摘要:該文介紹了一種基于FPGA平臺(tái)模糊PID控制的發(fā)泡機(jī)溫度控制系統(tǒng)對(duì)聚氨酯發(fā)泡過程溫度進(jìn)行智能調(diào)控，相對(duì)于傳統(tǒng)控制方式其有著控制精度高，響應(yīng)時(shí)間快，超調(diào)量小，魯棒性好的特點(diǎn)，能確保聚氨酯發(fā)泡迅速且充分。該系統(tǒng)在現(xiàn)有的低壓及高壓聚氨酯發(fā)泡機(jī)溫控器乃至工業(yè)生產(chǎn)中其他溫度控制場所上都有著廣闊的應(yīng)用前景。

 

　　聚氨酯作為一種新型的高分子材料，有著優(yōu)良的防水隔熱、防震抗壓性，良好的澆筑特性和適中的價(jià)格在生活中被廣泛的應(yīng)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(xué)反應(yīng)得來。由經(jīng)驗(yàn)可知發(fā)泡溫度過低時(shí)黑料結(jié)晶影響液泡體系流動(dòng)性，致使反應(yīng)不充分而產(chǎn)生空泡;發(fā)泡溫度過高時(shí)將導(dǎo)致反應(yīng)過于劇烈，白料發(fā)生汽化。所以控制好發(fā)泡機(jī)發(fā)泡時(shí)的溫度對(duì)發(fā)泡質(zhì)量的穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)前聚氨酯發(fā)泡機(jī)在發(fā)泡階段一般采用金屬膨脹式溫控器或使用基于PLC,單片機(jī)等嵌人式系統(tǒng)的常規(guī)PID控制。前者系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長，溫度控制準(zhǔn)確度低且超調(diào)量大，已逐漸被淘汰;后者雖在響應(yīng)時(shí)間和控制精度上有了較大的提升，并普遍應(yīng)用在了實(shí)際生產(chǎn)中，但系統(tǒng)的抗干擾能力較差且存在較大的超調(diào)。因此我們需要一種運(yùn)行更可靠、精度更高的軟硬件解決方案來對(duì)現(xiàn)有發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能大化。
 

基于模糊PID控制的發(fā)泡機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 

　　生產(chǎn)中由于發(fā)泡缸需承受較大的壓強(qiáng)，一般設(shè)計(jì)成如圖1罐狀，發(fā)泡缸由三層鋼罐嵌套而成，內(nèi)層導(dǎo)熱性好，其外壁纏繞電阻絲用來給發(fā)泡原料進(jìn)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(huán)水，用來將發(fā)泡缸與外界溫度隔絕開，將環(huán)境對(duì)發(fā)泡過程的影響降到低。生產(chǎn)中為了控制成本一般只設(shè)計(jì)了加熱系統(tǒng)而沒有降溫措施，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，溫度超出了給定值，此時(shí)發(fā)泡缸只能依靠自然降溫。對(duì)于這種單向升溫的大滯后時(shí)變非線性系統(tǒng)我們建立以下模型:

 

　　是純滯后的時(shí)間。根據(jù)聚氨酯反應(yīng)特性以及我們所改造的發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)-日本積水工機(jī)制作所股份有限公司的SKK-110式預(yù)發(fā)機(jī)，發(fā)泡缸溫度根據(jù)原料重量lOkg,20kg,30kg分別控制在900C ,1000C ,1100C，溫差不超過土20C;設(shè)定系統(tǒng)放大系數(shù)擴(kuò)=1;時(shí)間系數(shù)

 

　　在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)泡缸溫度模型比上述模型要復(fù)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(xué)反應(yīng)釋放的熱量等。所以常規(guī)的控制方式無法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。本文介紹的模糊PID控制對(duì)發(fā)泡機(jī)這類沒有準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型溫控系統(tǒng)提出了解決方案。

 

　　在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的今天，智能控制技術(shù)在生活和工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，模糊控制技術(shù)作為智能控制的一部分以其精準(zhǔn)的控制效果和良好的適用性尤其受到關(guān)注。模糊控制模仿人的思維方式，對(duì)模型的準(zhǔn)確性要求不高，在解決非線性多變問題上具有很大優(yōu)勢。經(jīng)典PID控制根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)給定值域?qū)嶋H值偏差的比例、積分、微分實(shí)行整定，從而對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制。其輸人輸出關(guān)系如下式:

 

　　常規(guī)PID算法僅適用于線性時(shí)不系統(tǒng)，且參數(shù)整定依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，具有較大的隨意性，在像發(fā)泡機(jī)這樣的大滯后時(shí)變非線性系統(tǒng)控制效果不理想。結(jié)合兩者優(yōu)缺點(diǎn)，由模糊控制算法確定PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模糊自整定PID對(duì)發(fā)泡機(jī)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

 

　　模糊PID控制器首先輸人實(shí)際溫度與給定溫度的偏差2及偏差變化率2C并對(duì)它們進(jìn)行模糊化處理，然后根據(jù)輸人輸出關(guān)系建立模糊控$}!1規(guī)則和推理機(jī)$}!1，通過解模糊在線自整定凡、雌、嘰，后對(duì)發(fā)泡機(jī)溫度實(shí)行PID控制，溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2

 

　　開環(huán)控制方式調(diào)節(jié)時(shí)間長，控制精度差且沒有抑制干擾的能力;常規(guī)PID控制方式雖在控制時(shí)間上有了較大的提升，但是其參數(shù)整定復(fù)雜，系統(tǒng)易出現(xiàn)超調(diào);模糊PID控制結(jié)合了模糊控制和PID控制優(yōu)點(diǎn)，在沒有準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的前提下仍能迅速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，適合發(fā)泡缸一類的大時(shí)滯、時(shí)變的非線性系統(tǒng)。本文介紹的基于模糊PID控制的發(fā)泡機(jī)溫度控制系統(tǒng)控制精度高，響應(yīng)時(shí)間快，超調(diào)量小，魯棒性好，能較好地適應(yīng)生產(chǎn)中的復(fù)雜狀況。該系統(tǒng)使用FPGA作為核心器件，具有抗干擾能力強(qiáng)、程序運(yùn)行穩(wěn)定、并行處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。適合發(fā)泡機(jī)等模型復(fù)雜、對(duì)溫度智能控制要求比較高的場所，保證實(shí)際生產(chǎn)又快又好。