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1、基于模糊参数自整定PID算法的起爆具生产线温度控制系统设计 学院：信息学院 专业：控制工程 14-11班 摘要起爆具是一种新型工业炸药，是我国民用爆破器材的重要产品之一。伴随着经济建设的快速发展，起爆具广泛应用于矿山爆破作业中各类炮孔的起爆，其在当今社会中扮演的角色也越来越重要。由于起爆具所属行业的特殊性，其生产的质量备受关注。研究表明，高性能、优质量的起爆具能有效的起爆各类钝感炸药，从而提高爆破效果，节约生产成本；相反，如果起爆具质量较低，不能完全有效的起爆钝感炸药，从而影响爆破效果，增加作业成本，甚至出现拒爆现象，造成极大的人工、产品浪费，而且增加了爆破作业的危险性。从现有起爆具生产的工艺
2、来看，起爆具产品的质量与生产中的温度控制有很大的关联，不同温度下制成的起爆具，其起爆感度、爆速、猛度均会不同，这些指标也即是衡量起爆具传爆效能的重要指标。近些年，起爆具的国内外市场需求量还在增加，提高生产效率刻不容缓。但是，我国许多的起爆具生产线存在着自动化程度低、安全性差等客观原因，制约了我国起爆具市场的国际拓展。为此，需要改进原有的起爆具生产工艺，尤其是从温度控制上保障产品的品质。本文的主要研究点如下：（1）温度控制方案的确定。浇注温度控制的精度是关系到起爆具质量的关键因素。由于起爆具浇注锅数学模型的不明确以及浇注过程中的非线性、慢时变、等特性，传统的 PID 控制已不能胜任。在 PLC
3、平台上，本文将模糊控制算法和传统 PID 控制器两者优势结合，命名为模糊参数自整定 PID 控制器，并确将其作为起爆具生产线中的温度控制器。（2）在充分了解模糊控制系统组成和模糊控制器设计原理的基础上，设计了用于起爆具生产线的模糊参数自整定 PID 控制器，并在 Matlab中的 Simulink工具箱里对该模糊 PID 控制器和传统 PID 控制器进行了仿真比较。仿真结果表明：相比较于传统 PID 控制器，模糊 PID 控制器具有更好的调节精度，适用于工业控制领域，为模糊参数自整定 PID 控制器应用在起爆具生产线上提供了科学依据。关键词：起爆具、pid控制器 、模糊 PID 控制器、Sim
4、ulink仿真目录基于模糊参数自整定PID算法的起爆具生产线1温度控制系统设计1摘要2目录3第一章 绪 论41.1 引言41.2 课题来源及其研究意义41.3 模糊控制算法在温度控制中的研究现状5第二章 起爆具自动控制系统方案设计6第三章 模糊参数自整定 PID 控制器设计73.1 PID控制器73.1.1 PID 控制器原理73.1.2 PID 控制器参数的整定方法83.2 二维模糊控制器设计93.2.1 模糊控制系统组成93.2.2 二维模糊控制器的设计103.3 模糊参数自整定 PID 控制器设计123.3.1 模糊参数自整定 PID 控制原理123.3.2 模糊参数自整定 PID 控制
5、器的设计133.4 模糊 PID 控制器的设计与仿真173.4.1 Matlab 中模糊控制器的设计183.4.2 模糊 PID 控制器与传统 PID 控制器的仿真比较223.5 结论24参考文献25第一章 绪 论1.1 引言在工业生产领域，温度参数是常见但又极为重要的基本控制参数。类似于温度参数，在连续生产过程中要想取得高品质的产品，都需要精准控制的参数还有压力、流量、物位等参数。这些量的精准控制，涉及到合理的控制方案、高精度的检测装置和适合的控制算法。其中，温度参数与我们息息相关，往往我们最先关注到也就是温度。工业生产中常用到的加热装置有电热炉和燃油锅炉等。由此可见，温度控制在工业控制中具
6、有极为重要的地位，对温度控制的研究也是一直在不断发展着。1.2 课题来源及其研究意义起爆具是我国民用爆破器材的重要产品之一，广泛应用于矿山爆破作业中各类炮孔的起爆。制作起爆具的大致工序是熔化载体炸药（TNT）后，加入高能固相炸药（PETN），均匀混合为稳定的悬浮液,制成熔融混合炸药,最终按一定的规格浇铸而成。1起爆药包一般是由雷管和导爆索来引爆，它的做法是将雷管和导爆索嵌入到起爆药包内，然后装入一个密封的容器内。由此可见，爆破工程中导爆索在制作方法比较简单，但同时存在着很大的操作危险，并且人工操作带来的误差也会影响主药包的性能。起爆具的用途决定了它的起爆感度介于导爆索等起爆器材和主爆药包之间，
7、但其能量输出却是比导爆索和主爆药包都要高，在爆破过程中起着能量传导和放大的作用。因此，如今的工业爆破过程中，爆具越来越多的替代了传统的起爆药包，此外，它还可以直接用于深孔爆破作业。由文献2研究表明，决定起爆具成品质量的因素有：载体炸药和高能固相炸药的比例配比、高能固相炸药的粒度级配、载体炸药的溶化温度和浇注温度。其中，载体炸药溶化温度控制和浇注温度控制在起爆具生产中至关重要。在载体炸药温度选择方面，由于熔融混合炸药的粘度会随温度的增加而降低，所以载体炸药的熔化温度应控制在 PETN 能均匀分散于熔融状态 TNT 时的温度，此时熔融混合炸药较为稳定且粘度适中。此外，如果载体炸药的熔化温度太高,生
8、产出的起爆具密度虽然较高,但其内部形成热点的机率却降低了,随之感度也就降低了。所以，载体炸药的熔化温度一般选择在 83-89之间,此温度范围内生产出的起爆具成品具有较好的密度和感度指标性能。浇注温度选择方面，浇注温度的选择与PETN 和 TNT 熔融混合状况以及浇注体积都有着很大的关联。熔融混合炸药在浇注后的凝固过程中存在着三个过程的变化:物态变化、热量变化和体积变化。因此，在浇注锅浇注时要选取合适的温度,控制熔融炸药的相变、热量变化和体积变化过程,以保证起爆具的质量。起爆具由浇注重量的不同，有着不同规格，其浇注温度也是有着差别，400g 规格的浇注温度一般选择为 83-89之间,而 150g
9、 规格的浇注温度一般控制在 80左右2。1.3 模糊控制算法在温度控制中的研究现状控制理论从诞生之初发展至今，走过了经典控制理论、现代控制方法和智能控制这三个发展历程。在这过程中，经典控制和现代控制统称为传统控制理论，他们共同的特点是基于清晰数学模型的控制对象，其控制对象和干扰都能由精确的数学函数或方程表示。随着科技的不断发展，控制理论的研究对象由单输入单输出的简单线性系统向着多输入多输出、非线性、时变等特性系统的方向发展，控制对象内部复杂性，很难用精确的数学模型来描述对象的特性，此时的传统控制理论就暗淡失色了。出于研究此类对象的迫切性和时代要求，由此出现了某些仿人智能的过程控制和信息处理系统
10、，在这些研究逐步的发展过程中，智能控制理论逐渐壮大，其中发展最为迅速为模糊控制理论3。模糊控制是一种利用多值模糊逻辑和推理原则来模仿人的思维及反应的智能控制理论，它适用于不易获得精确数学模型或难以建立数学模型的控制系统，但模糊控制并不仅仅局限于难以建模的系统，在数学模型已知但比较复杂的系统上也能取的很好的控制效果，即使控制效果不能提高很多，但能明显的缩短控制器设计的时间4。通常，工业生产中许多温度控制对象的模型不是明确的，即使模型可以通过模式识别等技术获得，其中许多参数也是时变的。过程控制中常用的温度控制方法是 PID(proportion integration differentiatio
11、n，比例-积分-微分)控制，其简单、方便、易于实施，但对于非线性和时变的参数调节方面则存在着明显的缺陷。模糊控制不需要控制对象精确数学模型的优势，使得其越来越多的参到工业自动化温度控制过程中。模糊控制应用于工业温度控制中的一般方法为:l)取被控温度参数实际值与设定值之间的偏差e、偏差变化率ec为输入以及输出量u ，将它们量化转到模糊集合上，再由专家经验建立模糊规则建立模糊控制规则表，例如：if 温度偏高 and 温度还在继续上升，then 减小控制量。2) 将模糊控制表，存放于计算机存储区。3)计算由温度传感器采集来的温度实际值与设定值之间的差值e并求导得ec，对这两个值模糊化处理，传送到计算
12、机数据接口，计算机由模糊控制规则表推理做出模糊判决，得到相应的控制量，再经过解模糊处理，输出去驱动执行机构，达到控制温度恒定的目的。相比较于传统 PID 温度控制器，模糊控制响应速度更快，超调量小且对于超调量的调节速度更快，动态性能良好且鲁棒性强，对被控参数变化不敏感。本文主要使用的是Fuzzy PID模糊控制Fuzzy PID，即将传统 PID 控制理论与模糊控制理论结合，其结合了两者的优点，适用于数学模型不明确的非线性控制、时变和迟滞控制系统，其具有对被控参数的变化不敏感、被控系统动态性能好、鲁棒性强等优点。值得注意的是，Fuzzy PID 中的模糊规则都是人为确定的，具有了人为的主观带入
13、性，规则的建立会因不同人的建立而存在较大的差异，控制效果也就不会一致。随着计算机技术的快速发展，将 Fuzzy PID 结合计算机硬件平台，能够制成参数自整定的模糊PID 控制器，其能根据温度偏差和其变化率的不同而采用不同的 P、I、D 参数来应对。模糊参数自整定 PID 控制器是用于控制工业领域中数学模型不明确对象一种控制趋势，其实质是以模糊规则调节 PID 参数的自适应控制。第二章 起爆具自动控制系统方案设计起爆具的生产是在熔化载体炸药（TNT）后，加入高能固相炸药（PETN），在一定的温度进行混合，形成熔融混合炸药，再在一定的温度控制下进行浇注，最终形成起爆具成品。在起爆具的生产过程中，
14、浇注工序之前都是些阀门开关量的控制，只有在浇注环节才涉及到联动控制。因此，主要环节对温度控制都有着严格的要求，所以在生产起爆具的过程中，温度控制是我们特别要关心的环节。在起爆具生产系统中，温度控制在混药、浇注等环节都是时刻进行着的，其对起爆具生产的重要性不言而喻。在工业炸药生产中，如乳化炸药等，都需对各环节进行温度控制，一般采用锅炉蒸汽作为供热系统，锅炉将水加热形成水蒸气，通过事先规划好的管道线路，对需要供热的环节提供热量，控制策略为 PID 控制。借鉴乳化炸药中的温度控制方案，起爆具生产中的温度控制是在溶化锅、混合锅、浇注锅等锅体对象上设有让热蒸汽进入的阀门，此阀门为智能控制阀门，即加装了阀
15、门定位器，由 PID 控制器对其阀门开度大小实施控制，其控制原理如图 2.1 所示。图 2.1控制原理图目前，温度的控制大多采用 PID 控制。这种方法简单、易于实现，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。然而，起爆具生产线中温度控制对象没有精确的数学模型且为大滞后系统，存在着非线性、时变、迟滞等不利因素，造成了传统的 PID 控制器已经不能完全胜任；另外，在起爆具生产现场，其温度值从检测到传输给 PLC 的测量过程中存在着大量的电磁等干扰，会给系统的 PID 控制带来扰动，这时事先设定好的一组 PID 参数就起不到精确控制的作用。面对此种情况，本文打算结合模糊控制对非线性、迟滞性对象具有良好动态性能的优点和传统 PID 控制器的简单实用等优点，在 PLC 平台上设计模糊参数自整定 PID 控制器，用来控制浇注锅等温度参数，这种控制器就可以做到因扰动带来的不同 PID 控制器参数整定的需求，实时的在线修改 P、I、D 三个参数。模糊参数自整定 PID 控制的设计过程将在下面详细说明。第三章 模糊参数自整定 PID 控制器设计3.1 PID控制器3.1.1 PID 控制器原理由比例(Proportional)、积分(Integal)和微分(Derivative)三种控制结构线性
