基于串级模糊PID的药型成形工艺温度控制系统设计与仿真

在目前的双基火药螺压挤出成型工艺过程中，通过对温度的测量后，分别对药型机体以及外部模具进行手动调温，以满足生产工艺要求。但实践证明，现行调温方法存在以下缺点：测量过程和调温操作随机性大；由于共用一个加热装备，且加热设备与生产现场有一定的距离，沿程散热较大，达不到及时调温。针对生产中存在的问题，本文设计的具有自适应性、在线测量的基于模糊自整定PID串级控制系统，将传统PID控制器与控制模型相结合，在模糊自整定控制系统中串联一套即时的流量PID控制器(加热器离生产设备较近)，该系统以实际生产时实时温度与目标温度的差值为测量基准，解决了在线对温度的精准测量。在一定条件下，启用即时流量PID控制器，以达到实时调控温度为目的，解决了远程加热水迟滞性大，不能即时满足生产的问题。综上所设计的是一套能解决温度控制过程中存在非线性、时滞性、时变性、大惯性等问题的较理想的温度控制系统。

1 基于模糊自整定PID的串级控制器设计

1.1 温度控制系统的改进方法

药型原材料双基火药属于易燃易爆品，在螺压挤出生产过程中有严格的防火防爆要求，保温水的加热系统与螺压挤出生产位置之间有一定距离，在设计时必须考虑保温水循环过程中水流量对保温效果的影响。

本设计对成型模具加热水箱温度、成型模具入口温度、机体加热水箱温度、机体入口温度、螺杆温度、机体温度、前锥体温度、后锥体温度、成型体温度共9个位置的温度进行测控。螺压挤出成型结构及温度传感器布置如图1所示。

药型螺压挤出成型温度控制过程存在非线性、时滞性、时变性、大惯性等问题，导致对药型生产工艺温度的调控达不到实时调控效果。本文针对螺压挤出成型温度控制系统，根据外界干扰因素的变化，相应的设计了一种基于模糊自整定PID的串级控制器。控制方式改进思路如图2所示。

式(1)是药型温度控制系统数字PID的表达式：

式(1)中，

为温度控制系统采样周期；k为采样序号，k=1,2,…; error(k-1)和error(k)分别表示k-1和k时刻温度控制系统的偏差值。

本文温度控制系统主要实现对螺压挤出成型工艺各个部位温度准确实时的控制，温度控制系统主要包括数据采集模块、人机交互模块、输出模块和控制对象4个部分。系统总体方案如图3所示。

1.2 基于模糊自整定PID的串级控制器设计

在药型螺压挤出成型工艺中，在正常情况下，机体温度为60～80 ℃，螺杆温度65～85 ℃，前后锥体温度65～85 ℃，成型体65～85 ℃[8]。本文为满足以上工艺要求设计了两种循环水系统，一种是对于前半部分的机体提供保温水，以达到机体正常工作温度，一种是对后半部分的螺杆，前后椎体和成型体提供保温水，以满足成型过程中的温度要求。

在药型螺压挤出成型工艺的温度控制过程中，温度小范围的变化都会对药料的内部压力产生影响，进而对生产效率以及生产安全产生影响，因此能否快速的达到目标温度yd，这对螺压挤出成型工艺非常重要。传统的PID控制存在大惯性，大时滞的缺点，不能满足药型螺压挤出成型工艺控制要求，因此，选择采取模糊PID控制以满足生产需要。

当外界环境温度较低时，保温水在循环过程中损失的热量就大，所以在环境温度较低时必须考虑整个温度控制系统热能散失的问题。在温度PID控制的基础上串联流量PID控制环，增大流量来补偿保温水流动过程中散失的热能。通过温度PID控制与流量PID控制结合，能够提高系统响应速度和改善温度控制效果。

n时刻串级模糊PID控制的输出为

其中: fk(n)表示温度控制系统的输出; M为目标温度阈值; N表示温差; T1为保温水从加热水箱传导到目标设备的温度差值，温度传感器通过实时反馈保温水的温度值可得到不同时刻误差e和误差变化率ec的值。

该系统具有如下功能和特点:

1) 当温度偏差e≥M时，系统可实现全功率供水功能，即加热器以全功率p进行粗调。可表示为

2) 当温度偏差e≤M时，T1≤N表示当实际温度偏离目标温度，但在阈值范围内，环境温度稳定且加热水沿程损失较小，启用模糊PID控制器系统调节。系统可自适应调节加热水温，使系统实现稳定的、快速的响应，将生产中实际温度始终控制在工艺温度要求范围内。模糊自整定PID控制结构如图4所示。

本设计根据工艺要求M=12 ℃，温度阈值N根据实际情况确定。设e、ec、Δkp、Δki和Δkd均服从三角分布，隶属函数选择三角函数。温度传感器实时反馈保温水温度值可得到不同时刻误差变化率ec和误差e的值，作为模糊控制器的输入变量。根据不同时刻ec和e的值来对PID的3个参数kp、ki、kd进行自整定。整定系数如式(4)求得：

其中，kp0、ki0、kd0可根据工程整定法测得，Δkp、Δki、Δkd分别是kp、ki、kd的修正值。

根据上述方法可得输出 f2(n)：

3) 当温度偏差e≤M，T1>N时，则表示环境温度极不稳定，环境温度的变化和药型螺压挤出成型温度控制系统保温水输送距离较远引起热量散失超阈值时，才启用基于模糊自整定PID的串级控制。即在模糊自整定PID控制系统中，串连一环保温水流量的PID控制，解决传送过程中热量散失而造成的系统响应速度变慢的问题。

流量控制离散型PID公式如下：

由式(5)和式(6)可得：

2 药型螺压挤出成型温度控制系统仿真

根据生产工艺要求，要实现目标温度值的波动范围较小，假设实际温度是t1,目标温度是t2，目标温度与实际温度的差值小于或者等于12时开始调用模糊PID控制器，所以仿真过程主要采集了t2与t1差值为5 ℃、8 ℃、10 ℃的温度曲线图。保温水温度控制过程可以等效为一阶惯性环节加纯滞后[3]，数学模型表达式为

式(8)中:K是静态增益；T是时间常数；τ为纯滞后时间。温度控制系统的传递函数和流量控制系统的传递函数分别为

本文选用Simulink来实现温度控制系统模型的搭建和仿真。图5是药型螺压挤出成型温度控制系统仿真框图。

由式(7)可知本设计采用基于模糊自整定PID的串级控制有3种输出方式，第1种是在目标温度t2与实际温度差t1大于阈值M时，加热器以满功率输出，此过程的温度与时间呈现正比例关系。仿真主要是针对第2种输出方式模糊自整定PID控制环节和第3种基于模糊自整定PID的串级控制环节进行，对常规PID控制、模糊自整定PID控制模糊自整定PID的串级控制进行了比较。常规温度PID参数设置为kp=15，ki=0.2，kd=0.12，流量PID参数设置为klp=5，kli为0.2，kld为0。模糊PID的参数则是在常规PID的基础上根据模糊控制规则对比例、积分和微分3个参数进行自整定，以改善控制效果。分别获取了与目标温差为5 ℃、8 ℃和10 ℃的仿真结果，如图6、图7和图8所示。

由图6和图7可以看出：基于模糊PID控制原理的温度控制系统具有响应速度更快、超调小、稳态误差小的优点，表明模糊PID控制在由外界干扰引起螺压挤出成型系统温度改变的情况下，能快速调节实际温度达到目标值。

图8中用实线表示模糊控制，保温水在传递过程中温降阈值在允许范围内时，模糊PID控制可达温度控制要求。虚线表示模糊自整定的串级控制，温降阈值超出允许范围，模糊PID调控由于传输过程热能散失温度开始阶段达不到目标值，启用流量PID开始在约50 s时使调控值达到目标值。由图可知引入流量PID控制环节后，可达到理想控制效果。

3 结语

本设计根据药型螺压挤出成型工艺特点,在温度控制模糊自整定PID控制器的基础上串联了流量PID控制器，从温度和流量两方面实现温度调控，提高了系统的抗干扰能力，缩短调温时间。利用Matlab对温度控制系统的PID控制和模糊自整定PID控制进行仿真比较，证实模糊自整定PID控制器的调整精度，响应速度等各方面优于传统的PID控制器。本设计的温度控制系统保温水循环间接控制药型螺压挤出成型工艺药料温度，具有可移植性，可以广泛应用于其他温度控制系统，具有较好的应用前景。

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