基于模糊PID控制的發泡機溫控系統設計

　　摘要:該文介紹了一種基于FPGA平臺模糊PID控制的發泡機溫度控制系統對聚氨酯發泡過程溫度進行智能調控，相對于傳統控制方式其有著控制精度高，響應時間快，超調量小，魯棒性好的特點，能確保聚氨酯發泡迅速且充分。該系統在現有的低壓及高壓聚氨酯發泡機溫控器乃至工業生產中其他溫度控制場所上都有著廣闊的應用前景。

 

　　聚氨酯作為一種新型的高分子材料，有著優良的防水隔熱、防震抗壓性，良好的澆筑特性和適中的價格在生活中被廣泛的應用。它是由白料(聚醚多元醇及一系列催化劑組成)，黑料(聚合MDI)通過一系列化學反應得來。由經驗可知發泡溫度過低時黑料結晶影響液泡體系流動性，致使反應不充分而產生空泡;發泡溫度過高時將導致反應過于劇烈，白料發生汽化。所以控制好發泡機發泡時的溫度對發泡質量的穩定起到至關重要的作用。當前聚氨酯發泡機在發泡階段一般采用金屬膨脹式溫控器或使用基于PLC,單片機等嵌人式系統的常規PID控制。前者系統響應時間長，溫度控制準確度低且超調量大，已逐漸被淘汰;后者雖在響應時間和控制精度上有了較大的提升，并普遍應用在了實際生產中，但系統的抗干擾能力較差且存在較大的超調。因此我們需要一種運行更可靠、精度更高的軟硬件解決方案來對現有發泡機系統升級，實現產能大化。
 

基于模糊PID控制的發泡機溫控系統設計
 

　　生產中由于發泡缸需承受較大的壓強，一般設計成如圖1罐狀，發泡缸由三層鋼罐嵌套而成，內層導熱性好，其外壁纏繞電阻絲用來給發泡原料進行加熱，并在它與第二層中填充隔熱石棉;外層與第二層之間充滿循環水，用來將發泡缸與外界溫度隔絕開，將環境對發泡過程的影響降到低。生產中為了控制成本一般只設計了加熱系統而沒有降溫措施，一旦系統出現超調，溫度超出了給定值，此時發泡缸只能依靠自然降溫。對于這種單向升溫的大滯后時變非線性系統我們建立以下模型:

 

　　是純滯后的時間。根據聚氨酯反應特性以及我們所改造的發泡機控制系統-日本積水工機制作所股份有限公司的SKK-110式預發機，發泡缸溫度根據原料重量lOkg,20kg,30kg分別控制在900C ,1000C ,1100C，溫差不超過土20C;設定系統放大系數擴=1;時間系數

 

　　在實際生產中發泡缸溫度模型比上述模型要復雜得多，溫度的影響量除給定電壓外還包括電阻絲的阻值變化、原料的溫度、外界溫度、化學反應釋放的熱量等。所以常規的控制方式無法實現對溫度的精準控制。本文介紹的模糊PID控制對發泡機這類沒有準確數學模型溫控系統提出了解決方案。

 

　　在計算機技術快速發展的今天，智能控制技術在生活和工業中得到了廣泛的應用，模糊控制技術作為智能控制的一部分以其精準的控制效果和良好的適用性尤其受到關注。模糊控制模仿人的思維方式，對模型的準確性要求不高，在解決非線性多變問題上具有很大優勢。經典PID控制根據生產經驗對給定值域實際值偏差的比例、積分、微分實行整定，從而對被控對象數學模型進行控制。其輸人輸出關系如下式:

 

　　常規PID算法僅適用于線性時不系統，且參數整定依靠個人經驗，具有較大的隨意性，在像發泡機這樣的大滯后時變非線性系統控制效果不理想。結合兩者優缺點，由模糊控制算法確定PID控制參數，實現模糊自整定PID對發泡機溫度進行精準控制。

 

　　模糊PID控制器首先輸人實際溫度與給定溫度的偏差2及偏差變化率2C并對它們進行模糊化處理，然后根據輸人輸出關系建立模糊控$}!1規則和推理機$}!1，通過解模糊在線自整定凡、雌、嘰，后對發泡機溫度實行PID控制，溫控系統結構如下圖2

 

　　開環控制方式調節時間長，控制精度差且沒有抑制干擾的能力;常規PID控制方式雖在控制時間上有了較大的提升，但是其參數整定復雜，系統易出現超調;模糊PID控制結合了模糊控制和PID控制優點，在沒有準確數學模型的前提下仍能迅速地對系統進行控制，適合發泡缸一類的大時滯、時變的非線性系統。本文介紹的基于模糊PID控制的發泡機溫度控制系統控制精度高，響應時間快，超調量小，魯棒性好，能較好地適應生產中的復雜狀況。該系統使用FPGA作為核心器件，具有抗干擾能力強、程序運行穩定、并行處理能力強的優點，進一步提高了系統的響應速度和穩定性。適合發泡機等模型復雜、對溫度智能控制要求比較高的場所，保證實際生產又快又好。