基于模糊PID控制的发泡机温控系统设计

　　摘要:该文介绍了一种基于FPGA平台模糊PID控制的发泡机温度控制系统对聚氨酯发泡过程温度进行智能调控，相对于传统控制方式其有着控制精度高，响应时间快，超调量小，鲁棒性好的特点，能确保聚氨酯发泡迅速且充分。该系统在现有的低压及高压聚氨酯发泡机温控器乃至工业生产中其他温度控制场所上都有着广阔的应用前景。

 

　　聚氨酯作为一种新型的高分子材料，有着优良的防水隔热、防震抗压性，良好的浇筑特性和适中的价格在生活中被广泛的应用。它是由白料(聚醚多元醇及一系列催化剂组成)，黑料(聚合MDI)通过一系列化学反应得来。由经验可知发泡温度过低时黑料结晶影响液泡体系流动性，致使反应不充分而产生空泡;发泡温度过高时将导致反应过于剧烈，白料发生汽化。所以控制好发泡机发泡时的温度对发泡质量的稳定起到至关重要的作用。当前聚氨酯发泡机在发泡阶段一般采用金属膨胀式温控器或使用基于PLC,单片机等嵌人式系统的常规PID控制。前者系统响应时间长，温度控制准确度低且超调量大，已逐渐被淘汰;后者虽在响应时间和控制精度上有了较大的提升，并普遍应用在了实际生产中，但系统的抗干扰能力较差且存在较大的超调。因此我们需要一种运行更可靠、精度更高的软硬件解决方案来对现有发泡机系统升级，实现产能大化。
 

基于模糊PID控制的发泡机温控系统设计
 

　　生产中由于发泡缸需承受较大的压强，一般设计成如图1罐状，发泡缸由三层钢罐嵌套而成，内层导热性好，其外壁缠绕电阻丝用来给发泡原料进行加热，并在它与第二层中填充隔热石棉;外层与第二层之间充满循环水，用来将发泡缸与外界温度隔绝开，将环境对发泡过程的影响降到低。生产中为了控制成本一般只设计了加热系统而没有降温措施，一旦系统出现超调，温度超出了给定值，此时发泡缸只能依靠自然降温。对于这种单向升温的大滞后时变非线性系统我们建立以下模型:

 

　　是纯滞后的时间。根据聚氨酯反应特性以及我们所改造的发泡机控制系统-日本积水工机制作所股份有限公司的SKK-110式预发机，发泡缸温度根据原料重量lOkg,20kg,30kg分别控制在900C ,1000C ,1100C，温差不超过土20C;设定系统放大系数扩=1;时间系数

 

　　在实际生产中发泡缸温度模型比上述模型要复杂得多，温度的影响量除给定电压外还包括电阻丝的阻值变化、原料的温度、外界温度、化学反应释放的热量等。所以常规的控制方式无法实现对温度的精准控制。本文介绍的模糊PID控制对发泡机这类没有准确数学模型温控系统提出了解决方案。

 

　　在计算机技术快速发展的今天，智能控制技术在生活和工业中得到了广泛的应用，模糊控制技术作为智能控制的一部分以其精准的控制效果和良好的适用性尤其受到关注。模糊控制模仿人的思维方式，对模型的准确性要求不高，在解决非线性多变问题上具有很大优势。经典PID控制根据生产经验对给定值域实际值偏差的比例、积分、微分实行整定，从而对被控对象数学模型进行控制。其输人输出关系如下式:

 

　　常规PID算法仅适用于线性时不系统，且参数整定依靠个人经验，具有较大的随意性，在像发泡机这样的大滞后时变非线性系统控制效果不理想。结合两者优缺点，由模糊控制算法确定PID控制参数，实现模糊自整定PID对发泡机温度进行精准控制。

 

　　模糊PID控制器首先输人实际温度与给定温度的偏差2及偏差变化率2C并对它们进行模糊化处理，然后根据输人输出关系建立模糊控$}!1规则和推理机$}!1，通过解模糊在线自整定凡、雌、叽，后对发泡机温度实行PID控制，温控系统结构如下图2

 

　　开环控制方式调节时间长，控制精度差且没有抑制干扰的能力;常规PID控制方式虽在控制时间上有了较大的提升，但是其参数整定复杂，系统易出现超调;模糊PID控制结合了模糊控制和PID控制优点，在没有准确数学模型的前提下仍能迅速地对系统进行控制，适合发泡缸一类的大时滞、时变的非线性系统。本文介绍的基于模糊PID控制的发泡机温度控制系统控制精度高，响应时间快，超调量小，鲁棒性好，能较好地适应生产中的复杂状况。该系统使用FPGA作为核心器件，具有抗干扰能力强、程序运行稳定、并行处理能力强的优点，进一步提高了系统的响应速度和稳定性。适合发泡机等模型复杂、对温度智能控制要求比较高的场所，保证实际生产又快又好。