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浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p ie 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统 的设计与应用 摘要 随着人民生活水平的提高，纸质包装业迅猛发展。瓦楞原纸的温 度是生产高质量纸板的重要因素，也是节约资源的重要手段( 原材料 和能源) 。目前很多瓦楞纸生产线是靠操作人员凭经验手动调节原纸 烘缸温度，这种方法具有很大的随意性，这种随意性已经严重阻碍了 企业的发展。 针对瓦楞纸生产现状，本文通过对常规p i d 控制系统和智能p i d 控制系统进行了系统而又深入的研究，在详细地分析了传统p i d 控制 及模糊控制理论的基础上，提出了将模糊控制同常规p i d 控制相结合 的模糊p i d 瓦楞原纸温度控制系统。 本文建立了瓦楞原纸温控系统的数学模型，对其进行了辨识和仿 真研究；设计了原纸温控系统的硬件电路；采用s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c ，以现场工业总线m p i 网络为基础，运用与之相配的s t e p 7 编程软件编写了下位机的控制程序，并以w i n c cf l e x i b l e 为监控软件组 态的h m t p 2 7 7 构成了一个分布式控制系统，从而实现瓦楞原纸温度 控制系统。 系统目前己经投入运行，从实际应用的情况来看，系统运行稳定 可靠，瓦楞原纸温度达到了稳定、均匀的设计要求。该系统操作简便， 易于现场技术人员的操作和控制。提高了产品质量并降低了能耗，具 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 有很强的实用价值。 关键词：瓦楞纸生产线，温度控制，模糊控制，p i d ，p l c ，人机界面 ! 堕三些奎堂璺墼堕堡主学垡鎏塞基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 m e d i u ma n dl i n e rp a p e rt e m p e r a t u r e p i dc o n t r o lo fc o r r u g a t e db o a r d m a c h i n eb a s e do np l c a b s t r a c t o u r l i v i n g s t a n d a r d g e t sh i g h e r ，p a p e rp a c k a g i n g i n d u s t r y i s d e v e l o p i n gq u i c k l y t h et e m p e r a t u r eo fm e d i u mp a p e ra n dl i n e rp a p e rf o r t h ec o r r u g a t e db o a r di sn o t o n l yt h ec r i t i c a lf o rt h eb o a r dq u a l i t yb u ta l s o f o rt h ee n e r g ys a v i n g s o m eo l dc o r r u g a t o r , t h et e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e d b yo p e r a t o rm a n u a l l y ，i ti sr o u g h t h es i t u a t i o ns t o p p e dt h ed e v e l o p 吨o f t h i sf i e l d r e g a r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc o r r u g a t e db o a r df i e l da n dt h e f e a t u r eo fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r w i t hf i x e dp a r a m e t e r sc a l l t g e tg o o dp e r f o r m a n c ef o rc o r r u g a t o rw i t h t i m e - v a r y i n ge n v i r o n m e n t af u z z yp i dc o n t r o lw i t hs t r o n gr o b u s t n e s sa r e s t u d i e da n d p r a c t i c e di nt h i sp r o je c t t h em a t h e m a t i cm o d e lw a sr e s e a r c h e da n da l l p a r a m e t e r sw e r e r e c o g n i z e df o rt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dt h es i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u t 嬲w e l l ；s 7 3 0 0s e r i e sp l cw i t hm p if i e l d b u sn e t w o r kw a s a d o p t e dt od e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o g r a m m i n g s o f t w a r es t e p 7w a sa d o p t e dt oa c h i e v et h ec o n t r o lp r o c e s s ；t o g e t h e rw i t h 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 t h eh m ic o n f i g u r e db yw i n c c f l e x i b l ec o n s t i t u t e dad i s t r i b u t i o n a lc o n t r o l s y s t e m ，i th a sr e a l i z e dt h et e m p e r a t u r ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o n ；a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no f t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ；t h em e d i u ma n dl i n e rp a p e rt e m p e r a t u r ei ss t a b l e a n du n i f o r m ，r e a c h e st h er e q u i r e m e n t s ；t h eo p e r a t i n gi ss i m p l ea n di ti s e a s yt oo p e r a t ei ni n d u s t r yf i e l db yt h eo p e r a t o r ；t h es y s t e mp r o v i d el o w e r e n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g h e rc o r r u g a t e db o a r dq u a l i t y i th a ss t r o n g p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：c o r r u g a t o r ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，p l c ，p i d ， 1 v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：刁年朋赵7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 年j 玛) 3 日 方年 厂月以7 日 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i i ) 温度控制系统的设计与应用 1 1 系统研制的背景 第一章绪论 社会在进步，人民生活水平在提高，为满足人们多姿多彩的生活需求，市场 上出现各种各样的生活用品，其包装五花a i 1 、种类繁多；同时人们意识到环境 保护的重要性，崇尚绿色食品、绿色包装。纸质装材料已成为当今包装领域的一 个重要发展方向。据中国造纸协会、国家统计局以保守模型测算0 5 1 0 年箱板纸需 求年增6 2 7 1 万吨。国际瓦楞纸箱协会( i c c a ) 发布的2 0 0 7 2 0 1 1 年全球瓦楞 纸箱市场预测报告指出，预计2 0 0 7 - - 2 0 11 年全球瓦楞纸箱市场的新增需求量 将达到416 亿平方米，其中，5 6 的需求来自中卧1 1 。预计2 0 0 9 年中国将超过美 国，成为全球最大的瓦楞纸箱生产国。这给瓦楞纸生产线提供了相当广阔的市场 发展前景。 1 2 系统发展状况 1 2 1 国外瓦楞纸板生产发展概况 目前，北欧和大洋洲国家拥有最现代化的大型包装纸生产线，而东欧、拉丁 美洲以及非洲国家则保留着小型的老式生产设备。 国际上有1 0 多家大公司从事瓦楞纸板生产线和纸箱设备的研制和生产，居前 列的有美国马贵( m a r q u i p ) 和德国b h s 公司，他们的产品代表了当今世界瓦楞纸 板生产设备的发展趋势。其主要特点是向高速( 设计速度均在3 0 0 n v m i n ) 、高效、 宽幅( 幅宽达3 3 i n ) 、低耗、封闭无污染、计算机控制、多功能方向发展。 1 2 2 国内瓦楞纸板生产发展现状 我国瓦楞纸板的产量1 9 9 5 年是7 4 亿平方米，2 0 0 0 年升到1 2 3 亿平方米，2 0 0 3 年达到1 5 8 亿平方米。目前，我国的瓦楞纸箱总产量增长幅度已名列全球首位， 总产量位居亚洲第一，仅次于美国，位居世界第二。根据国家有关部门预测：2 0 0 6 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 年2 0 1 0 年，包装工业年产值预计达到4 5 0 0 亿元，年平均增速为7 ；2 0 11 年2 0 1 5 年，包装工业年产值预计达到6 0 0 0 亿元，年平均增速为6 。纸包装制品，2 0 0 1 年2 0 0 5 年，预计产量达到1 9 0 0 万吨；2 0 0 6 年2 0 1 0 年，达到2 7 0 0 万吨；2 0 11 年 2 0 1 5 年，达到3 6 0 0 万吨。无疑，纸箱业面临新的机遇和挑战【2 - 3 1 。 我国纸板生产线以中低档产品为主，加工成型设备过多；这种现状是导致生 产能力供大于求，二是产品加工成本偏高，缺乏市场竞争能力，尤其是高质量的 低克重箱纸板和高强度的瓦楞原纸短缺，在一定程度上影响了纸箱的质量。据统 计，近年我国包装用纸及纸板进口数量约占总需求量的一半。科技含量低己成为 制约我国瓦楞纸板生产加工行业进一步发展的决定性因素。我国瓦楞纸板行业应 象其他行业一样，把采用先进的高科技设备和对现有设备进行技术改造作为提升 企业竞争力的重要途径【4 】。 随着我国经济建设的迅速发展，纸制品包装业日益繁荣，产品不断更新，对 技术、设备的要求也越来越高，纸品包装急需机械制造业设计制造先进的设备与 之配套，以共同参与国际竞争。为了缩小同发达国家包装行业的差距，我国制定 了该行业的总体目标：瓦楞纸板生产线向机电一体化、智能化、自动控制方向发 展；以控制理论和计算机技术为先导，引进新技术、增强自主开发能力；促进机 械技术和自动化技术的结合，推进瓦楞纸板生产线机电一体化，进而向包装机械 智能化【5 嘲、高档、高速、高效、宽幅瓦楞纸板生产线。 1 3 系统研制的意义 1 3 1 瓦楞机原纸温度控制的意义 根据瓦楞纸生产工艺要求，原纸温度对瓦楞纸板的质量至关重要，通过控制 温度，既可以调整瓦楞原纸的含水量，又可以控制糊液的固化时间，从而达到控 制瓦楞纸的粘合速度和牢固度的目的，温度的控制是瓦楞纸生产过程中非常重要 的环节。有些高速瓦楞机，甚至在低温的情况下也能保持快速运转，主要是具有 温度控制系统，而国内的大部分瓦楞纸箱生产线对原纸的温度还采用手动控制， 这大大制约了瓦楞生产线的生产效率。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 1 3 2 瓦楞机原纸温控系统的现状 自6 0 年代起步至今，我国已有1 2 0 0 多条瓦楞纸板生产线，其中包括来自美 国、日本和我国台湾省的生产线约4 0 0 多条，占生产线拥有量的1 3 左右，已形成 2 0 0 0 亿平方米以上的纸箱加工生产能力。但是，我国纸板生产线上，占8 0 以上 的生产线没有原纸的温度控制系统，而是采用人工采样温度，手动进行烘缸包角 控制方式，增加了原纸的报废率、瓦楞纸板粘合不良情况，制约了机械速度提高 的可能性。 1 3 3 温度控制系统发展状况 温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。准确地测 量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。温度测量技术主 要有接触式测量和非接触式测量两种。温度控制技术按照控制目标的不同可分为 两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对 象的温度值按预先设定好的曲线变化。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度 恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度( 即稳态误差) 不能超过某允许值。本文 所讨论的基于p l c 的瓦楞原纸温度控制系统就是要实现对瓦楞原纸的恒值温度控 制要求。以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业现场控制发展来看，温度控制 技术可分为以下几种【_ 7 】： 1 ) 开关控制法：通过硬件电路或软件计算判别当前温度的偏差，进而对系统 加热装置( 或冷却装置) 进行通断控制。这种方法比较简单，在没有计算机参与的情 况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，在我国许多工厂对温度要求不高 的场合仍被使用。但由于这种控制方式无法克服温度变化过程的滞后性，控制精 度低，完全不适用于高精度的温度控制。 2 ) p i d 线性控制法：这种控温方法是基于经典控制理论中的p i d 调节器控制 原理，由于p i d 调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素， 因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。采用这种方法实现的温度控制器， 其控制品质的好坏主要取决于三个p i d 参数( 比例值、积分值、微分值) 。只要p i d 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。 但是，一旦对象特性发生改变，控制品质就难以得到保证。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 3 ) 智能温度控制法：为了克服p i d 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系 列自动调整p i d 参数的方法，并通过将智能控制与p i d 控制相结合，从而实现温 度的智能控制。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤 其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。 1 4 系统控制性能要求 本论文所讨论的基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i t ) 温度控制系统目的是对瓦楞纸 板的原纸( 面纸和芯纸) 温度进行恒值温度控制。原纸的温度控制范围要求是8 0 c ， 温度控制的精度要求为士1 。 在设计时，要求达到下列性能要求： 1 ) 可以人为方便地通过控制面板或p c 机设定控制期望的温度值，系统能自 动将原纸的温度加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值即能 实现温度的自动控制。 2 ) 能够实现对原纸温度的测量并且通过触摸屏实时显示出来。 3 ) 具有加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的原纸温度值超过系统规 定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而实现超温保护。 4 ) 具有传感器的自检功能。当检测到传感器出故障时，能自动将系统切换到 手动控制状态，同时，给出报警信息。 5 ) 生产线状态检测。当生产线停机时，烘缸包角会自动调节到最小位置，在 一定的时间内，如果生产线再次启动，烘缸包角自动回到原来位置。 6 ) 模块化设计，安装拆卸简单，维修方便。 7 ) 系统可靠性高，不易出故障。 8 ) 尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部进行 替换。 1 5 论文研究的内容 本课题采用理论研究、仿真设计、现场调试相结合的方法，设计出基于p l c 4 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统，经过使用，能够满足瓦楞原纸温度控制的要 求。论文的结构划分为： 第一章详细介绍了国内外瓦楞行业的发展趋势以及国内瓦楞行业的现状，系 统研制的意义，概要描述了温度控制的方法。 第二章首先建立了原纸温控系统的数学模型，并对其进行了辨识，得出了原 纸温控系统的传递函数。在此传递函数的基础上，对其进行了仿真研究。通过分 析常规p i d 控制和模糊控制的相关理论知识和温控系统在生产环境恶劣、空气场 扰动大的场合的特点，提出了原纸温控系统模糊p i d 控制算法，通过模糊推理推 导出g p ，k i 和k d 的模糊查询表，为智能控制的p l c 实现做好准备。 第三章比较详尽的阐述了p l c 及人机界面的工作原理、发展，分析了原纸温 控的结构、特点以及控制要求，提出了温度控制系统硬件选型、设计和布局，在 此基础上进一步说明了控制系统硬件之间的通讯连接，最后设计了基于p l c 和人 机界面的温控系统硬件电路。 第四章完成了瓦楞原纸温度控制系统的整体软件设计。详细描述了西门子 s t e p 7 编程软件的相关知识以及用s t e p 7 实现工程项目的一般步骤。建立温度控制 系统的硬件组态，将其作为软件设计的基础，说明了模糊p i d 参数自整定的实现 方法并对相关子程序做了解释。 第五章介绍了西门子w i n c cf l e x i b l e 系统组态软件功能，各种通讯及其特点； 分析了h m i 与p l c 的通讯方法及如何实现，同时根据系统功能及操作过程要求， 设计了人机交互窗口一触摸屏的界面。实现了整个生产过程控制变量的透明化、 直观化。说明了温度传感器装置在现场安装时的注意事项，以及系统调试的方法。 简要介绍系统投入运行的情况。 第六章总结与展望 5 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 第二章模糊p i d 控制在瓦楞原纸温控中的应用 2 1温度控制系统特性研究及模型辨识 2 1 1 瓦楞原纸温度系统模型的建立 在生产瓦楞纸板的过程中，温度对瓦楞纸板质量的影响很大。通过控制温度， 既可以调整瓦楞原纸的含水量，又可以控制糊液的固化时间，从而达到控制瓦楞 纸的粘合速度和牢固度的目的，温度的控制是瓦楞纸生产过程中非常重要的环节。 根据对单面机瓦楞纸板成形过程中张力及淀粉的分析，在瓦楞成形时，进入 单面机的原纸温度最好在7 0 - - - 9 0 为最好，为此，需充分利用单面机的预热烘 缸对原纸的温度进行调节。 烘缸对原纸的温度控制分为两步：首先控制烘缸表面的温度为1 8 0 ，其次利 用烘缸包角调整棍调节原纸与烘缸的包角，从而达到原纸温度的控制。 第二步是本文研究的内容，下面先简单介绍如何控制烘缸表面温度的方法。 烘缸是由饱和蒸汽加热，蒸汽压力、蒸汽温度与密度存在一一对应关系，如 表2 1 所示： 表2 1蒸汽压力、蒸汽温度与密度 6 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 7 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 理想状况下，只要其中任何一个参数确定，饱和蒸汽其他特性也就相应确定 了。基于此，瓦楞纸生产线烘缸的表面温度是通过检测并控制进入烘缸的蒸汽压 力进行控制的。图2 1 是烘缸表面温度控制示意图。 图2 1 烘缸温度控制系统图 烘缸具有大惯性、大滞后的特性，由图2 2 可知，其温度的控制除了锅炉供应 的蒸汽的压力外，蒸汽管路系统的疏水装置也非常重要，为了尽可能稳定烘缸表 面的温度，在日常工作中，要经常检查预热缸的实际温度，对于使用旋转接头的 预热缸，如果出现温度低或两端温度差5 c 以上的情况，就说明吸管有损坏或安装 位置不对，必须拆开进行检修。同时，使用正确的疏水阀，其流量指数应该是冷 凝水的2 3 倍，如果疏水量不够，应该调换疏水阀。此外，在日常操作生产中， 应该养成良好的习惯，每周检查疏水阀排污口，发现堵塞要及时清洗。 为了保证纸板质量，必须对高速运行的原纸温度进行精确控制。因此，原纸 的温度控制必须由表面温度恒定的烘缸配合具有快速响应的包角调节系统来完 成。 8 折江i 业大学中职教师颂学位论文基于p 的瓦楞原纸蘸朔p i d 温度控制系统的设计与应用 国2 - 2 烘缸温度控制实物图 瓦楞原纸温度控制可认为是一个大容积滞后加纯滞后的对象叶容积滞后比纯 滞后大得多) ，在其整个温度工作区域，对象动态参数是随烘缸温度和包角变化的， 每个温控点( 芯纸或里纸) 都有一个设定的工作温区，在工作点附近的小范围内， 原纸温度的可看成近似线性。在过程控制中，为了方便，通常把瓦楞原纸温控系 统看成是一个线性系统，其模型可以定性描述为嗍： 7 蔷+ r 2 蜀u 2 0 f ) ( 2 _ 1 ) 式中，y 为瓦楞原纸温度，t 为加热时间，t 为系统时间常数，k 为放大倍数， u 为包角控制，t 为纯滞后时间。 如果设定包角大小为u ，u 正比于u 2 ，即u 毫l 【i l ，对于式( 2 1 ) 作拉普拉 斯变换，可得 t s y ( s ) + y ( s ) = k u ( s ) e - ”( 2 - 2 ) 所以 兰盟：k e - , c ，( s ) t s + 1 ( 2 3 ) 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 即系统的传递函数为一阶惯性环节加纯滞后环节( f i r s to r d e rp l u sd e l a yt i m e ) 模型【1 0 1 1 1 来描述： g ( s ) = 篑 ( 2 - 4 ) 其中，k 、t 、t 分别为对象模型的静态增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数，s 为复变量。 1 ) 静态增益k ： 放大系数k 又称为放大系数，是被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量 和输入变化量之比，它是不随时间变化的量。在相同的输入变化作用下，被控对 象的k 越大，输出变化量就越大，即输入对输出的影响越大，被控对象的自身稳 定性越差；反之，k 越小，被控对象的稳定性就越好。 2 ) 滞后时间t ： 在过程控制中，很多被控对象在受到输入变量的作用以后，其被控量并不立 即发生改变，而是经过一定时间才发生变化，这就是滞后现象，滞后时间下是描 述这种现象的动态参数。 3 ) 时间常数t ： 时间常数t 反映了被控对象受到输入作用以后，输出变量达到新稳态值的快 慢，它决定了整个动态过程的长短，是被控对象的动态特性参数。 2 1 2 温控系统辨识 现场许多工业过程的内在变化机理都非常复杂，往往并不完全清楚，这就难 以用数学推理方法建立过程的数学模型。在这种情况下，数学模型的取得就需要 采用实验辨识方法。实验辨识方法最常用的有三种，即时域响应曲线法、相关统 计法和递推最| , - - 乘法。 本设计采用的是响应曲线法中的阶跃响应法。阶跃响应法是指通过调节烘缸包 角的大小，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的响应曲 线用记录仪或其他方法测试记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取过程输入 和输出之间的关系。 该方法在工程实际上应用非常广泛，也比较简单有效。如果过程的阶跃响应曲 1 0 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 线在t = 0 时斜率几乎为零，之后斜率逐渐增大，到达某一点后斜率又逐渐减小，即 曲线是s 形状的，那么该过程可用一阶惯性加时间延迟环节来近似。给被控对象施 加一个幅值为a 阶跃信号作为激励 u ( t ) = a o u ( t ) = a o + a t 0 伽( 2 5 ) 图2 3 阶跃响应 其中，a o 为阶跃信号的初始值，t 为时间。对于一个实际的对象，其阶跃响 应曲线通常如图2 3 所示。下面来确定三个参数kt 和延迟时间t 。k 的确定方法 比较简单，k = y ( o o ) a 。t 和t 的确定方法如图2 - 4 所示，在阶跃响应曲线斜率最 c 。 图2 - 4 原纸温度阶跃响应曲线 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 大处作一条切线，该切线与时间轴交于c 点，与y ( ) 交于a 点，a 点在轴上的投 影为b 点。则c b 段即为t 的大小，o c 段即为t 的大小。 在原纸运行速度为1 2 0 i 】舳，手动原纸包角为2 0 ( 全包角为1 0 0 ) 时，使得 原纸处于开环加热状态，观察它的阶跃响应曲线，如图2 - 4 所示。 经过计算得出该温度系统的传递函数为： g ( s ) = 雨丽e m 2 3 ( 2 - 6 ) 2 1 3 系统仿真 2 1 3 1p i d 参数整定 p i d 控制器参数整定【1 2 】，是指在控制器规律已经确定为p i d 形式的情况下， 通过调整p i d 控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态 特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。通常有p i d 控制器参数z n ( z i e g l e r 和n i c h o l s ) 经验公式法，z n 临界比例度法，i s t e 最优整定法，特征面积 法等。对于已确定的系统传递函数g ( s ) = i 丽i 万e _ o 知，这里采用采用z n 经验公 式法。 对于一个典型的p i d 控制器，传递函数为： c ( s ) 2 巧( 1 + 去+ 乃j ) ( 2 - 7 ) 利用z i e g l e r - n i c h o l s 经验公式【1 3 1 得到整定p d 控制器参数： k l 尸1 2 吖_ 0 6 t i = 2 v - - 0 4 t d = 0 5 f = 0 1 2 1 3 2m a t l a b s i m u l i n k 仿真 m a t l a b 全名为m a t r i xl a b o r a t o r y ，中文直译为矩阵实验室。自1 9 8 4 年美 国m a t h w o r k s 公司推向市场以来，历经十几年的竞争和发展，从1 9 8 7 年m a t l a b 3 0 版( d o s 操作系统) 到现在的m a t l a b 7 0 ，经历了很多版本的升级，功能也在不断增 强，已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。它是一种而向科学与工程计算的 高级语言，集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体， 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 基于p l c 瓦楞最纸模糊p i d 温囊控制系统的设计与应用 具有极高的编程效率1 。堋。 瓦楞原纸温度要求控制到8 0 ，控制稳态误差在l 内的技术指标。以下通 过m 越l 郴i 聃n i 玎k 中创建的p d 控制系统仿真结构图( 图2 巧1 进行仿真。 圉厶s 常规p i d 仿真框图 仿真结果如图2 - 6 所示。 囤2 击常规p i d 阶跃响应曲线 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 以上的仿真是以k p = 0 5 ，k i = 1 2 ，k d = 0 0 6 为参数进行的。 2 2 常规p i d 控制简介 2 2 1p i d 控制原理 将偏差的比例( ( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 和微分( d e r i v a t i v e ) ) 通过线性组合 构成控制量，对被控对象进行控制的控制器，简称p i d 控制器或p i d 调节器，是 生产过程中应用最普遍的控制方法。它的结构简单，操作方便，可靠性高，特别 是在控制对象的数学模型难以建立的工业控制过程中，应用更为广泛。事实上， p i d 是一种负反馈控制，它以设定的控制目标值与反馈值的差值作比例、微分、积 分后用来控制受控对象【1 9 剀。 图2 7 常规p i d 控制系统原理框图 其系统原理框图如图2 7 ，所示连续系统的p i d 控制算式表示为： ) = k p m 卅专胁) d r + r dc l e f ( t ) 】( 2 - 8 ) 其中e ( t ) 为偏差，e ( t ) 可( t ) 一y ( t ) m ) 设定值，y ( t ) 实际值 k p ，t i ，t d 分别为控制式的比例、积分、微分系数 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 ) 比例环节，即时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( 0 ，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 ) 积分环节，主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分时间常数t i t i 越大，积分作用越弱：反之则越强。 1 4 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i b 温度控制系统的设计与应用 3 ) 微分环节，能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减小调节时间。 对于计算机采样控制系统，使用的是数字p i d 。 数字p i d 又分为位置式算法和增量式算法。 将式中的积分用求和代替，微分用增量代替，则得到位置式p i d 算式为： “娜啦 e ( k t ) + 寺丢“力+ 争e ( k t ) 叫噼。) 】) ( 2 9 ) 工j ，= o - l、。一7 ， 式中：k p 为比例系数； k i = k p t 厂r i 为积分系数，t 为采样周期； k d = k p t 山t 为微分系数 这种算法的缺点是：位置式p d 数字调节器的输出是全量输出，所以每 次输出均与过去的状态有关，计算时要对e ( k t ) 进行累加，计算机运算工作量大。 而且，因为计算机输出的u ( t ) 对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障， u ( t ) 的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化这种情况往往是生产实践 中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式p d 控制的控制算法。所谓增量式p d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量a u ( k t ) 。 采用增量式p i d 算法，式( 4 2 ) 改写为： 甜( 幻) = k p e ( k t ) 一e ( k t t ) + k f e ( k t ) + k a e ( k t ) 一2 e ( k t t ) + e ( k t 一2 ，】 ( 2 1 0 ) 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： 1 ) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法 去掉。 2 ) 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障 时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 3 ) 算式中不需要累加。控制增量u ( t ) 的确定仅与最近k 次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。由于增量式算法中无累加， 消除了当偏差存在时发生饱和的危险，也就是消除了积分饱和危险。因此，在实 际控制中，增量式算法比位置式算法应用更为广泛。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 2 2 2 常规p i d 算法的不足及改进方向 p i d 控制中的比例控制环节、积分环节、微分环节各自的优缺点为：比例控制 的优点是误差一旦产生，控制器就立刻有控制作用，使被控制量朝着误差减小的 方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数k p ，比例控制的缺点是对于具有自平 衡性( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在误差。加大k p 可减小误差， 但k p 过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定；积分环节的优点 是它能对误差进行记忆并积分，有利于消除稳态误差。但它的不足之处在于，由 于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变坏，以至于 使系统不稳定；微分控制的优点是它能对误差进行微分，预测出误差的变化趋势， 增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减小，增加系统的稳定性。它的缺 点是对干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低【1 9 1 。 根据不同被控对象适当地整定p i d 的三个参数，可以获得比较满意的控制效 果。但实践证明，这些整定参数的过程，实际上是对比例、积分、微分三部分控 制作用的折衷，虽然在实际应用中积累了许多p i d 参数的整定方法和经验公式， 但是这种整定不仅浪费时间，且参数间相互影响，往往难以收到优化效果。剖析 常规p i d 控制可以发现，这种控制无法解决稳定性与精确性之间的矛盾，加大控 制作用可减小误差，提高准确性，但稳定性降低。反之，为保证稳定性，限制控 制作用，这样就牺牲了控制的准确性。即使对被控对象整定了一组满意的p i d 参 数，当对象特性发生变化时，也难保证良好的控制性能。 2 3 瓦楞原纸温控系统采用模糊自整定p i d 控制的可行性 目前，在工业过程控制上，大多采用的还是常规的p i d 控制。但原纸温控系 统的实际运行环境复杂多变的，如车速变化、烘缸本身的温度变化，工作环境空 气场的扰动等干扰源的影响，固定的p i d 比例、积分、微分参数难以获得良好的 控制效果。因此，为了获得满意的控制系统性能，还必须引进一些非线性的控制 方式。因为在系统动态过程及静态过程中，自动适应瓦线生产车间区域面积大，发 热设备多，空气场很不均匀的场合，要求不同的比例控制、积分控制、微分控制。 所以，在控制一种用于瓦线原纸的基于模糊辨识的自整定p d 控制器过程中要根 1 6 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l c 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 据系统的动态特征和行为，采取“灵活机动”的有效控制方式，如采取变增量( 增益 适应) 、智能积分( 非线性积分) 、智能采样等多种途径。实现这些途径的重要方式 是借助于专家的经验、启发式直观判断和推理规则。另外，近年来由于神经网络、 模糊推理等理论的出现与完善，为具有非线性对象的控制提供了新颖而有效的手 段，p i d 控制器参数的自整定成为提高控制器精度的一个有效的方法。这样的控 制决策有利于解决控制系统中的稳定性与准确性之间的矛盾，又能增强系统对不 确定性因素的适应性，即鲁棒性。这种类型的p i d 控制器，已经同常规p i d 控制 器有了质的区别，这一类型p i d 控制已成为智能控制的一个研究方向，即智能或 专家自适应p i d 控制。在工业过程控制的发展史上，p i d 控制是历史最悠久、生 命力最强的控制方式，即使在欧美、日等工业发达国家，9 0 以上的控制回路基 本上还是采用p i d 控制器。因此，p i d 控制器的智能化是工业过程控制智能化的 主要组成部分【z 引。 2 4 模糊控制的基本原理 2 4 1 模糊控制概况 模糊逻辑控制( ( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控制( ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是使计算机 具有灵活性和智能性的一种新颖的智能控制方法。是以模糊集合论、模糊语言变 量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。它的诞生是以1 9 6 5 年美国 柏克莱加州大学电器工程系l a z a d e h 创立了模糊集合论为标志的：1 9 7 3 年他给 出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。自从1 9 7 4 年e h m a m d a n i 首先利用 模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制方面的研究获得成功以后，模糊控制的研究 和应用一直十分活跃 2 4 - 2 5 1 。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一 大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初 在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推 广应用。近2 0 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成 为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生 产和生活的许多方面，目前，从应用的情况看，模糊逻辑已在图像识别、语言处 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p l 的瓦楞原纸模糊p i i ) 温度控制系统的设计与应用 理、自动控制、放障诊断、信息检索、地震研究、环境预测、运输管理、楼宇自 动化以及医学、生物学、社会学及心理学等许多学科和领域中获得了广泛的应用。 2 4 2 模糊控制基础 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用 语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ，即f c ) 获 得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点 2 6 - 3 4 1 ： 1 ) 无需知道被控对象的数学模型，模糊控制是以人对被控系统的控制经验为 依据而设计的控制器，故无需知道被控系统的数学模型。 2 ) 是一种反映人类智慧思维的智能控制，模糊控制采用人类思维中的模糊量， 如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊 推理是人类通常智能活动的体现。 3 ) 易被人们所接受，模糊控制的核心是控制规则，这些规则是以人类语言表 示的，如“衣服较脏，则投人洗涤剂较多洗涤时间较长”，很明显这些规则易被一 般人所接受和理解。 4 ) 构造容易，用单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制系 统无异，模糊控制算法用软件实现。 5 ) 鲁棒性好，模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行 有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现 场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确 数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易 导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些规律间 的模糊连接，比较容易找到折衷的选择，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人 工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱， 尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 模糊控制系统的基本结构如图2 8 所示： 1 8 浙江工业大学中职教师硕士学位论文基于p ie 的瓦楞原纸模糊p i d 温度控制系统的设计与应用 图2 - 8 模糊控制系统框图 其中r 为系统的设定值，y 为系统输出，e 和e c 分别是系统偏差和偏差的微分 信号，也就是模糊控制器的输入，u 为控制器输出的控制信号，e ，e c ，u 为相应的 模糊量。由图可知模糊控制器主要包含三个功能环节：用于输入信号处理的模糊 量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决 环节。 下面以单变量二维模糊控制器为例，介绍模糊控制器的设计步骤 2 6 - 2 7 ： 1 ) 确定模糊控制器的结构 确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化。模糊语言值 通常选取3 ，5 或7 个，然后对所选取的模糊集定义其隶属函数，可取三角形隶属 函数( 如图2 - 9 所示) 或梯形，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀的；也可采 用单点模糊集方法进行模糊化。这种隶属度函数的特点是连续可导，比较适合于 自适应、自学习模糊控制器的隶属度函数在线修正。 单变量二维模糊控制器是最常见的结构形式。对误差e ，误差变化e c 及控制 量的模糊集及其论域定义如下： e 、e c 和u 的模糊集均为 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b e 、e c 的论域均为： 3 ，2 ，1 ，o ，1 ，2 ，3 ) u 的论域为： - 4 5 ，一