（电力电子与电力传动专业论文）快速智能化挤出机料筒温控算法的研究及应用.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei so n eo ft h em a i no b j e c t so fi n d u s t r yc o n t r 0 1 i ni n d u s t r yp r o c e s s ，w e o f t e nn e e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e e x c e l l e n te o n t r o lo v e l t c m p e r a t u r ec a l ln o to n l y e n h a n c et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，b u ta l s or e d u c ee n e r g yc 4 ) n s u m ea n de n h a n c ee f f i c i e n c y p l a s t i ce x t r u d e ri st h ep i v o t a le q u i p m e n to np l a s t i ct u b em a t e d a l sp r o d u c tl i n e n l e t e m p e r a t u r ec o n t r o le f f e c to fe x t r u d e r ss t u f fc o n t a i n e ri n f l u e n c e st h ec a p a b i l i t ya n d q u a l i t yo fe x t r u s i o np r o d u c t sd i r e c t l y t h u s ，t h ed e p e n d a b i l i t yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o lo v e r s t u f fc o n t a i 【n c rh a sb e c o m ea k e yp o i n to fp r o d u c tm o l d i n g ，a n d a tt h es a m e t i m e t e m p e r a t u r ee o n t r o lh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to f e x t r u d e rp r o d u c tm a n u f a c t u r e p i dc o n t r o lm e t h o di su s e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o lt h em o s tc o m p r e h e n s i v e l y i ti s v e r ys i m p l ea n dh a sg o o ds t a b i l i t ya sw e l l 嬲d e p e n d a b i l i t y , s oi ti so f t e nu s e di nt h o s e l i n e a rc o n s t a n ts y s t e m b u ti tc a n n tb n n gu sp e r f e c tc o n 仃o le f f e c tw h e ni ti su s e di n n o n l i n e a rs y s t e m s ，o n eo fw h i c hi s h y s t e r e s i ss y s t e m ，s u c ha st e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，b e c a u s et h ep a r a m e t e r so fp i dm u s tb ea d j u s t e da c c o r d i n g l y w h e nt h ep l a n tc h a n g e s ，t h a ti s ，a d j u s t o r sp a r a m e t e r sa r er e l a t e dw i t ht h es t e a d yc o n d i t i o n o f t h es y s t e m ，i ti sv e r yi n c o n v e n i e n tt oa d j u s tp a r a m e t e r so v e ra g a i no f f i i n ei na p r o j e c t i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o b l e m d e e p l y o nb a s eo f t h ea n a l y s e a b o u tt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t r a d i t i o n a l 】i n e a rp i dc o n t r o l l e r , w ea n a l y s ea n d s t u d ya c t i v e d i s t u r b a n c e - r e j e c t i o n c o n t r o l l e r ( a d r c ) a n dn o n l i n e a rp i d ( n l p i d ) a n d p u tt h e mi n t ot e m p e r a t u r ec o n t r o le x p e r i m e n tb vb & r p c cc o n t r o l l e r 1 1 1 ee x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a tm o r ee x c e l l e n tc o n 打o le f f e c t sf o rl a r g el a go b j c o t sa r eo b m i n e dw i t h t h e s em e t h o d st h a nw i t ht r a d i t i o n a ll i n e a rp i dc o n t r o l l e r a n dt h e s ec o n t r o l l e r sh a v e e x c e l l e n tr o b u s ta n ds e l f - a d a p t a t i o np e r f o r m a n c e n l cm a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r e 嬲f o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a i y s i n gt h er e s e a r c hs t a t u so f t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o b l e m ，t h e np u t r i n gf o r w a r d t h ed i 茄c u l t y , e m p h a s e sa n dt h er o u t eo f s o l u t i o n ； ( 2 ) a n a l y s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i e sa n di u s u f f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a l l i n e a rp i d c o n t r o l l e r , a n dl o o k i n gf o rp r o p e rn o n l i n e a rf u n c t i o n st oc o n s t r u c tn o n l i n e a rp i d c o n t r o l l e ri na p r o p e rw a y ； ( 3 ) i n t r o d u c i n ga n da n a l y s i n ga d l kt h e o r y , a n du s i n gi tt os o l v et e m p e r a t u r ec o n t r o l p r o b l e m ； ( 4 ) h a v i n gs i m u l m i o nt e s t sa n de x p e r i m e n t s v e r i 6 ，i n gt h ef c a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e s o fn o n l i n e a rp i da d j u s t m e n tm e t h o di nt e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o b l e m a n da c q u i r e dp e r f e c t e o n t r o lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，n o n l i n e a rp i d ，a d r c ，p c c n 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：拯! ! 垒垒 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 红基：五导师签名： 山东大学硕士学位论文 l 引言 1 1 课题背景及研究意义i l 1 2 j 1 3 l 本文课题研究是基于贝加莱工业自动化( 上海) 有限公司的挤出机塑料管材生 产线控制项目进行的。 塑料挤出机是制造塑料片材，薄膜、各种异型管材等的机械生产线设备，其中 塑料管材是塑料建材中的一大品种，主要有聚氯乙烯管材、聚乙烯管材、聚丙烯管 材、及近年涌现出的铝塑复合管材、钢塑复合管材及交联聚乙烯管材等，广泛应用 于城市建设给排水，远程石油传输管道，配送电及通讯电缆保护套管等。在有着广 阔市场前景的同时，对塑料管材产品性能及质量提出了更高的要求，这就要求除了 对生产工艺流程需要不断改善外，管材生产线的控制方案及控制精度也需要进一步 的改进完善。 塑料管材生产线个明显的工艺特征就是将聚乙烯或聚丙稀原材料通过挤出 机加热熔融，成型利用螺旋式螺杆，将加热料筒中预先已均匀塑化的热塑性塑料或 热固性塑料，利用特定的模具挤压出具有特定形状，管径及壁厚符合国家规定标准 的不同规格的成品管材。在塑料挤出过程中，温度控制的效果直接影响挤出制品的 质量，包括制品表面的残余应力、收缩率及制品质量的稳定性等。 目前，挤出机料简广泛采用电阻加热方式，料筒温度采取分段控制的方式，各 节筒体均需维持温度恒定及相互间具有预定的温度梯度，获得符合工艺要求的温度 分布，以及足够快的升温速度、温控精度，并满足节能要求。在挤出过程中，机筒 及机头承担将塑料料粒预热、加温( 或冷却) 以达到正常操作温度满足工艺要求 的任务，机筒及机头温度控制的效果直接影响着挤出速率和挤出制品的质量。由挤 出理论可知，温度过低将无法成型或者使挤出制品的物理性能和表观质量差；温度 过高则容易产生气泡、降解甚至焦烧，因此机筒及机头温度控制装置的可靠性及温 控精度是保证制品品质的关键因素之一，挤出机料筒温度控制也成为管材生产工艺 的重要组成部分，温度参数的精确度直接影响到管材性能及质量。 但由于温控系统具有较大的热惯性和热滞后，加上电源电压波动等环境因素的 影响，工况比较复杂，要进行良好的温度控制，无疑是很困难的。传统的p i d 控制 显然难以胜任这个任务，即使进口的自整定高等级控制仪表，其在塑料挤出机上的 控温精度和稳定性也不能令人满意，特别是在工况改变时，温度常常产生大幅波动， 长时问难以稳定下来，难以获得理想的控制品质。 山东大学硕士学位论文 可见挤出机的料筒温度控制问题对成型产品质量的好坏起着非常重要的作用。 而由于温度对象本身的特点和控制现场的复杂工况，挤出机料筒温度控制问题也成 为塑料管材生产线控制的难点和重点之一 1 2 工业温控问题研究现状 众所周知，工业中的温度对象普遍具有非线性、时变性、大惯性、纯滞后等特 点，容易引起系统超调和持续的振荡，另外，温度控制对象的参数一般会发生幅度 较大的变化，所有这些变化都会改变对象模型的参数。这种随机产生和不可准确预 计的变化，无疑地增加了温度控制的难度。 按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分和微分产生控制作用( 简称p i d 控 制) ，是温度控制中应用最广泛的一种控制形式，实际运行效果和理论分析表明， 这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。尽管1 9 4 0 年以 来，许多先进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁 棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用子冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过 程控制中。对于p i d 这样简单的控制器，能够使用于如此广泛的工业与民用对象， 并以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分反映了p i d 控制器的良好品质1 4 。 但对p i d 控制来说，控制器参数整定的好坏直接影响着控制性能的好坏。控制 器参数整定的实质，就是通过设计调整控制器的某些参数使其特征与被控特性相匹 配，以达到最佳控制效果。传统的p i d 控制参数是采用实验加试凑的方法由人工整 定。传统p i d 参数整定方法都具有物理意义明确的优点，并且在实际工程中还将长 期被人们使用，这些传统的p i d 参数整定方法都是基于被控过程的某些特征参数， 如临界振荡增益怒、临界振荡频率仇等，比较适用于人工离线参数整定，但当控 制对象参数发生变化后，需再次进行整定。在现有的针对温度对象的p i d 控制器的 实现方法中，p i d 参数的整定方法采用较多的仍然是人工离线的方法，即使采用某 些自整定的方法，大都也是用一些开环的整定方法睁】【6 】。 而在实际应用中，即使实现了参数自整定，由于调节器参数与系统所处的稳态 工况有关，大多数生产过程的对象特征随时间而变化，当被控对象特征发生变化而 需要调节器参数作相应调整时，因为调节器参数没有这种“自适应”能力，因此只 能停止控制过程，采集相应的对象参数，重新计算控制器参数。由于生产过程的连 续性以及参数整定所需的时间，这种重新整定实际很难执行，甚至几乎是不可能的 一般说来，过程特性的变化将导致控制效果的恶化。基于以上原因，人们开始寻找 能在线施行参数自整定的方法，使系统能对不同的工作状态进行识别，以自动地调 2 山东大学硕士学位论文 整其控制参数，即能够根据变化实时调整控制器的参数值，从而使系统能适应复杂 的工况和高指标的要求，在新的条件下也能达到较好的控制效果，具有“自适应” 的能力，从而保证生产过程的连续性。 目前参数在线自整定的智能p i d 技术还有待进一步发展与研究，人们已经开始 结合自适应理论、模糊控制、专家控制、神经网络控制以及遗传算法等先进控制理 论对传统p i d 控制器设计思想及整定方法迸行改进，以期进一步提高系统性能，实 现温度控制的智能化和自适应性。但由于现代控制理论与工程实际应用的脱节问 题，大部分这些结合了先进控制理论的自整定p i d 都难以在工程实际中取得理想的 实用性效果，有些方法仍需精确的数学模型，这对于温控对象普遍具有的非线性、 时变性、大惯性、纯滞后等特点来说是不现实的，同时也抹煞了传统p i d 控制器 原理是基于控制误差来消除误差而不是基于对象模型进行控制的根本优势。有些则 控制效果不够理想、精确，且系统资源占用量过多，这对于实际工程应用来说也是 不实用的【7 h 8 1 。 另一方面，常规线性p i d 控制方法是通过合理调整误差信号的比例、微分、积 分增益大小来对系统实施有效控制的。设计中增大比例调节量能够提高响应速度， 减小稳态误差，但过大又会导致超调振荡，使系统稳定性变差。加入微分量，可抑 制超调，但又会使响应速度变慢。大的积分增益有利于消除稳态误差，但会使系统 过渡过程变长。当对系统的动态特性要求不高时，可以从上述矛盾中找到一组折中 的固定增益参数来作为线性p i d 调节器的参数。但如果系统动态特性要求相对较高， 控制对象模型较为复杂时，例如对温度等大滞后控制对象，常规的线性p i d 调节器 就很难达到令人满意的控制指标。这时，可以考虑用增益参数的非线性变化特性来 解决这一问题。模糊控制实际上就是一种非线性控制1 9 l 。 总之，一方面p i d 控制器需要实现实时调参，增强自适应性和鲁棒性，同时还 要注意满足实用性；另一方面由于温度控制过程是非线性的，传统的线性p i d 由于 本身构造的原因，在对温度等非线性大滞后对象进行控制时也难以取得理想的控制 效果。因此就需要本着既能继承其优点又能克服其局限性的原则，采用较为实用的 方法，研究出新型的非线性p i d 控制器，使其与传统p i d 控制器相比，更加智能， 有更强的自适应性，并且更适用于对温度对象进行控制，与此同时还要易于实现， 在工程实际中具有相当的实用性。 1 3 本文主要工作及研究内容 本文所研究的温控系统采用贝加莱的b & r2 0 0 0 系列可编程计算机控制器进行 山东大学硕士学位论文 控制。主要研究任务就是改进挤出机料筒温度控制系统的控制算法，将传统的线性 p i d 控制器改造为新型非线性p i d 控制器，使其具备实时调整参数，适应动态变化 的能力，使控制量输出不再是单纯的比例、积分、微分三部分的加权和，以达到提 高温度控制精度、适应复杂工况、满足高指标要求的目的。 本文共六章，所进行的主要工作和研究内容有： 第一章介绍了课题的研究背景、意义，以及工业温控问题的研究现状；第二章 首先介绍了贝加莱的p c c 控制器及其软件和操作系统，然后介绍了该挤出机塑料管 材生产线控制系统的概况，指出了温度控制是系统的关键点和难点，并介绍了目前 的温控算法及存在的不足；第三章详细论述了传统p i d 算法理论及其优点和局限性， 进而阐述了将传统线性p i d 改造成非线性p i d 的思路和几种非线性p i d 控制器；第 四章介绍了韩京清教授的自抗扰控制器及非线性p i d 的发展、原理和特点，并给出 了其离散算法；第五章采用贝加莱p c c ，将自抗扰控制器和非线性p i d 控制器运用 在温度控制中，在仿真和实验中得到了良好的控制效果，并具体对比分析了其控制 品质；第六章对全文进行了总结，并展望了今后需进一步开展的研究工作。 4 山东大学硕士学位论文 2 控制系统介绍 2 1 贝加莱可编程计算机控制器p c c 本系统是基于贝加莱新一代可编程计算机控制器( p c c ) 实现的。 贝加莱公司的工业自动化产品p c c 是综合了p l c 和工业计算机优点的新一代 可编程计算机控制器，具有各种标准的控制功能，硬件采用了能灵活配置的模块化 结构，可带电插拔，可靠性高。p c c 支持多任务分时操作系统，提供多个具有不同 循环时间和不同优先权的任务等级，能够执行高级语言、指令表、梯形图以及功能 块，并且具备面向控制的标准功能和独特方便的模块结构。可编程计算机控制器 ( p c c ) 的控制能力是由编程实现的，它配有自己的专有高级语言a u t o m a t i o n s t u d i o 。a u t o m a t i o ns t u d i o 是由奥地利的贝加莱公司推出的，支持用户开发p c c 应 用程序的软件包，它提供的p c c 编程语言非常丰富，并提供了完成不同功能的多种 函数库，均可用于b & r 2 0 0 0 系列的p c c 产品【l o l 。 2 1 1p c c 硬件【i i l 9 0 年代以来，p l c 发展迅猛且应用的局域网技术日趋成熟，产品不断向系列化、 标准化发展，在自动化控制领域中，新一代可编程计算机控制器p c c 经济高效地集 成了p l c 和i p c ( 工控机) 的特点，通过在一定程度上对两者功能的相互融洽、取 长补短，从而以较高性能的性价比，逐渐跃居主导地位，成为实现自动化控制的关 键技术。 p c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) 是一种可编程计算机控制器，本质上 也是一种p l c ，但与传统的p l c 相比较有着更强大的功能：p c c 在一个c p u 上集 成了分时多任务操作系统，成功地构筑了实时的多应用程序的运行平台，它采用“面 向用户的指令”，因此编程方便，多种编程语言包括顺序功能图、梯形图、指令表、 结构文本及高级语言( a u t o m a t i o nb a s i c ，a n s ic ) 可供选择；它直接应用于工业 环境，具有更强的抗干扰能力、更高的可靠性、广泛的适应能力和应用范围；大容 量的存储能力( 1 0 0 k b 1 6 m b ) 、标准通信接口，基于过程总线的系统互联、高级 语言开发和运行环境，自诊断能力，都使得p c c 在纺织行业以及其它行业( 印刷、 机械、电力等) 的应用具备了出色的友好平台。 b & r2 0 0 0p c c 目前主要包括b & r 2 0 0 3 、b & r 2 0 0 5 、b & r 2 0 1 0 三种可编程控 制器，b & r 2 0 0 3 主要应用于单机控制或复杂程度较低的控制对象，b & r 2 0 0 5 主要 应用于复杂程度较高的控制对象盒过程控制系统，b & r 2 0 1 0 主要应用于过程控制并 山东大学硕士学位论文 可以组成集散控制系统，它们均采用模块式结构，c p u 为独立的模块，输入、输出、 电源等也是独立的模块。通过主基板或i o 扩展板将各种模块连成整体。可以根据 不同系统的规模选用不同档次的c p u 及各种输入、输出模块及其功能模块，系统 配置非常灵活。 p c c 的内核是一个强有力的标准系统元件。由于集成了r i s c ( 精简指令计算 机) 左右外部通讯，可以减轻c p u 的负担。和串口的通讯与主处理器实际操作同 时发生，这样可以避免发生在传统控制系统中的通讯瓶颈问题。因为p c c 与工业计 算机相结合，所以p c c 在个周期内可以处理位、字节、字，这样可以提高速度。 传统控制系统的另一个瓶颈是总线系统，即总线系统要处理所有的数据传送。 在b & r2 0 0 0p c c 系统中应用了全新的总线概念，那就是系统总线与i o 总线分离。 工业计算机所需要的模块运行在系统总线上，很自然，系统总线具有很多处理能力。 i o 总线上的模块主要用于机器或系统接口，如，数字量或模拟量i o 模块、定位 模块、智能i o 处理器等。i o 总线的结构和长度是极其灵活的，可以进行本地或 远程i o 扩展。所有的i o 模块都是电气隔离的，并却用e m c ( e n 6 1 1 3 1 2 ) 方法 进行保护，这样可以屏蔽外部干扰。 联网和其它系统的通讯能力在当今的工业控制中是必不可少的。b & r2 0 0 0 p c c 系列通过系统的配置来满足当前所有的通讯需求和与其它系统的接口能力。 p c c 产品的开放式总线结构，与各种系统通信方便，提供支持c a nb u s 的硬件模 块并自带c a n 接口。因此很容易实现c a nb u s 物理连接，并通过相应的通信程 序实现p c c 系列产品之间的通信。帧驱动器( f r a m ed r i v e r ) 是贝加莱公司为实现 与第三方设备之间进行通信而设计的软件工具箱，是一个自由通信协议，使用户不 必知道接口的细节就可以通过帧驱动器命令直接传输读写程序。 2 1 2 p c c 软件 由于现代工业控制任务的需求，p c c 通常用于完成比较复杂的项目，p c c 的软 件可分为系统软件和应用软件两种。系统软件一般分为编程器的系统软件和操作系 统两部分，把各种编程语言编写的程序变为p c c 中央处理器能接受的机器语言，通 过编译构成了编程器的系统软件，存放在编程器的r o m 存储器中；操作系统一般 存放在p c c 系统的e p r o m 存储器中，其主要任务就是解读用户程序，管理整个系 统。应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的应用程序，用于完成特定的控制 任务【i l 】。 传统p l c 单纯的逻辑顺序控制功能已远远不能适应当今工业控制任务的要求， 6 山东大学硕士学位论文 要处理一些复杂的任务，是控制系统具有较高的智能度，可编程控制器系统必须具 备大型计算机的分析能力。b & r2 0 0 0p c c 的操作系统是分时多任务操作系统就能 实现这种要求i 坦1 。 ( 1 ) b & r 分时多任务操作系统 b & r2 0 0 0 系列是基于分时多任务操作系统的典型代表，其优点如下： 在编程时，一个完整的复杂项目可以分成多个独立的任务来完成，每个任 务都是独立的程序部分，它可以完成许多不同的功能。每个任务可以用最合适的编 程语言来建立，使之功能模块化，而且故障处理简单。 用户可以根据需要设定每个应用任务的循环时间。 对于特殊任务的响应时间不受完整程序循环时间的限制。 分时多任务操作系统可以将整个操作界面分成数个具有不同优先权的任务等 级( 1 a s kc l a s s ) ，其中优先权高的任务等级有着较短的循环扫描周期，而且每个 任务等级可包括多个具体任务。在操作系统的管理下，优先权高的任务等级总是先 被执行，剩余时间里可以执行优先权低的任务等级。一个分时多任务操作系统可以 将比较重要的任务的任务等级定义得高一些，如调节任务( 由用户自己定义) 、例 外任务( 由系统产生的中断触发) 、中断任务( 由硬件产生的中断触发) ，而一些较 一般的任务可以定义的任务等级低一些，如报警任务处理任务、结果处理任务等。 这样整个控制系统便得到了优化，具有较好的实时性。 模块化的b & r2 0 0 0p c c 系统的分一一广 时多任务操作系统( p c c s w ) 由操作系 l 统内核和p c c 的专用软件包两部分组 成，如图2 一l 所示。操作系统内核是一个磊循环 具有多任务处理能力的标准操作系统，h 圣固 它能完成多任务间的处理与应用程序管i 任务1 理等最基本的功能；使用p c c 的专用软 件包，具有多任务处理能力的操作系统 便可以运用在控制技术中了。 、 ( 2 ) 多任务级别 为了使各个p c c 任务具有不同的优 先级，用户可以将任务放在不同的任务 摄-i-事 飞：! ：嗣骼 倒寡甏簧散 图2 1 分时多任务操作系统结构图 级别中，也可以给每个任务等级设置不同的循环时间。在设置的循环任务内，响应 的任务被执行一次。用户可以使用两种不同的往务层：标准任务层和高速任务层。 7 山东大学硕士学位论文 前者由系统管理器( 操作系统) 来激发，b & r 2 0 0 0 的c p u 模块提供了四个任务层， 用户可以通过a u t o m a t i o ns t u d i o 编程系统设置这些任务层的循环时间，循环时间可 以从1 0 m s 到5 0 0 0 m s ( 以1 0 m s 为步长) ；后者由硬件定时器来激发，也有四个任务 层，且比系统管理器的切换更准确、连贯，且优先级高于系统管理器和标准任务层 的优先级，循环时间可以从l m s 到2 0 m s ( 以o 5 m s 为步长) 。 为了让个任务能合理地共享处理器功能，用户必须设定任务的优先级( 优先级高的 任务可以中断优先级低的任务) ，各任务层的优先级如表2 1 所示。 多任务的层的执行顺序是由各任务层 表2 - 1 各任务层的优先级 的优先级确定的，图2 2 显示了任务层基本厂广_ r 循环运行的行为。循环时间要与优先级相 适应，优先级越高，循环时间越短，否则， 将会出现循环时间的混乱问题。多任务的 循环校验保证在每一个循环时间内一个任 务层的所有任务都执行一次。因为各程序 的运行需要一定的条件，所以各p c c 任务 的运行时刻并不是一个常数，图2 2 中显示 的是理想的任务切换过程。另外，c p u 处 理器能力的1 0 要保留下来供操作系统使 用。 在卷绕循环任务中，将p o w e r l i n k 的循 环任务放到高速循环任务t i m e r # l 中，实时进行数据通讯；把各个轴的执行任务 放到c y c l i c # l 中，执行速度和动作逻辑的控制，其它的如采集数据、读写数据模 块、报警等任务放在优先级较低的c y c l i c # 2 c y c l i c # 4 中【1 3 l 。 8 i l 一任务8 2 。任务l 勿2 0 。任务霪5 m 任务 圈2 - 2 任务层的循环过程示意图 山东大学硕士学位论文 2 2 挤出机塑料管材生产线控制系统 本系统采用奥地利贝加莱公司p c c 可编程计算机控制器，p c c 具备大型计算 机的特点，备有塑机专用控制硬件和相应的软件包，在国际塑机界享有盛誉。由p c c 控制器组成的电气控制系统已经达到和超过目前国内现有进口欧美异型材生产线 的水平1 。 挤出机管材生产线普遍存在以下几点控制要求及难题： 夺温度p i d 调节控制 夺变频调速控制 夺主机、辅机及牵引同步调速 夺管径及壁厚控制 夺控制系统网络拓扑 夺人机界面( h m i ) 监控 夺定长切割、打印及成品废品分检 夺其它逻辑控制 贝加莱p c c 控制系统以其先进的智能化p i d 温度调节控制、分时多任务高速 的运算处理器和大容量存储器，主从站智能分布式网络拓扑结构、f r a m e d f i v e 灵活 强大的第三方通讯能力及友好的人机界面( h m i ) 设备i p c 、p a n e l w a r e ，在成功解 决了以上技术要求及难题后，以其独特的产品特点，目前已广泛应用于塑料管材生 产线控制，为国内外许多著名塑机生产商所采用。 2 2 1 控制系统解决方案 由于大部分塑料管材生产流水线长，任务处理量大，考虑到控制电缆布线、监 控操作方便及提高控制效率等因素，贝加莱p c c 塑管生产线控制系统采用主、从控 制站及主、从监控站，其间通过c a n 的网络拓扑形式灵活自由地进行网络组态， 通过f r a m e d r i v e ( 帧驱动) 采用r s 4 8 5 总线与第三方变频器通讯驱动电机。另外， 根据用户的需要，有些生产线需要与测径仪及探伤仪通过r s 4 8 5 通讯。其优势在于 组网方便简单，却实现了强大、高效率的数据传输，将现场采集数据，集中进行控 制管理的现场总线控制理论应用于塑料管材生产线中i 。 主控制站一般采用p c c2 0 0 5 控制器，从站采用p c c2 0 0 3 控制器，配以相应的 i o 模块，同时进行c a n 、i o 扩展，方便现场数据采集。主监控站选用p r o v i t2 0 0 0 或5 0 0 0 系列产品，用v b 、v c 及r u n t i m e 组建功能强大，图文丰富友好的上位人 机界面，采用b & rp v i ( p r o c e s sv i s u a l i z a t i o ni n t e r f a c e ) 通过r s 2 3 2 实现与下位主 9 山东大学硕士学位论文 控站2 0 0 5 的实时数据传送交换。从监控站选用p a n e l w a r e 人机界面，用p a n e ls t u d i o 进行画面组态，方便实现局部设备的控制操作。配置参见图2 3 。 2 0 0 5 0 1 e 口t l rstatic)i0b u s 扩晨 图2 - 3p c c 塑料管材控制系统框图 2 2 2 控制任务的实现 ( 1 ) 温度控制 p c c 尤其擅长于温度控制。温度控制部分是采用贝加莱温控专用p i d 功能模块 p i d x h 控制器来实现的。该专用温控p i d 功能块带有强大的温控自整定功能，有 着新的积分部分和更好的饱和度。利用p c c 分时序，多任务的特点，将p i e ) 调节 1 0 山东大学硕士学位论文 与加热冷却输出分时控制，并且在不同季节操作人员只要给出优化命令，系统就可 以自动优化计算出适合当d 口环境条件的p i d 参数，也可以选择部分或全部温控区一 起完成自整定，经过自整定后系统自动保存各种优化后的温控p i d 参数。而各区参 数的独立性及准确性保证了温度参数的精度，将其误差控制在士l 的偏差范围内。 如果要想达到更高的温控精度，可以根据经验手动对部分p i d 参数进行赋值微调。 控制原理如图2 - 4 所示1 1 6 1 。 p c c 图2 - 4 智能p j d x h 控制原理 编写p i d 温控程序过程中，用户只需要在相应的协k 中调用p i d x h o p t 及 p i d x h 两个f u n c t i o nb l o c k 即可。挤出温度采用集中控制，挤出机的机筒上有四个 热电偶，机头上有一个热电偶，测温信号直接接在p c c 的温度模块上，用p i d 温 控软件实行独立的回路控制，在软件中还采取了自学习功能，即自动记录不同时段、 不同原料、不同模具下系统所需要的参数，存放于p c c 的数据模块中。 ( 2 ) 手动变频调速及联动同步调速控制管径壁厚 运动控制是塑料管材生产线另一重要的控制任务，涉及到单台变频调速控制及 主机、辅机、牵引机等多台设备的联动同步调速控制。其中多台设备联动同步调速 在实际生产中显得由为重要，其同步性对于管材的壁厚、表面光洁度、缺陷等存在 很大的影响，直接影响到管材的质量。 a ) 单台变频调速 单台变频器调速过程中，根据用户需求，可以选择开环或全闭环控制方式。开 环控制过程中，系统只需要通过f r a m e d r i v e 通讯指令或模拟量输出给变频器设定的 频率，变频器就会按照设定的频率运行，并不需要检测反馈值；而全闭环控制方式 中，系统利用反馈值与设定频率进行比较，不断修正给定值形成闭环调速回路。原 理图如图2 5 ，其中虚线为闭环反馈都分。 l l 山东大学硕士学位论文 p c c 图2 5 调速回路 b ) 多台设备联动同步调速控制管径壁厚 生产线正常运转时，需要多台设备，尤其需要主机、辅机、牵引机的同步速度 升降调节，以保证流水线平稳运转及管材质量，主要是控制管径及壁厚。一般选择 主机或牵引机的实际速度为基准，以闭环方式调 设定 节其它设备的同步性，在理想状态下，为一线形 关系，即： s v 调节= k p v 基准 其中，s v 调节为需要调节给定的频率，k 为线形系数，p v 基准为基准频率。 但这一线形关系仅适用于局部速度段，在实基准 际生产中有很大出入，如图2 6 所示。 图2 - 6 同步曲线示意图 这样在实际应用中需要根据经验在不同速度段对需要调节量根据设定基准值 进行点对点补偿，使其调节达到理想的效果。 另一种办法是将称重系统引入同步调速，正常生产时，同一规格管材，根据标 准，在一指定长度范围内重量是一定值( g m ) 。因此，只要检测出当前实时的原材 料消耗量( g m i n ) ，根据编码器测出的当前流水线速度，通过闭环反馈调节牵引机 实际转速，可以非常精确的控制管材的质量规格，以及原材料的消耗，达到理想的 同步调速效果。该调速原理如图2 7 。 山东大学硕士学位论文 p c c 甲罢，一 匝岛 需卜也 图2 - 称重同步调速原理 将称重系统引入塑料管材生产线控制系统，比传统同步调速方式有着明显的优 势，这种优势随着生产管材直径及壁厚的增大而更加明显，管径及壁厚的精度得以 大大提高。利用b & r 的a 1 2 6 1 称重模块，在原来塑机控制基础上集成称重控制系 统，实时测定原材料消耗，做成集重量检测、配比、同步调速为一体的塑料管材生 产线控制系统，精确控制管材的直径、壁厚、及多种原材料均匀配比。 ( 3 ) 上位人机界面( h m i ) 人机界面提供用户同设备直接对话的机会，是用户与系统对话的枢纽，所有的 操作命令及控制信息通过它来实现。b & r 提供的p v l 支持w i n d o w s 视窗下的v b ， v c 及各种组态软件( g e n e s i s ，f i x 等) ，以及b & r 自身的r u n t i m e ，从而可以轻 松组建功能强大的人机对话界面，对于塑料管材生产线，其h m i 一般具备以下功 能。 温度，速度及各种命令的监控接口 动态温度，压力的实时趋势显示记录 用户参数配方可视化实时修改及后台数据库支持 系统及过程报警显示记录 夺多用户、多级别权限管理 夺成品切割，堆放统计 夺浅显易懂的系统联机帮助 夺丰富友好的图文界面 ( 4 ) 控制系统网络拓扑 由于各种管材生产线的互异性，现场设备布局，及用户根据实际工艺生产的需 1 3 山东大学硕士学位论文 求，需要控制系统网络拓扑灵活自由及多样化。由于p c c 网络拓扑的开放性( 支持 r s 2 3 2 ，4 8 5 ，c a nb u s ，p r o f i b u s ，e t h e m e t ， r i o - b u s ) ，从很大程度上解 决了这一难题。对于塑料管材生产控制系统，多数采用c a n 为主干的网络拓扑形 式，附以r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 等网络通讯，如图2 3 所示。 ( 5 ) p c c 成品管材切割，打印，堆放，分检控制及其它 p c c 塑料管材生产线控制的尾声就是成品的切割，打印，堆放，分检统计等， 可以利用s t l ，l a d ，b & rb a s i c 或c 语言任何一种形式编写控制程序，达到理想 控制效果。其它涉及到流水线真空设备等的逻辑控制，因生产线不同而各有差异， 视工艺需求而定，在控制上出入不大。 2 3 贝加莱温控专用p i d 功能模块 温度控制部分是采用贝加莱温控专用p i d 功能模块来实现的。在b & r a u t o m a t i o ns t u d i o 环境下，编写p i d 温控程序过程中，用户只需要在相应的t a s k 中调用p i d x h ( p i d 输出控制量算法) 及p i d x h o p t ( p i d 参数优化计算方法) 两 个f u n c t i o nb l o c k 即可。该专用温控p i d 功能块具有控制器参数自整定功能，可以 选择部分或全部温控区一起完成自整定，经过自整定后系统自动保存各种优化后的 温控p d 参数。 p i d x h 智能调节器与一般p i d 调节器的区别主要有：比例放大对于设定值和 实际值来说可分别设置，微分器扩展了低通滤波器，积分器带有改善的超调保护， 调节值可设定上下限等。因此，当设定值阶跃时有平衡的调节值，输入信号有较强 的“噪声”时调节值也比较稳定，抗干扰性较好。 其参数优化计算过程为： s t e p l控制输出进行加热和冷却，通过测得的实际温度变化响应计算几个能表 征对象特性的参数。 s t e p 2 由上一步测得的参数，根据经验公式和参数计算出新的p i d 控制器参数 g p 、k i 、k d 以及采样时间、滤波系数等。优化结束后，新参数即被加载到p i d x h 中使用。 参数优化过程如图2 8 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 t e m p ，代 y 。 1 0 0 lu p 2 0 ii o w 一 t 1 2345 ， 圈2 - 8 参数计算过程示意圈 ； i： ； j j 0 0 0 0 0 0 0 a 卜_ t _ _ p _ 专寸- = 于崎专一哪* 0 0 口 ： 0oe o0i o o 口l 2 0 a 0z e o o孤0；o0 0 , r i o0 # 圳 ! ： 嚣：。2 4 。5 j o 。0 2 3 0 0 8 9 ；， ：盖互z 0 0 0 , 0 0 0 0 ”0 ：、 ij ，：； 。 z s o o 。 ： 蕃善二二 _ 阻 ： ：”r y ：”。 ，, s 0 0 o 一? 4 。o ；i 一；“， ，* ：i 图2 - 9 参数优化过程t r a c e 曲线图 山东大学硕士学位论文 虽然由上面所描述的目前b & r 所采用的p i d 控制器参数整定方法整定出来的 参数在实际应用中表现出了比较理想的控制效果，但它实际上仍然是将参数整定与 系统控制分开处理的离线整定方法。在这种情况下，如果工况发生变化，如不对调 节器参数作相应调整，则过程特性的变化就会导致控制效果的恶化，必须中止控制 过程重新整定参数。需按照参数整定的步骤在新的工况下对温控对象进行加热和冷 却，测得新的表征对象特性的参数，进行计算，再把算得的新的参数载入控制器重 新开始控制过程。由于生产过程的连续性以及参数整定所需的时间，这种重新整定 必然会给生产带来不便。所以在原有的参数整定方式下p i d 控制器己无法获得令生 产者满意的动态控制效果。因此，必须寻求一种自适应性、抗干扰性更强的控制算 法，使控制器参数能够实时地进行自调整，进而更好的适应工况，这样参数初次整 定投入使用后，一般情况下，如原料的质和量发生变化或环境变化等，就不需要重 新整定