张永昌 张倩
乐凯胶片股份有限公司保定新能源材料分公司 河北保定 072150
摘要：双螺杆挤出机最终的产品质量和众多因素息息相关，因此，本文为了实现系统运行能力的提升，借助PID控制方式，建立数学模型，确定不同参数，对变论域模糊PID控制方式的系统性能进行研究。
关键词：双螺杆挤出机；温度控制；PID控制
引言
双螺杆挤出机是加工设备的一种，在生产塑料的领域中应用较多。双螺杆挤出机运行正常与否，和基础产品质量、产量等，往往会受到双螺杆挤出机参数精确性，以及运行稳定性的较大影响。随着科学技术的不断发展，工业生产智能化水平的提升，也会进一步提高双螺杆挤出机运行水平，通过智能计算机对冷却器、加热器的开关进行控制，就能在一定范围内实现对温度的控制，进而维持双螺杆挤出机工作的稳定性[1]。而借助比例积分微分（PID）的发展，以及在人们生产生活中不同领域的应用，可以基于比例积分微分（PID）理论，正确达到双螺杆挤出机的恒温恒压工作要求。从比例积分微分（PID）理论发展并成熟的模糊PID控制，也对提升PID控制性能，有极大积极影响。模糊PID控制方式的优势，可以不对数学模型的精确程度，产生较强依赖性，可以结合规则，提高控制的自适应水平，但是在指定调整规则上，对较多的实验数据，则有较大需求。本研究将对模糊PID控制，在降低对调整规则的依赖程度的条件下，实现双螺杆挤出机温度控制效果进行研究。
1 双螺杆挤出机温度采集和控制系统组成
在双螺杆对物料进行挤出操作的环节，应以一定范围内为节点，对双螺杆挤出机的不同段温度进行合理控制。此外，不同段的温度，应当保证一定梯度，从而为混合物料提供便利性，并促进物料塑化的过程。基于此，双螺杆挤出机温度控制原理，主要是借助不同段温度采集器，加上装置功能的不同（冷却和加热），达到分段控制的效果。不同段温度控制系统，无论是在功能，还是在结构上，都没有显著差异。就以其中一段控制系统举例说明，基本组成主要包含计算机、数字量输出控制、固态继电器、加热器、模拟量信号采集卡、温度采集传感器、挤出机机体、冷却水电磁阀、冷却水管等[2]。
在工作原理上，由于温度采集传感器具备较高精度，可以完成对该段温度的实时采集，并借助计算机中，负责控制温度的相关软件，比较提前预设的温度值与当前的实时温度，通过各类智能控制算法，对电加热器固态继电器，以及共冷却水进出的电磁阀进行科学调节，进而达到闭环控制温度的效果。完成控制任务的核心算法，是论域发生改变的模糊PID控制算法，借助数字量输出控制卡，通过对固态继电器开关的控制，完成升温操作。至于降温，可以通过自然降温方式，也就是空气散热，或者机械降温，也就是借助数字量输出控制卡，实现对冷却水电磁阀的控制，将开关打开，完成散热操作。在散热方式的对比上，空气散热方式不可控程度较高，属于扰动量的一种，物料之间的互相摩擦，同样也会提高温度，也属于不可忽视的扰动量[3]。
2 温度控制系统数学模型
将加热器开启之后，也会提高双螺杆挤出机料筒温度。将冷却水阀开启之后，会在一段时间内，降低料筒温度，换句话说，系统输出，并不会受其他因素骤变，同样产生对应的骤变现象。因此，可以应用一阶惯性环节，对双螺杆挤出机温度控制系统，近似表示成如下函数关系：G1=K/（tS+1）。该公式中，将双螺杆挤出机温度控制系统传递函数，表示成G1；将增益环节表示为K；将时间常数表示为t；将拉普拉斯算子表示为S。其中，确定时间常数，对于闭环控制系统性能的有效提升而言，可谓意义重大。时间常数会受到双螺杆挤出机机体材料、机体结构、热阻系数、导热系数等一系列因素的影响，基于此，通常情况下，借助实验手段对响应曲线进行测量，若达到接近温度设定值的65%（上下误差不能太大），最终消耗的时间，就记为时间常数[4]。
3 变论域模糊PID控制
挤出速率、温度、压力作为重要的参数，可以对双螺杆挤出机的产品质量，产生较大影响，若挤出速率和挤出压力维持在恒定值，此时准确控制温度，也会成为影响挤出成型的重要影响因素。例如产品外观、断裂伸长率、拉伸强度，都会在挤出环节，受到温度因素较大影响。在工业生产实践中，加强对双螺杆挤出机温度的控制，可以借助PID控制方式实现。下图即为PID控制原理，其中将温度控制系统的设定值大小记为r(t)，将温度控制系统实际输出值大小记为y(t)，将两者的偏差记为e(t)，不难发现，e(t)=r(t)-y(t)；u(t)则为被控制对象输入信号[5]。
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由于双螺杆挤出机在运行中，负责控制温度的系统可能会受到来自各种因素的较强干扰，因此需要通过控制系统（常规PID控制）的参与，采用在线调节的方式，以求和起始控制效果相差无几。在PID控制参数的调节操作上，如果通过人为方式进行，则具备较大调节难度，而重视常规PID控制技术的优越性，并将其和模糊控制技术相结合，就能实现相关难题的解决。变论域模糊PID控制最大的优势，就是不会对模糊规则产生过多依赖，只需要对调节PID控制参数了如指掌，就能达到令人满意的控制温度效果。相关实验结果显示，若应用常规PID控制方式，如果受到了脉冲信号与阶跃信号的干扰，则在稳定时间与超调量方面，响应效果都不会达到标准。与之相对的，模糊PID控制方式，则显著增强了控制效果，变论域模糊PID控制效果则更优。如表1所示。
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同时，不能忽视双螺杆挤出机产品质量受温度因素的影响，无论过低还是过高，都会在一定程度上，对产品外观与力学性能带来改变，因此，只有保证温度控制器的优良性能，才能在干扰信号的环境下，保证恢复至设定温度的快速性，进而为最终的产品合格率保驾护航[6]。
结束语：
综上所述，变论域模糊PID控制器可以提高双螺杆挤出机的工作效果，在保证温度控制在一定范围内的同时，维持挤出机工作的正常水平。同时，若应用常规PID控制方式，在受到脉冲信号以及阶跃信号的干扰下，就无法在时间的稳定性，以及控制温度的超调量方面，得到较好响应。而变论域模糊PID控制，取得了最佳控制效果，因此值得后续进一步优化。
参考文献：
[1]胡亚南,李明辉,霍蛟飞,丰会萍.基于S7-1200PLC的注射机料筒温度控制系统[J].塑料科技,2019,47(12):93-98.
[2]胡亚南,王鹏文,丰会萍,李明辉.基于专家分段PID注塑机远程监控系统设计[J].工程塑料应用,2020,48(3):92-97.
[3]陈芳,刘佳,傲起,曲冰洁,李研博.基于PLC的注塑机多段温度控制系统设计[J].合成树脂及塑料,2020,37(1):85-87.
[4]马跃,杨迎,刘海波,王永青,杨宥人,夏良志.基于变论域模糊PID的混炼造粒机机筒温度控制[J].塑料,2018,47(1):122-125.
[5]李啸骢,邓裕文,李秋文,游晓枫,王乐.ASVG与发电机励磁的多指标非线性协调控制[J].电力自动化设备,2012,32(7):47-51.
[6]欧青立,吴兴中,崔力.Bang-Bang＋模糊PID煤湿度控制器设计与实现[J].电子测量与仪器学报,2010,24(8):786-790.