式 如下 K AC／AM T 1 ． 5 t o ． 6 3 2一t 0 ． 2 8 r _ 1 ． 5 一 c0 ， 式中 ， A M 为系 统 阶 跃输 入 幅值 ； A C为 系 统输 出 响 应幅值； t 。 为对象 飞升 曲线在0 ． 2 8 A C时 的时间 S ； t 。 ， 为 对象 飞 升 曲线 在 0 ． 6 3 2 A C时 的时 间 S 。 经计 算可 得 K 0 ． 9， T1 2 0 S ， r 3 8 S ， 代 入式 1 可得传 递 函数为 2 0 1 0年第 5期 No ． 5 2 Ol 0 电 线 ． 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca bl e 2 0 1 0年 1 O月 0e t ．． 2 01 0 G 5 0 ． 9 e ／ 1 2 0 s1 本 温度控 制系统 通过 温度传感 器采样 得到 挤 出 机机身各 温区 的实 际温度 ， 并送至可 编程控 制器 P L C 。P L C将实际温度值 P V与设定温度值 S P 进行 比较 ， 并将 得到 的结果送 入温度 控制 器 ， 温度 控 制器按 一定 的控 制 规 则 计算 出相 应 的控 制 量 MV ， 以控制 固态继 电器 和冷 却 水 比例 电磁 阀 ， 从 而 实 现 对温度的控制。 其中温度控制器将直接影响到整个系统的控制 精度 。常规 比例 、 积 分 、 微 分 P I D 控 制具 有 简单 、 稳定 、 可靠等 优点 ， 特 别适用 于线性 、 定常 、 时不变 系 统 ， 但其 依赖 系统模 型 ， 对 时 变参 数 敏感 ； 而 模 糊控 制器具 有控制 灵 活 、 适 应 性 强 的优 点 。针对 挤 出机 温度控制 系统 的数学 模 型 无法 精 确 建立 的情 况 ， 本 文选用模 糊控 制器 作 为温 度 控制 器 ， 以求达 到 更好 的控制效果。 2 模糊控制器设计 根 据温度控 制 的结 构 特 点 ， 以温 度设 定 值 和 温 度 实际值之 间 的误 差 值 e和 误 差 变 化 率 e c 作 为输 入 ， 通过模 糊化 、 模糊 推 理 以及 去 模糊 化 后 ， 得 到需 要 的输 出量 。在 加 热状 态 下 即获 得 正 的输 出量 U ， P L C根据不 同的 U值输 出相应频 率的脉 冲信 号 ， 以控制 继 电器 的通 断 时 间 。在冷 却 状 态 下 即 获得 负 的输 出量 u ， P L C则 输 出 0～1 0 V直流 电压 信 号给 比例 阀 ， 使 比例 阀 输 出 0～1 0 0 ％ 的开 度 ， 以 控制冷却功率。 本文选用二维模糊控制器， 拥有双输人和单输 出 ， 其结构 如 图 1 所 示 。模 糊控 制 器 的实 现 方法 是 将模糊 控 制规则 离线转 化 为模糊 控 制表 并输 入 P L C， 并 在每 个 采 样 周 期 内在 线 查 询 获 得 输 出 量 。 同时 ， 输入 的模糊化 和输 出 的去模 糊 化也 在 P L C中 完成 。 图 1 模糊控制器结构图 模糊控 制 器输 入 e和 e c 采 用 离 散 差 分 的 表 达 方式 ， 即 e k PV k 一S P 式中， P V 为瞬时实 际温度值 ； 5 P为设定 温度 值； T 为采样 周期 ； k为 时间变量 。 3 4 综 合 考虑 了该 系统 的稳 态精 度 、 稳 定性 和动 态 性 的要 求 后 ， 本 文 将 e 、 e c和 u的模 糊 子 集 定 为 7 级 ， 增加分级档数 ， 可以提高稳态精度 ， 但 同时也将 扩大模糊 关 系矩 阵 的维 数 ， 增 加控制 表 的容量 ， 这 对 提高控 制稳定性 和快 速性是 不利 的 。 e ， e c ， u { N B， N M， N S ， 0， P S ， P M， P B} 子 集 中的元 素分别 代表 负大 ， 负 中 ， 负 小 ， 零 ， 正 小 ， 正 中 ， 正大 。 e ， e c 在模 糊集上 的论域 定为 e ， e c { 一6 ， 一5 ，一 4， 一3 ，一2 ， 一1 ， 0 ， 1 ，2 ， 3 ，4 ，5 ，6} U在模 糊集上 的论域 定为 U { 一 7 ， 一 6， 一5 ， 一 4 ， 一3 ， 一 2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ，5 ，6 ，7} 据对 温度控 制 系统 多 次 手动 调 节 得 出 的经验 ， 将温度误差 e的基本论域定为 [一2 0 。 C， 2 0 。 c] ， 温度误差 的变 化 率 e c的基 本 论 域 定 为 [～1 。 C ／ s ， 1 。 C ／ s ] ， 并将 所有 越限值 按边 界值进行 处理 。 本文中e ， e c ， u的隶属度 函数均采用高斯正态 分布 函数 见图 2和图 3 。 Me mb e h i pn c t i o n p lo t s p l o t p o i n t s 1 8 1 图 2 误差 e 、 e e 的隶属度 函数 M e mr s h i p f u n c t i o n p lo t s p l o t p o i n t 1 81 图 3输 出 u的 隶 属 度 函 数 经 过分析挤 出机 的温 度 变化 特 性 ， 可 以 总结 出 部分控 制经验 ， 比如 “ 实 际 温度 比设 定 温 度低 很 多 ， 且温度降低得很快时， 需要输出非常大的加热控制 量” ， “ 实际温度 比设 定温度高很多 ， 且温度降低和 很慢时 ， 需要输出非常大 的冷却控制量” ， 因此将这 些 模 糊 控 制 规 则 归 纳 为 模 糊 控 制 规 则 表 ， 见 表 1 。 再 按最 大隶属度 原则得 出控制 量表 ， 见表 2 。 2 0 1 0年 第 5期 NO ． 5 2 Ol O 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 01 O年 1 0月 0c t ．． 201 0 表 1 模糊控 制规 则表 EC E NB NM Ns D 尸 S P M PB NB PB PB P日 PB PM 0 O NM PB PB P曰 PB pM 0 0 Ns PM PM PM PM 0 』 v S Ns D PM PM P S 0 ⅣS NM NM PS PS PS 0 NM NM NM NM P M 0 0 NM NB NB NB NB PB 0 0 NM NB NB NB NB 注 E、 E C分别为精确量 e 、 e c 的模糊量。 表 2控 制 量 表 E C 一 6 5 4 3 2 1 O 1 2 3 4 5 6 6 7 6 7 6 7 7 7 4 4 2 O 0 O 一5 6 6 6 6 6 6 6 4 4 2 0 O O 一 4 7 6 7 6 7 7 7 4 4 2 0 O O 一 3 7 6 6 6 6 6 6 3 2 O I 一1 一l 一 2 4 4 4 5 4 4 4 l O O 一1 1 一 l 一 1 4 4 4 5 4 4 l O 0 O 一3 2 一 l 0 4 4 4 5 1 1 O l 一1 1 4 一d 一4 1 2 2 2 2 0 0 一l 一4 4 3 4 一d 一4 2 1 2 l 2 O 一3 4 4 4 3 一d d 一4 3 0 0 0 0 3 3 6 6 6 6 6 6 6 4 O O 0 2 4 4 7 7 7 6 7 6 7 5 O O O 一2 4 4 6 6 6 6 6 6 6 6 0 0 O 一2 4 4 7 7 7 6 7 6 7 3 模糊 控制器的 P L C编 程 本 文 的控 制 系统 采用 西 门 子 S T E P 7作 为 软 件 编 程环境 ， 使 用 模 块 化 编 程 方 式 。主 要 程 序 包 括 e 温 度偏差 和 e c 偏差变 化率 的计 算 ； 精 确量 e 、 e c 到模 糊量 E、 E C的转 换 ； 模 糊控 制量 表 的查询 ； 模 糊 控 制量 到精 确控 制量 “的转换 。 其 中模糊 控制 量表 的查 询程序 是 整个程 序 的关 键 。离线 建立 的模糊 控制 量表 ， 按 照从上 到 下 、 从 左 到右的顺序输入到相应 的 D B 3数据块 中。在 每个 采样周 期 时 ， 根 据得 到 的误 差 和误 差 变 化 的 论 域元 素 ， 在 线查 得模糊 控 制量 。 该 程 序采用 指针 寻址 方法 。将输 入模 糊论 域 的 元素 [一n ， n ] 转 化 为 [ 0 ， 2 n ] ， 即 E， E C的值 转 化 为 [ 0 ， 1 2 ] 。控制量 的基址 为 0 ， 偏移地址方程为 4 E1 3 E C 。具体程序如下。 N e t w o r k 1 计算 出 在表中的绝对地址 ， 并存 Ne t wo r k 2 N e t w o r k 3 指针寻址 ， 并将按地址 查询到的数值 存放 在 MD 1 0中。 0PN DB 1 L P O． 0 L d 4 S LD 3 D T PI L D B D [ P 1 ] T M D 1 0 4实 验 结 果 分 析 图 4为 分别 采用 模糊 控制 器 和常规 P I D控制 器 的温度 曲线 图 。图 中 曲线 1 为模 糊控 制器 的温 度 曲 线 ， 曲线 2为 P I D控制 器 的温 度 曲线 。从 图 中 可 以 看 出 ， 模 糊控 制 的温 度 曲线 相 比常 规 P I D控 制 器 的 温度 曲线 ， 有 更快 的温 升 速 度 ， 超 调 量也 更 加 小 ， 后 期也 比较 稳定 ， 没 有振 荡 出现 。 图 4 两 种 不 I 司控 制 器 的温 度 曲线 5 结束 语 本文利用模糊控制器对挤出机温度控制系统进 行改 良， 并结合现有 P L C进 行软件实现， 不仅提高 了控制精度 ， 而且并没有增加过多的硬件成本 ， 取得 了较 为满 意 的效果 。 下转第 3 8 页 2 0 1 0年第 5期 No ， 5 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 01 0年 1 0月 0c t ．． 2 O1 0 何压缩 比 ， 即螺 杆加 料段 第 一 个 螺槽 容 积 与均 化段 最后一个 螺 槽 容 积 之 比， 由 原 来 的 1 ． 4提 高 到 了 1 ． 5 6 ， 这样 ， 能够产 生必要 的挤 出压力 ， 压 实胶 料 ， 保 证胶料在 螺杆 的末端有 足够 的致 密度 。 4 减小螺 杆 的螺 棱宽度 。螺棱 宽度 的适 当减 小 ， 意味 着螺槽宽 度 的加大 ， 螺 槽 容积 相 应增 大 ， 挤 出量提高 ； 同时 ， 螺棱 宽 度减 小 ， 螺 杆旋 转 摩 擦 阻力 减小 ， 所 以功率消 耗低 。 5 改变 了螺杆 的头部形状 。采用 了鱼 雷头形 状 ， 扩大了胶料从 螺杆进入机头的形腔， 减小 了阻 力 ， 使胶料 挤 出更 均匀 。 4新螺杆工作情况介绍 通过 以上几 点改进 ， 新螺杆 安装好 后 ， 进行 了大 截面高压 电缆 的试 生产 。 同样采 用 以前 正常生 产用 的氯化聚 乙烯 ， 在 实 际 生 产 中， 将 螺 杆 转 速 控 制 在 7 ． 5 r ／ m i n左右 ， 生产线速度 0 ． 8 m ／ m i n ， 螺杆冷却 水 开至最 大 ， 机身 冷却 水 在 3 7℃ 左右 ， 生 产 出 的 电 缆外 径在 7 8～7 9 I 1 3 m之 问 ， 电缆 偏 心 较 好 ， 并 且 直 至生产结束 变化 也 较小 。成 品 电缆 经 检 验 ， 各项 指 大 ， 输送胶 料能力 强 ， 发 热少 ， 但 挤 出量 的波动 较大 。 双 头螺纹 的螺槽有 效容积 较小 ， 输送胶 料能力 较低 ， 出胶 量较少 ， 但挤 出量较 为稳定 ， 因此采 用较 多 。 目 前螺 杆为双 头螺纹 。 5 螺 纹螺旋 角 。 即螺纹 与螺 杆 横断 面 的夹 角。对等距不等深螺杆 ， 为了得到较高的生产率， 可 取螺 纹螺 距 等 于 螺 杆 直 径 ， 即 螺 纹 螺 旋 角 1 7 。 4 2 。 目前 螺纹螺 旋角 1 8 o 4 9 。 6 螺 距 5和 螺槽宽度 。螺距 即螺纹 的轴 向 距离 ， 螺槽宽 度 即垂 直 于螺 棱 的 螺槽 宽 度。 在其 它 条件 相 同时 ， 螺距 和槽宽 的变化 ， 不但决定 螺杆 的螺 旋 角 ， 而且还 影响 螺槽 的容积 ， 从 而影 响胶料 的挤 出 量 和塑化程 度 。 目前螺杆 的螺距 为 1 6 0 m m， 螺棱 宽 度 为 9 mm。 7 螺 槽深度 日。即螺纹 的外半 径与根 部半 径 之差 。挤 出段 的螺 槽深度 与物料 的塑化 程度 和挤 出 量有 密切关 系。 当 日减 小 时 ， 剪 切 速 率 增 加 ， 增 强 胶料 的塑化 和混 和效果 ， 但 胶料 的温升较 大 ， 挤 出量 降低 。 目前 螺 杆 的 螺 槽 深 度 由 2 4 ． 5 7 m m 渐 变 到 1 5． 7 5 mm 标 达到标 准要求 。 5 螺杆的主要参数 6 结束语 螺杆 的主要 参数 有 直径 、 长径 比、 螺纹 的头 数 、 压缩 比、 螺旋 角 、 螺 槽深度 等 。这 些参数对 生产工 艺 和性 能有很 大 的影 响 。 1 螺 杆直径 D 。螺杆 直径 即螺 纹 的外 径 ， 挤 橡机 的生产 能 力 挤 出量 近 似 与 螺 杆直 径 的平 方 成正 比。 目前 数值 为 1 4 9 ． 5 mm。 2 螺 杆 长 径 比 L ／ D 。较 大 的 长径 比有 利 于 胶料 均匀 的混合 和塑化 ， 并能使升 温过程 变得缓 和 ， 从而 为提 高 螺 杆 转 速 提 供 了 可 能性 。 目前 数 值 为 1 6 1 。 3 螺 杆压缩 比 。螺 杆压 缩 比分 为几何 压 缩 比和物 理压缩 比。前 者是 指加料段 最初一 个螺距 螺 槽 的容 积与挤 出段 最终 一 个 螺槽 的容 积之 比 ； 后 者 是指胶 料进入 加料 口前与从 挤 出段 出来后 的 比容 之 比。 目前螺杆 的几何 压缩 比为1 ． 5 6 。 4 螺纹 的头 数 。单 头 螺 纹 的螺 槽 有 效 容 积 通 过对螺 杆型 式 的改 选 ， 我 公 司新 1 5 0连 硫 机 组已满足了大截面 、 大长度 、 高电压氯化聚乙烯绝缘 橡套 电缆 的生产要 求 ， 正 常 生产 时 实 际 出线速 度 比 原来提 高 了 3 0 ％ ， 在 不 改变 使 用 胶 料 的情 况 下 ， 即 不改变 胶料 配方 的前 提 下 ， 挤 出 的胶料 也 不发 生 过 硫 ， 满足了生产需要 ， 提高了劳动生产率。经过一年 的生产 ， 新螺 杆经受 了考 验 ， 使 用状 况 良好 ， 从 而 验 证 了螺 杆 的改选 是 成功 的。 参考文献 [ 1 ] 戴永 国． 橡、 塑绝缘 电线 电缆 生产 [ M] ． 北 京 机械 工业出版 社 ， 1 9 9 1 ． [ 2 ] 成 大先． 机械设计手册 第三 版 第 1卷 [ M] ． 北 京 化学工业 出 版社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 朱 复华． 螺杆 设 计 及理 论 基础 [ M] ． 北 京 轻工 业 出 版社 ， 1 9 8 4 ． { 上接第 3 5页 参考文献 [ 1 ] 梁毅 ， 费敏锐． 单参数模糊 P I D在塑料挤出机温度控制系统 中应用 [ J ] ．华东理工大学学报 自然科 学版 ， 2 0 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