吳斌，劉晶，方秀華

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

增量式PID控制在全鋼內(nèi)襯層生產(chǎn)線中的應(yīng)用

Application of incremental PID control in all steel inner production line

吳斌，劉晶，方秀華

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

我公司全鋼內(nèi)襯層生產(chǎn)線的全線速度采用浮動輥進行檢測調(diào)節(jié)，并采用增量式PID進行控制，實現(xiàn)了全線各單機、各皮帶之間較好的速度匹配，生產(chǎn)的制品不打褶、不拉伸，始終保持在公差范圍內(nèi)，滿足了生產(chǎn)和工藝的要求。

內(nèi)襯層；PID；速度控制

內(nèi)襯層處于輪胎的最里層，其目的是減少內(nèi)胎與輪胎胎體之間的相互摩擦，避免胎體內(nèi)部被濕氣和空氣滲透。內(nèi)襯層由氣密層和過渡層貼合而成，當生產(chǎn)線各段速度不匹配時，容易造成打褶或拉伸，因此，速度的控制對于內(nèi)襯層生產(chǎn)線至關(guān)重要。

目前，內(nèi)襯層生產(chǎn)線的全線速度控制常采用浮動輥進行檢測調(diào)節(jié)，因此具有滯后性、時變性和非線性等特點，想通過建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難。而PID控制由于算法簡單，可靠性強，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)過程控制中。

我公司在21世紀初從德國克虜伯公司引進了全鋼內(nèi)襯層生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線代表了國際90年代末和21世紀初的工藝技術(shù)水平。生產(chǎn)線全線速度匹配采用浮動輥進行檢測調(diào)節(jié)，并采用增量式PID進行控制，設(shè)備使用至今，全線各單機、各皮帶之間速度控制仍能保持較高的精度，生產(chǎn)的制品不打褶、不拉伸，始終保持在公差范圍內(nèi)。

1 全鋼內(nèi)襯層生產(chǎn)線簡介

我公司引進的全鋼內(nèi)襯層生產(chǎn)線采用的是兩輥壓延雙擠出生產(chǎn)法，該生產(chǎn)線主要包括：1#擠出機和1#壓延機，用于生產(chǎn)氣密層；2#擠出機和2#壓延機，用于生產(chǎn)過渡層；以及風(fēng)冷冷卻房和卷取裝置。

2 PID控制簡介

2.1 常規(guī)PID控制

常規(guī)PID控制根據(jù)給定值和設(shè)定值之間的偏差，通過比例、積分和微分對偏差構(gòu)成控制量，實現(xiàn)對被控對象的控制。常規(guī)PID的理想算法為[1]。

式（1）中，u(t)為PID控制器輸出，e(t)為控制偏差，Kc，Ti和Td為PID控制器的比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。

由于計算機控制采用的是采樣控制，因此需對式（1）進行離散化處理，可得式（2）。

式（2）中，Kc為比例增益；Ki為積分系數(shù)，Ki=KcT/Ti，Kd為微分系數(shù)，Kd=KcTd/ T。

2.2 增量式PID控制

PID控制主要有兩種算法，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控制算法可以減少設(shè)備的誤動作，減輕PLC的計算負擔(dān)[2]。根據(jù)式（2），通過遞推原理，得：

式（2）和式（3）相減，可得

式（4）即為增量式PID控制算法。

3 增量式PID控制的應(yīng)用

在西門子PLC的Standard Library里提供了現(xiàn)成的PID控制功能塊PID Control Block，用戶可以根據(jù)需求，選擇相應(yīng)的功能塊，也可以自己動手編寫PID程序。在本系統(tǒng)中，我們采用STL語句編寫了PID控制功能塊FB42，控制算法的流程圖如圖1所示。各單機、各皮帶之間速度控制均通過調(diào)用功能塊FB42，實現(xiàn)對速度的控制。在調(diào)用FB42時，只需給相應(yīng)的變量賦予對應(yīng)的地址即可使用。圖2顯示了對中輸送帶PID控制程序。

3.1 參數(shù)整定

對于PID控制來說，采樣周期和控制參數(shù)的整定至關(guān)重要，直接影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

在本系統(tǒng)中，采樣周期的時間設(shè)置為PLC的掃描周期，控制參數(shù)的整定則采用工程法中的試湊法。具體步驟如下[3]：

（1）先設(shè)控制器積分時間Ti=∞, 微分時間Td=0。將系統(tǒng)投入運行, 整定比例增益Kc。 如果曲線振蕩頻繁, 則加大比例增益Kc；如果曲線超調(diào)大, 且趨于非周期過程，則減小比例增益Kc。

（2）引入積分作用，此時需將上述比例增益Kc加大1.2倍。將Ti從大到小進行整定。如果曲線波動較大，則應(yīng)該增大積分時間常數(shù)Ti；如果曲線偏離設(shè)定值長時間回不來，則需要減小Ti，以獲取良好的過渡過程曲線。

（3） 引入微分作用，使Td=(1/4-1/3) Ti，并且由小到大進行調(diào)整。如果曲線超調(diào)大而衰減慢，則增加微分時間常數(shù)Td；如果曲線震蕩厲害，則減小Td。調(diào)整過程中，觀察曲線狀況，適當調(diào)整Kc和Ti，直至獲得滿意的控制曲線。

通過上述方法，各參數(shù)整定后的結(jié)果為：

圖1 PID控制算法流程圖

3.2 增量式PID控制效果

為了驗證加入增量式PID控制后的控制效果，我們以之前常用的普通控制方法作為對比，給系統(tǒng)一個擾動，觀察二者控制效果，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，加入增量式PID控制后，系統(tǒng)穩(wěn)定時間明顯減少，并且控制性能也得到了提高。

圖2 對中輸送帶PID控制程序

圖3 控制方法比較結(jié)果

4 結(jié)語

通過采用增量式PID進行速度控制，我公司全鋼內(nèi)襯層生產(chǎn)線生產(chǎn)的制品不打褶、不拉伸，控制效果滿意，可以滿足生產(chǎn)和工藝的要求。

[1] 曹剛. PID控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2004.

[2] 嚴曉照, 張興國. 增量式PID控制在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 南通大學(xué)學(xué)報, 2006, 5(4)： 48～51.

[3] 何芝強. PID控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2005.

（XS-02）

TQ330.493

：1009-797X(2015)03-0053-05

BDOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.03.010

吳斌（1982-），男，杭州朝陽橡膠有限公司工程師，從事輪胎設(shè)備電氣技術(shù)及管理工作。

2014-04-25