基于模糊PID的橡胶挤出机温控系统研究

摘要

橡胶挤出机的温度控制直接影响着挤出制品的性能和质量，精确测控挤出过程的温度能够有效降低能源消耗、提高生产效率和延长挤出设备的连续工作周期等。随着橡胶工业的持续发展以及挤出技术的不断创新，如何提高挤出机的温控水平已成为橡胶挤出机发展的重要研究方向。
　　本文旨在搭建一套满足橡胶挤出工艺要求的温度测控系统，并分为算法、硬件、软件、仿真四个部分展开设计。针对橡胶挤出机温控系统的算法设计部分，分析了PID控制算法和模糊控制算法的优缺点，提出了兼具两种控制优势的模糊PID复合控制算法。该算法采用语言模糊控制规则在线整定PID参数，不需建立系统的精确数学模型且对于复杂被控对象具有较高的控制精度。针对橡胶挤出机温控系统的硬件设计部分，分析了温度采集模块、单片机主控模块、人机交互模块、温控执行模块、串口通信模块等的硬件选型要求，利用AltiumDesigner软件绘制了各个模块的电路原理图，并对温控系统的硬件部分进行了调试及抗干扰分析。针对橡胶挤出机温控系统的软件设计部分，采用便于程序运行和维护的模块化设计结构，分析了主程序模块、温度采样子模块、键盘处理子模块、液晶显示子模块以及算法控制模块的软件设计流程，并对温控系统的软件部分进行了调试及抗干扰分析。针对橡胶挤出机温控系统的仿真设计部分，搭建了常规PID控制器模型、Mamdani型模糊控制器模型、模糊PID控制器模型并分析了三种控制器的仿真结果。可以看出PID控制器响应速度较慢，难以满足快速升温、超调量小的控制要求，而且同时实现较好的升温和保温曲线的PID参数不易在线调节;模糊控制器响应速度较快、超调量小，但控制过程存在稳态误差;模糊PID复合控制器升温快速、控制过程没有稳态误差，能够很好地抑制和消除外界因素的干扰。
　　通过对乙丙橡胶机筒段挤出温度的仿真试验得出:本文设计的模糊PID温控系统的最大超调量低于±7℃、波动幅度低于±2℃、稳态误差几乎为零。当挤出温度受到阶跃干扰偏离目标温度时，模糊PID复合控制器能够很好地跟踪并抑制挤出温度的变化，完全满足乙丙橡胶挤出对温度参数的指标要求。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展水平

1．2．1 橡胶挤出机的国内外发展状况

1．2．2 橡胶挤出技术的国内外发展状况

1．2．3 挤出机温控技术的国内外发展状况

1．3 温度对挤出制品质量的影响

1．3．1 橡胶挤出机温控要求

1．3．2 挤出机温控区间的划分

1．4 课题的研究内容与结构安排

第2章 橡胶挤出机温控系统的算法设计

2．1 常规PID控制理论

2．1．1 模拟PID控制原理及结构

2．1．2 数字PID控制原理与结构

2．2 智能模糊控制理论

2．2．1 模糊控制原理及结构

2．2．2 模糊控制算法的特点及实现

2．3 温控系统的模糊PID控制器设计

2．3．1 模糊PID算法控制原理及结构

2．3．2 输入、输出的模糊化及隶属度函数

2．3．3 PID参数自整定原则及模糊规则表

2．3．4 模糊推理及去模糊化

2．4 本章小结

第3章 橡胶挤出机温控系统的硬件设计

3．1 温控系统硬件的整体设计

3．2 硬件各功能模块的设计

3．2．1 温度检测模块的设计

3．2．2 单片机主控模块的设计

3．2．3 人机交互模块的设计

3．2．4 温控执行模块的设计

3．2．5 电源模块的设计

3．2．6 USB通信模块的设计

3．3 硬件调试方法及抗干扰措施

3．3．1 硬件调试方法

3．3．2 硬件抗干扰措施

3．4 本章小结

第4章 橡胶挤出机温控系统的软件设计

4．1 主程序模块的设计

4．2 功能实现模块的设计

4．2．1 温度采样子模块的设计

4．2．2 键盘处理子模块的设计

4．2．3 液晶显示子模块的设计

4．2．4 算法控制模块的设计

4．3 软件调试方法及抗干扰措施

4．3．1 软件调试方法

4．3．2 软件抗干扰措施

4．4 本章小结

第5章 橡胶挤出机温控系统的仿真及结果分析

5．1 仿真工具

5．1．1 MATLAB模糊逻辑工具箱

5．1．2 SIMULINK仿真环境

5．2 构建温控系统仿真模型

5．2．1 构建PID控制器模型

5．2．2 构建Mamdani型模糊控制器模型

5．2．3 构建模糊PID复合控制器模型

5．3 温控系统仿真结果分析

5．3．1 三种控制器阶跃响应的仿真比较

5．3．2 三种控制器抗干扰能力的仿真比较

5．3．3 实际温控系统挤出温度的仿真效果

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

附录

附录1：温控系统总体硬件原理图

附录2：模糊PID控制算法主程序

附录3：常见胶料的挤出温度范围

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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