基于模糊PID算法的轮胎硫化高温循环水温度的控制

吴用玖，李泉溪，宋培芬，许根山



基于模糊PID算法的轮胎硫化高温循环水温度的控制

吴用玖1，李泉溪2，宋培芬3，许根山3

（1. 河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大学 计算机科学与技术学院，河南 焦作 454003；3. 风神轮胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

结合风神轮胎股份有限公司轮胎生产硫化过程的特点，采用热电阻PT100温度传感器、PLC控制器设计一种基于模糊PID算法的温控方法，实现轮胎生产硫化过程除氧高温循环水温度的智能控制.

模糊PID；高温循环水；温度控制

轮胎硫化过程是轮胎生产线的最后一道工序，除氧高温循环水是轮胎硫化的重要介质之一，硫化过程对介质的温度和压力指标要求较高，需要精确、稳定地控制高温循环水的温度. 虽然传统的PID控制具有响应快、精确度高等优点，但PID控制存在自适应差，易产生超调震荡的缺点[1]；模糊控制不要求掌握被控对象的精确数学模型，只需要根据控制决策表决定控制量的大小，但普通的模糊控制器的控制精度不高[2]. 本文将模糊控制和PID控制相结合，为风神轮胎硫化高温循环水温度控制设计了一种基于模糊PID算法的温控方法.

1 系统总体设计

轮胎硫化过程循环水控制系统原理：利用阀门控制进入反应器的水蒸气和自来水的流量，从而控制流经反应器循环水的温度，温度控制范围(170±2)℃. 设计的基于模糊PID算法的PLC控制器系统组成框图如图1所示. 工作人员通过按键设定工作参数，由热电阻PT100采集高温循环水的温度，采集值经PLC控制器进行模糊计算，输出控制量，电动阀门根据输出的控制量调节流量，同时显示屏显示实际温度值和参数表.

图1 基于PID模糊算法的PLC控制器系统组成框图

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构设计

风神轮胎硫化高温循环水温度控制系统硬件结构图如图2所示.系统采用热电阻PT100采集温度值，PLC控制器将采集温度值与设定温度值比较，按某种控制规律对误差值进行运算，并将运算结果传送到模拟量输出模块，经D/A转换后变为电压信号，驱动电磁阀门执行机构工作，实现对温度的闭环控制. 控制器发出一个指令，阀门根据指令通过改变位置调整偏差. 这里的偏差信号的检查和调整就是PID控制器的调整，包括调整增益（比例）、速率（微分）和复归时间（积分）参数，使它们的值能够满足控制系统的需要.

图2 系统硬件结构图

2.2 温度采集设计

热电阻PT100测温电路图如图3所示.

图3 PT100测温电路图

本系统选用热电阻PT100作为温度传感器，它具有测量精度高、性能稳定、使用方便等特点，但是它输出的电量信号很小，因此利用高精度的放大器AD620对该信号放大，通过外接电阻方便地进行各种增益（1～l 000）的调整. 把热电阻PT100放在电桥桥臂上，当温度变化时，热电阻两端的电压信号被输送到放大器AD620的输入端，经过放大器放大后的电压输送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数值量.

3 系统软件设计

3.1 模糊PID控制系统

图4 自适应模糊PID控制系统图

3.2 模糊PID控制器设计

3.3 模糊PID软件设计流程

根据模糊PID控制设计规则，轮胎硫化高温循环水温度控制系统的模糊PID算法[5]的程序流程如图5所示.

3.4 模糊控制表的制定

图5 模糊PID算法程序流程图

在专家经验基础上，通过不断的仿真和实验调整得到49条本系统采用的规则，其模糊控制规则如表1所示.

表1 模糊控制规则表

4 实验结果

风神轮胎硫化高温循环水温度控制范围(170±2)℃，通过实际抽样对改进的控制器进行评估. 在0～190 s内每隔10 s对2种控制器的输出进行采样，采样数据如表2所示.

表2 2种控制方法的温度采样值 ℃

根据以上采样数据作出常规PID和模糊PID温度控制曲线如图6所示. 由图6中的曲线a看出：采用常规PID温度控制时温度有跳跃式上升和下降情况. 由图6中的曲线b看出：采用模糊PID恒温系统对温度变化的调节更加平稳，显示了很好的控制效果.

图6 常规PID与模糊PID温度 控制曲线图

5 结束语

本文设计的基于模糊PID算法的PLC控制器系统实现了对风神轮胎硫化高温循环水温度的智能恒温控制，还可通过按键进行在线人工调节，取得了良好的控制效果，实际运行结果也证明了此系统的稳定性、精确性和实用性，最终得到了公司的一致好评.

[1] 李瑞程，应柏青. 基于PLC实现PID回路控制的供水系统[J]. 高校实验室工作研究，2008, 97(3): 54-57.

[2] 王吉龙. 基于模糊PID的温度控制系统[J]. 电子工程师，2008, 34(5): 77-80.

[3] 黄伟，张田林. 基于PLC的调质炉温度模糊控制系统设计[J]. 人机界面与自动化软件，2008, 25(2): 92-94.

[4] 李士勇. 模糊控制、神经网络和智能控制论[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002: 280-28.

[5] 范新明. 基于模糊PID参数自整定的温度系统控制方法[J]. 盐城工学院学报：自然科学版，2008, 21(3): 18-21.

[6] 陈素霞，孙秋萍. 应用模糊PID的恒温控制系统的设计[J]. 现代制造工程，2008, 23(4): 83-85.

[责任编辑：孙建平]

Research on Temperature Control of the Circulating Water for Tire Curing Based on the Fuzzy PID Algorithm

WUYong-jiu1,LIQuan-xi 2,SONGPei-fen3,XUGen-shan3

A temperature control method based on the fuzzy PID algorithm is designed taking into consideration of the vulcanized tire production process characteristics of Fengsheng Tire Limited Company and adopting the thermal resistance PT100 temperature sensor and PLC controller design to achieve the intelligent control of the temperatures of the deoxygenated high-temperature circulating water in the tire curing process.

fuzzy PID; high-temperature circulating water; temperature control

1006-7302（2010）03-0004-24

TH117.1

A

2010-03-20

河南省教育厅科技攻关项目（2008B510005）

吴用玖（1979—），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程，E-mail: hnlswyj@126.com；李泉溪，教授，硕士生导师，通信作者，主要从事嵌入式计算机应用与开发研究，E-mail: lqx427@163.com.