增量式PID控制在全钢内衬层生产线中的应用

2015-08-16吴斌刘晶方秀华

橡塑技术与装备 2015年3期

关键词：全钢时间常数内衬

吴斌，刘晶，方秀华

(杭州朝阳橡胶有限公司，浙江杭州 310018)

增量式PID控制在全钢内衬层生产线中的应用

Application of incremental PID control in all steel inner production line

吴斌，刘晶，方秀华

(杭州朝阳橡胶有限公司，浙江杭州 310018)

我公司全钢内衬层生产线的全线速度采用浮动辊进行检测调节，并采用增量式PID进行控制，实现了全线各单机、各皮带之间较好的速度匹配，生产的制品不打褶、不拉伸，始终保持在公差范围内，满足了生产和工艺的要求。

内衬层；PID；速度控制

内衬层处于轮胎的最里层，其目的是减少内胎与轮胎胎体之间的相互摩擦，避免胎体内部被湿气和空气渗透。内衬层由气密层和过渡层贴合而成，当生产线各段速度不匹配时，容易造成打褶或拉伸，因此，速度的控制对于内衬层生产线至关重要。

目前，内衬层生产线的全线速度控制常采用浮动辊进行检测调节，因此具有滞后性、时变性和非线性等特点，想通过建立精确的数学模型十分困难。而PID控制由于算法简单，可靠性强，被广泛的应用在工业过程控制中。

我公司在21世纪初从德国克虏伯公司引进了全钢内衬层生产线，该生产线代表了国际90年代末和21世纪初的工艺技术水平。生产线全线速度匹配采用浮动辊进行检测调节，并采用增量式PID进行控制，设备使用至今，全线各单机、各皮带之间速度控制仍能保持较高的精度，生产的制品不打褶、不拉伸，始终保持在公差范围内。

1 全钢内衬层生产线简介

我公司引进的全钢内衬层生产线采用的是两辊压延双挤出生产法，该生产线主要包括：1#挤出机和1#压延机，用于生产气密层；2#挤出机和2#压延机，用于生产过渡层；以及风冷冷却房和卷取装置。

2 PID控制简介

2.1 常规PID控制

常规PID控制根据给定值和设定值之间的偏差，通过比例、积分和微分对偏差构成控制量，实现对被控对象的控制。常规PID的理想算法为[1]。

式（1）中，u(t)为PID控制器输出，e(t)为控制偏差，Kc，Ti和Td为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

由于计算机控制采用的是采样控制，因此需对式（1）进行离散化处理，可得式（2）。

式（2）中，Kc为比例增益；Ki为积分系数，Ki=KcT/Ti，Kd为微分系数，Kd=KcTd/ T。

2.2 增量式PID控制

PID控制主要有两种算法，位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。相比之下，采用增量式PID控制算法可以减少设备的误动作，减轻PLC的计算负担[2]。根据式（2），通过递推原理，得：

式（2）和式（3）相减，可得

式（4）即为增量式PID控制算法。

3 增量式PID控制的应用

在西门子PLC的Standard Library里提供了现成的PID控制功能块PID Control Block，用户可以根据需求，选择相应的功能块，也可以自己动手编写PID程序。在本系统中，我们采用STL语句编写了PID控制功能块FB42，控制算法的流程图如图1所示。各单机、各皮带之间速度控制均通过调用功能块FB42，实现对速度的控制。在调用FB42时，只需给相应的变量赋予对应的地址即可使用。图2显示了对中输送带PID控制程序。

3.1 参数整定

对于PID控制来说，采样周期和控制参数的整定至关重要，直接影响了系统的动态性能和静态性能。

在本系统中，采样周期的时间设置为PLC的扫描周期，控制参数的整定则采用工程法中的试凑法。具体步骤如下[3]：

（1）先设控制器积分时间Ti=∞, 微分时间Td=0。将系统投入运行, 整定比例增益Kc。如果曲线振荡频繁, 则加大比例增益Kc；如果曲线超调大, 且趋于非周期过程，则减小比例增益Kc。

（2）引入积分作用，此时需将上述比例增益Kc加大1.2倍。将Ti从大到小进行整定。如果曲线波动较大，则应该增大积分时间常数Ti；如果曲线偏离设定值长时间回不来，则需要减小Ti，以获取良好的过渡过程曲线。

（3）引入微分作用，使Td=(1/4-1/3) Ti，并且由小到大进行调整。如果曲线超调大而衰减慢，则增加微分时间常数Td；如果曲线震荡厉害，则减小Td。调整过程中，观察曲线状况，适当调整Kc和Ti，直至获得满意的控制曲线。

通过上述方法，各参数整定后的结果为：