基于PLC的混合型模糊PID在胶温有效控制系统中的应用.doc

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1、基于PLC的混合型模糊PID在胶温控制系统中的应用彭彦卿1,2，罗键1*，陈李清3（1.厦门大学自动化系福建厦门3610052.厦门理工学院电子与电子工程系　福建厦门361005３.厦门鱼肝油厂福建厦门361005）摘要：从一类工业过程控制对象出发，针对传统PID控制存在的设定值跟随特性不佳的问题，设计出一种基于变设定值权重思想的新型混合模糊PID控制器，该方法通过模糊系统的输出在线修正PID控制器比例作用部分设定值的加权系数，使系统的目标值跟随特性得到改善，并通过MATLAB仿真和PLC编程两种方式加以实现，结果表明本文所设计的控制器不仅响应速度快，而且超调量小，具有很好的设定值

2、跟随特性，在模拟运行中亦取得了优于传统PID的效果。关键词：Fuzzy-PID；MATLAB仿真；PLC；胶温控制中图分类号：见中图分类号（图书馆）文献标识码：A在鱼肝油生产行业，软胶囊是一类重要的产品，其基本原理是以脉动的形式将药液打入液体明胶，然后进入石蜡油循环系统进行冷却，同时在胶液表面张力的作用下，形成球形胶丸。因此，明胶的温度控制是一个非常关键的工艺条件。温度太低，明胶流动性差，胶丸成形不好，温度太高，又会破坏明胶的粘度，在后续的工序中易发生胶丸破损现象。而且控制对象特性比较复杂，滞后时间特性相当明显，具有大惯性和时变不确定性等特征，难以建立精确的数学模型。PID调节器虽

3、然控制简单，可靠性高，但参数一旦整定好后即固定不变，所以存在启动过程超调大，过渡时间长；外扰抑制特性和目标值跟随性能难以兼顾的问题。针对以上问题的研究，目前已经出现了许多方法，如二自由度PID控制[1]、模糊控制[２][３]等等。模糊控制与传统控制不同，传统控制是从过程的数学建模开始的，控制器是为数学模型设计的。因此当被控对象参数发生变化时，系统的控制效果就会受到影响，模糊是从收集整理启发式规则和人类经验（即模糊IF-THEN规则）开始的，通过分析这些规则来设计控制器[2]，因此并不依赖于精确的数学模型，对被控对象参数变化有较好的鲁棒性。基于以上分析，本文将传统PID控制和模糊控制

4、结合起来，设计出一种新的混合型模糊PID控制器，并将其应用于厦门鱼肝油厂新型全自动软胶囊机的研制项目上。对温度控制系统进行改进，并给出系统的MATLAB仿真和基于PLC的软硬件设计和实现。1系统数学模型描述明胶温度的控制采用PLC的PT模组控制电加热器通过石蜡油域隔层对明胶进行间接加热。石蜡油的热导率介于不锈钢和明胶之间，因为是间接加热，控制效果要经过一定的延迟才能作用到胶液，呈现纯滞后环节特征，胶箱采用不锈钢材质，热导率较高，具有小惯性环节特征；明胶自身的热导率则较低，具有大惯性环节特征，基于以上分析，系统的数学模型可记为式（1），并可进一步简化为式（2）的最简式[４]。（1）（

5、2）式中，K0为对象静态增益，τ为滞后时间常数。T1为不锈钢壁传热小惯性时间常数，T2为时变的明胶传热的大惯性环节时间常数。2控制方案设计2.1控制器的设计文献[5]提出了一种变设定值权重的方法，其基本思路是首先根据Ziegler-Nichols法则整定出抗干扰能力最优的PID控制器的参数，然后对设定值权重进行调整，使系统能够同时获得目标函数值跟踪特性最优．数学表达式为（3）式中，．Kp、Kd、Ki参数为按Ziegler-Nichols法则整定出的PID比例、积分、微分系数，w为一大于等于零而小于等于1的常数．因此，在一定程度上削弱了Kp的作用，这样虽然可减少超调量，但会使响应速度

6、变慢，这部分的影响将通过f(t)进行适当的补偿，当y(t)正在趋向ysp(t)时，则加大b(t),而当y(t)正在偏离ysp(t)时，则减少b(t)．当f(t)=0,w=1时，则b(t)=1,系统则为常规的PID控制器．从该方案出发，将公式（3）做进一步变形如下：（4）；式（4）中u*(t)为普通PID控制器输出，Δu(t)为基于模糊逻辑的控制器输出．由此形成一种传统PID和模糊控制相结合的混合控制策略．混合型模糊PID控制器的系统框图如图1所示：图1温度控制系统框图Fig.1Blockdiagramoftemperaturecontrolsystem2.2模糊控制算法基于Z-N规

7、则进行PID控制器参数整定时，主要是为保证系统的抗干扰能力，根据本系统在加热过程中间要不断补充胶液的特点，良好的抗干扰能力和抗参数摄动性能是必要的，但是也带来了设定值跟随能力不佳，超调大等问题。为此，本文提出一种模糊补偿控制策略，通过制定合适的模糊控制规则，在不同阶段给出不同的补偿量，例如在加热初期按常规PID控制，给出较小的负的补偿，温度以较快的速度上升，然后随着温度逐渐接近设定值，给出较大的负补偿量，使温度缓慢上升，所以可以减小超调量。当温度超过设定值时，且继续上