摘 要：引入以PLC为核心的模糊控制方法来设计恒温控制系统，以解决产品溢胶问题。结果表明：该系统具有较高的稳定性、控制精度和品质。
关键词：PID控制；PLC；模糊控制

　温度控制在工业控制中被广泛应用，是极其重要的控制之一。温度控制具有延时和惯性的特点，它的数学模型较难建立。工业生产中，常用位式调节器和PID控制器等来控制温度。对于此类位式调节器，有着不可避免的缺陷，当实际温度大于给定温度时，系统不加电压，导致了超调和控制精度差，甚至出现失控。虽然PID有着较好的控制，但需大范围变化温度时，PID控制器的参数是很难确定的，而PID控制也不能总是处于最佳状态，甚至在控制过程中发生超调。随着PLC技术的不断发展，各家厂家推出了适用于各类过程控制的智能专用模块，用PLC软件实现模糊控制，来处理温度控制，并能克服超调大的问题，提高控制精度。其实现方式具体有两种：其一是通过专用的硬件实现，但其价格昂贵，通用性差，并需要专门的编程设备。还有一种方式是通过软件实现，把模糊控制程序作为整个PLC控制程序的子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出，通过中断调用子程序完成模糊控制[1-2]。
　本文着重介绍温度控制在泡棉产品生产中的应用。
1 温度控制系统
　温度控制系统结构如图1所示。系统采用FX微型机，配以模拟量输入输出模块FX-4AD、FX-2AD，该系统扫描速度快，抗干扰能力极强，当温度上升到95%以前，采取全压控制，大大节约升温时间，加热区一旦上升到95%，采用模糊控制，提高了控制精度，当上升到给定值的102%时，采取失压控制，使加热块温度快速下降。假设设定温度为220℃，热电偶电势就会送给放大电路放大，而放大信号会与基准电压2 V比较，转换为高低电平信号送给PLC，对于采样信号执行模糊算法的控制程序，输出信号经过放大，再通过晶闸管区控制加热区域。

2 模糊控制原理
　如果采用传统PID控制，控制温度的超调就会比较大，调节到设定值的时间就比较长，控制效果较差，为了提高控制精度，需采用模糊推理控制，对Kp、TI、TD参数进行自整定，以提高控制精度。控制原理如图2所示。

　由参数可调节PID完成对温度系统的控制，模糊调节器实现对PID 3个参数的自动校正。
　数字PID的位置式算法如式(1)：

　Kp为比例系数，U(n)为控制器的输出，e(n)为偏差值，Ts为采样周期，TI为积分时间，TD为微分时间。
模糊控制作为PLC控制程序的一个子程序，其中包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出。
　PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E，把误差信号进行模糊化处理(即通过模糊推理系统)，得到了误差E的模糊语言的一个子集e，再由e模糊控制规则R，根据合成规则进行决策，得到模糊控制量为U(U为模糊量)。为了对被控对象进行精确的控制，还需将模糊量U转化为精确的数字量，再经D/A转换，送给执行机构，从而对被控对象实施控制。
3 模糊控制的实现
　本系统采用二维模糊控制。设模糊变量为：e(温差)，ec(温差变化率)，u(输出量)。输入输出变量语言可以表达为：负大(NB)，负小(NS)，负零(NZ)，正零(PZ)，正小(PS)，正大(PB)。系统中温差、温差变化率的基本论域分别为+e、+ec，其范围为[-5，+5]。输出量u的论域设定为+u，其范围定为[-6，+6]。
　本系统为双输入单输出模糊控制，根据过程控制的实际经验得到一系列推理语言规则，写成如下形式：
　IF E=(NB) and EC=(PB)，then U=(PB)
　例如：温度偏差(E=e’)为负大且偏差变化率(EC=ec’)为正大，则输出控制增量(U=?驻u)应为正大，以减少负偏差，使其趋近于给定值。根据这些模糊条件语句可归纳为模糊关系：
　R=U(E×EC)U(2)
　式(2)中，“×”为模糊关系矩阵的关系运算符号。由E、EC及上式推理合成规则，得到控制增量模糊集U为：
　U=(E×EC)R(3)
　求出控制决策U，再按隶属函数中位数方法得到相应的控制增量?驻u，再通过计算机离线反复调试修正，就可得到相应的模糊控制规则表。然后实时控制时，根据输入偏差与输入偏差变化率的模糊值直接查找控制表，获得控制量。
4 模糊控制的程序流程图设计
　模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出。模糊控制算法的程序流程图如图3所示。

5 模糊控制具体应用
　所谓泡棉产品，就是泡棉芯被导电布包裹，在接缝处贴胶带。如图4所示。

　本单位主要生产的产品有SS3500、SS5000、SS4000、SS2000、SS1000等，SS3500加工工艺是镍铜导电布包裹泡棉加热粘合处理，属于“外包裹”产品。
　SS3500产品是由导电布和泡棉包裹而成的产品，通过模具对其截面形状的控制，完成不同形状的产品的加工，常见的截面形状有矩形(R型)、D型、Bell型和C型等。加工工艺流程如图5所示。

　其中导电布就是截面外围包裹的一层布，泡棉作为内芯，通过相应的引导模具引导导电布及泡棉传动，在热模中进行加热粘合(加热粘合就是本文会主要探讨的技术，通过对其温度精准的控制，使导电布包裹时通过合适的温度进行粘合但不会产生溢胶)，然后再通过冷模具加风冷进行冷却至常温，即可背客户要求的胶带。该工艺流程虽比较简单，但对有的成品的表面要求较高，不能在导电布接缝处有溢胶(该溢胶即导电布上热熔胶，通过加热，使其与泡棉粘合的粘结剂)，从而影响产品屏蔽效果。
　所以该加热过程必须引入恒温控制，并通过借用软件实现其控制。具体方法为：把模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出，通过中断调用子程序来完成模糊控制。这种方法简单，便于实现，但是参数整定比较困难，在实际中往往是根据经验来手动设定PID参数，且一组整定的参数不能完全适应不同的温度控制工艺要求，还易产生较大的超调。本研究针对控制过程中出现的升温速度慢、超调量大、控制精度不高等现象，利用PLC编程软件采用模块化编程方法，使用编制程序实现模糊控制算法，对标准的PID控制模块的KP、TI和TD进行模糊参数自整定，以达到良好的控制效果和良好的稳定性。
　将模糊PID控制系统应用于热模加热区域控制系统中，实测数据表明模糊PID参数自整定控制较常规的PID控制有更好的控制效果。设定保温温度为200℃，分别采用两种不同的控制方式，模糊参数自整定控制的超调量比常规PID控制降低70％，上升时间缩短10％。模糊PID参数自整定控制的动态和静态特性全面改善，表现出良好的鲁棒性。
　而超调量的大大降低，直接影响了产品加工的质量，提高了产品的性能，见图6。

　从上图中可以看，传统PID控制后的产品有溢胶产生，这就是超调导致的结果，温度加温至过高，使热熔胶沾污了产品表面。而经过模糊PID控制后，就没有了这种现象，完全解决了溢胶问题，从而一定程度上提高了泡棉本身性能，使其能在一些电子高端行业里得到应用。并使泡棉的电性能和屏障的电性能尽可能相同，在界面处保持高等级的导电性和避免空气或其他高电阻的间隙，这样就能使屏蔽效果到达最佳。
将模糊控制与PLC控制系统相结合，既显示了PLC的可靠、灵活、适应性强的特点，也大大提高了控制系统的智能化程度。基于模糊控制的PLC系统适用于很多场合，控制程序易于模块化、标准化，与PLC自带的PID控制模块相比，具有编程方式灵活，限制条件少，模糊变量和模糊规则个数不受系统硬件限制等特点，降低了系统的开发成本，扩大了应用范围。
参考文献
[1] 高钦和．可编程控制器应用技术与设计实例[M]．北京：人民邮电出版社，2004．
[2] 黄水红．可编程控制器原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2003．