針對塑料擠出機的PID溫度控制器的研制
加入技術交流群
PID控制問世至今已有60多年的歷史，采用PID（比例-積分-微分）控制設計的溫度控制器可以消除慣性溫度誤差，PID控制是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例-積分-微分計算出控制量，由于傳統(tǒng)的PID控制算法，其運算簡單、調整方便、魯棒性強，得到非常廣泛的應用；數(shù)學模型是為了一定的目的，根據(jù)原型內在的規(guī)律和本質屬性，通過必要的簡化假設，運用適當?shù)臄?shù)學工具，而作的抽象，簡化的數(shù)學結構。數(shù)學模型能用來預測事物未來的發(fā)展規(guī)律，或為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。
塑料擠出機主要是利用塑料的可塑性，使塑料在機筒內通過加熱和螺桿的作用，經(jīng)過破碎、融熔、塑化、排氣、壓實過程，最后成型、冷卻定型，塑料擠出機是異型擠出生產(chǎn)和鋁塑復合管生產(chǎn)的關鍵設備。擠出溫度過低，擠出口出料不暢，造成前端擠出機構負載過大；擠出溫度過高，則可能改變原料特性導致成品報廢，因此擠出溫度控制決定著塑料擠出機的性能。塑料擠出機的加熱裝置常用的是電加熱，分為電阻加熱和感應加熱。冷卻裝置分為風冷卻與水冷卻兩種，風冷卻是控制風扇制冷帶走熱量，而水冷多采用控制排管中水循環(huán)帶走熱量，測量裝置采用高溫熔體壓力傳感器。圖1所示為塑料擠出機的溫度控制原理示意圖
圖1 塑料擠出機的溫度控制原理示意圖
數(shù)學模型是一種抽象的模擬，它用符號、式子、程序、圖形等數(shù)學語言刻劃客觀事物的本質屬性與內在聯(lián)系，是現(xiàn)實世界的簡化而又本質的描述。數(shù)學模型的三個主要功能是：解釋，判斷與預測，也就是數(shù)學模型能用來解釋某些客觀現(xiàn)象及發(fā)生的原因。要對塑料擠出機加熱和水冷卻過程中非線性溫度控制建模分析，首先將被控對象進行控制的過程從具體的應用中剝離出來，簡化為被控對象如圖2所示的加熱和水冷卻密閉容器模型，使用數(shù)學語言對實際對象進行一些必要的簡化和假設，為其建立一個合適的數(shù)學模型。
圖2 簡化的加熱和水冷卻密閉容器模型
（2）系統(tǒng)被控對象滲透風忽略不計。
假如不考慮執(zhí)行機構的慣性和室溫調節(jié)對象的傳遞滯后，根據(jù)能量守恒定律，單位時間內進入對象的能量減去單位時間內由對象流出的能量等于對象內能量蓄存量的變化率，其微分方程為：
ΔQ = Chrr*（dT/dt）= Qe-Qc
式中：ΔQ — 密閉容器變化的熱量（KJ/h）；
Chrr — 恒溫室的熱容（KJ/℃）；
T — 室內空氣溫度；
Qe — 電加熱注入的熱量（KJ/h）；
Qc — 水制冷帶走的熱量（KJ/h）；
假如不考慮執(zhí)行機構的慣性和室溫調節(jié)對象的傳遞滯后，根據(jù)熱平衡原理，感溫元件熱量平衡微分方程：
q2 = C2*（dT2/dt）=α2* S2*(T1-T2)
式中：C2 — 熱電阻的熱容 (KJ/℃）;
T2 — 熱電阻溫度（℃）；
q2 — 單位時間內空氣傳給熱電阻的熱量（KJ/h）；
α2 — 內空氣與熱電阻表面之間的換熱系數(shù)（KJ/m2·h·℃）；
S2 — 熱電阻的表面積（m2）；
T1 — 室內空氣溫度，回風溫度（℃）。
實際塑料擠出機加熱和水冷卻過程中，必須考慮執(zhí)行機構的慣性和室溫調節(jié)對象的傳遞滯后，加熱和水冷卻慣性環(huán)節(jié)因含有儲能元件，所以對突變的輸入信號不能立即復現(xiàn)，其微分方程為
dc(t)
T———+ c(t) = r(t)
dt
式中：輸入信號為r(t)
輸出信號為c(t)
室溫調節(jié)對象的傳遞滯后環(huán)節(jié)（又稱延遲環(huán)節(jié)），其微分方程為
c(t)= r(t - t)
式中：t為滯后時間
輸入信號為r(t)
輸出信號為c(t)
對于塑料擠出機加熱控制是一個線性過程，加熱輸入信號的大小只影響響應的幅值，而不會改變響應曲線的形狀。由于塑料擠出機控制溫度一般會在200℃左右，當水冷卻時，液態(tài)水被瞬間汽化時帶走大量的熱量，隨著水冷卻輸入信號的大小不同，響應曲線的幅值和形狀會產(chǎn)生顯著變化，從而使輸出具有多種不同的形式。因此采用傳統(tǒng)的PID溫度控制器很難保證整個主機溫度控制系統(tǒng)的波動穩(wěn)定度達到各種塑料的擠出溫度的要求，如圖3所示的塑料擠出機加熱和水冷卻過程傳統(tǒng)的PID溫度控制曲線。
圖3 塑料擠出機加熱和水冷卻過程傳統(tǒng)PID溫度控制曲線
WEST公司是世界500強企業(yè)美國DANAHER集團下屬公司，WEST公司的溫控器可達到千分之一精度，與大多數(shù)國外溫控器相比有更好的性價比，在紡織定型機、窯爐、塑料、電線電纜行業(yè)中應用廣范。WEST公司專門針對塑料擠出機設計的溫度控制器P8160，在借鑒傳統(tǒng)PID控制，引進模糊規(guī)則的算法和實現(xiàn)方式，包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分，控制器P8160的模糊PID溫度控制結構框圖如圖4所示。計算機根據(jù)參考輸入和反饋信號，計算實際溫度和理論溫度之間的偏差以及當前的偏差變化速度，在模糊推理器中借助模糊經(jīng)驗進行模糊推理，模糊推理器輸出PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，把它們作為當前控制器的參考進行PID控制，由于每一次控制時控制器的參數(shù)都是根據(jù)具體控制情況進行實時修正的，因而能夠做到控制作用的最優(yōu)效果。
圖4 控制器P8160的模糊PID溫度控制結構框圖
圖5 塑料擠出機加熱和水冷卻過程P8160
模糊PID溫度控制曲線
英國WEST公司專門針對塑料擠出機P8160溫度控制器，采用微處理器設計，其外形圖如圖6所示，結構造型別致，安裝方便，操作簡單，性價比高。P8160專用于塑料擠出應用的控制算法，針對單加熱、加熱/風冷、加熱/水冷采用不同的控制算法，特別針對水冷應用的PID和智能模糊非線性算法。無須手工PID調整，通過缺省參數(shù)或簡單的自整定即可快速獲得最佳的PID控制參數(shù)，實現(xiàn)控制效果。
圖6 塑料擠出機專用P8160溫度控制器外形圖
3.1 針對設備的診斷功能
P8160 除了提供針對儀表本身的診斷功能外（例如輸入故障檢測、回路報警等），還提供創(chuàng)新的、針對設備的診斷功能。其中執(zhí)行機構壽命報警，是根據(jù)部分控制加熱或冷卻的執(zhí)行機構是有機械壽命的（例如繼電器、電磁閥等），在超出或接近使用壽命時，會引發(fā)各種故障或產(chǎn)生誤動作，造成控制失效而設計的。P8160 獨創(chuàng)了執(zhí)行機構壽命報警功能，通過對執(zhí)行機構動作次數(shù)進行計數(shù)，來提示設備維護人員及時對易損器件進行維護，從而縮短設備的停機時間，提高生產(chǎn)率。另外環(huán)境超溫報警功能，設定了溫控儀表都有環(huán)境溫度的指標（例如P8160 是0-55℃）。當工作環(huán)境溫度超出允許范圍時，可能會造成控制芯片程序不穩(wěn)定或者電子元器件的失效，使得無法實現(xiàn)預定溫度控制任務。P8160 提供環(huán)境超溫報警功能，當環(huán)境溫度>55℃時，儀表會有報警提示，及時提醒操作員或設備維護人員對控制柜的不正常狀態(tài)進行維護。
3.2 參數(shù)設置“向導”功能
針對同一應用，不同儀表所需要設置的參數(shù)基本上大同小異，但參數(shù)界面往往卻大不相同。對于使用人員而言，學習和熟悉一款新的儀表就有可能需要較長的一段時間。P8160 充分地考慮了用戶的這種顧慮，在儀表中設計了快速參數(shù)設置“向導”功能如圖7所示，將應用中最常用的16 個參數(shù)單獨放置在參數(shù)設置“向導”界面中。OEM 的調試人員可以通過該界面的引導快速完成儀表常用參數(shù)的設置，顯著縮短設備出廠前儀表設置和調試的時間。
圖7 快速參數(shù)設置“向導”功能
最終用戶在使用儀表的過程中有可能不慎將儀表參數(shù)調亂，如果沒有對原有參數(shù)進行歸檔，設備有可能不得不停機等待恢復。P8160 提供創(chuàng)新的OEM 出廠設置功能，設備制造廠商在設備出廠前可以保存OEM設置。最終用戶可以通過恢復OEM 出廠設置快速將儀表及設備恢復到新設備時的狀態(tài)，減少可能的停機時間。
3.4 自定義操作員界面等功能
P8160 可以在操作員模式中自由定義8 組參數(shù)或狀態(tài)顯示，方便操作員在設備運行過程中快速修改儀表參數(shù)或監(jiān)視過程信息，而無需閱讀手冊，或對操作員進行特別的儀表培訓。P8160 支持將操作員的常用功能定義在前面板的按鍵上如圖8所示，大大減化了儀表操作的復雜程度，提升生產(chǎn)效率。針對塑料擠出應用的控制算法，實現(xiàn)高精度的PID閉環(huán)控制，同時控溫精度高、溫度波動?。ㄍǔ？梢钥刂圃凇?.5℃以內）
圖8 在前面板的按鍵常用功能定義
傳統(tǒng)的PID控制器和許多先進控制方法都能有效地控制線性過程，塑料擠出機加熱和水冷卻過程是非線性的，用傳統(tǒng)的PID控制器設計的溫度控制器，很難保障整個主機溫度達到各種塑料的擠出溫度的要求，而P8160溫度控制器針對塑料擠出應用控制的引入模糊規(guī)則算法，有效地控制了水冷的作用效果，可以使設備快速到達并穩(wěn)定在設定溫度，從而大大地節(jié)約了能耗，可以幫助客戶提升產(chǎn)品品質、降低廢品率、節(jié)省原材料。
參考文獻
1> 劉吉臻 曾德良 劉長良，300MW燃煤機組非線性動態(tài)模型與非線性控制軟件包，電力科學與工程，2009年25卷1期
2> Wang Y, Joos G, Jin H. DC-sice Shunt-active power Filter for Phase-controlled Magnet-load Power Supplies.IEEE Trans on Power Electronics, 1997,12
3> 王紅玉 劉繼紅 王偉明，塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及調試，可編程控制器與工廠自動化(PLC FA)，2004年 第8期
4> 俞鴻斌 金波 舒柏和，智能PID溫控系統(tǒng)在塑料擠出機中的應用，輕工機械，2007年第5期
5> 周立求，可編程計算機控制器及其在塑料擠出機中應用，自動化儀表，2004年25卷9期
pid控制器相關文章:pid控制器原理
加速度計相關文章:加速度計原理 溫濕度控制器相關文章:溫濕度控制器原理
評論