基于九點(diǎn)控制器的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)

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智能閥門定位器

第15卷第1期洛陽(yáng)工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)Vol.15No.12023年3月JournalofLuoyangTechnologyCollegeMar.2023

基于九點(diǎn)控制器的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)

李浩1，上官同英2

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中州大學(xué),河南鄭州450052)

摘要：九點(diǎn)控制器是一種新型的智能控制器，對(duì)相當(dāng)廣泛的被控對(duì)象具有適應(yīng)性，魯棒性強(qiáng)，在穩(wěn)定控制、延時(shí)滯后控制方面具有很好的控制效果。并具有控制算法簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；以PLC作為溫度控制系統(tǒng)的核心，采用九點(diǎn)控制器的控制策略，設(shè)計(jì)了塑料擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用說明，該系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，能有效的減少超調(diào)、提高穩(wěn)態(tài)精度。

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第1期李浩等基于九點(diǎn)控制器的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)5前，必需明確各個(gè)工況的劃分。也就是說，必需確定偏差和偏差變化率零帶的上下限，這2個(gè)基本參數(shù)將被稱之為2用e0和e表示。而對(duì)應(yīng)于9個(gè)工況的控個(gè)邊界條件,0制策略用Ki(i=1,2,3,4;1,2,3,4;0)來表示。控制器的控制效果取決于這2個(gè)邊界條件和9個(gè)控制參數(shù)的大小，因此分析這些參數(shù)的作用區(qū)域以及對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)的影響將是九點(diǎn)控制器具有良好性能的關(guān)鍵。圖2是九點(diǎn)控制器響應(yīng)曲線示意圖，是分析控制策略的基礎(chǔ)。

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控制系統(tǒng)，溫度傳感器(熱電偶)檢測(cè)到的機(jī)筒和機(jī)頭溫度信號(hào)送給溫度模塊(模擬量輸入模塊)，PLC從溫度模塊中讀取溫度值PV與設(shè)定溫度SP進(jìn)行比較，得到偏差e(t)=SPPV。對(duì)象的擾動(dòng)主要有：各分區(qū)間依照工藝要求所設(shè)定溫度值的差異相互干擾，螺桿旋轉(zhuǎn)和物料摩擦產(chǎn)生熱量，物料帶走的熱量等。在偏差e(t)和偏差變化率e存在時(shí)，依照九點(diǎn)控制器控制策略，求得相應(yīng)的控制量u去控制固態(tài)繼態(tài)器的通斷時(shí)間以調(diào)理電加熱器的加熱功率和冷卻風(fēng)機(jī)的冷

卻時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)料筒和機(jī)頭溫度的控制。

以機(jī)筒的溫度控制為例，系統(tǒng)工作分為九個(gè)工況，其工作過程及參數(shù)Ki的取值規(guī)律如下：

e)系統(tǒng)工作于工況一，偏差（e）為負(fù)且偏差變化率(為負(fù)(偏差繼續(xù)減小)，系統(tǒng)需要很大的反向作用力阻止系統(tǒng)響應(yīng)上升，因此K4應(yīng)取很大的值，即冷卻風(fēng)機(jī)在給定周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間最大進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

e)系統(tǒng)工作于工況二，偏差（e）為負(fù)且偏差變化率(處于偏差變化率零帶，系統(tǒng)需要較大的反向作用力使系統(tǒng)響應(yīng)趨向期望值，因此K

3

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2基于九點(diǎn)控制器的塑料擠出機(jī)溫度控制

2.1系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用西門子S7-300系列可編程序控制器，主要模塊配置為：中央處理單元(CPU)選用CPU-314，帶有一個(gè)MPI接口，可以連接編程器、PC機(jī)、操作面板；數(shù)字量輸出模塊選用SM322，DO8230ＶACRelay；模擬量輸入模板選用SM331，AI812Bit；參數(shù)可通過模板上的量程模塊和用STEP7硬件組態(tài)設(shè)定，通道按兩路一組劃分，每次只能給一組通道設(shè)定參數(shù)，輸入的熱電偶可以是類型N、E、J、K、L，也可以通過STEP7硬件組態(tài)設(shè)定，溫度補(bǔ)償可以用內(nèi)部補(bǔ)償，也可用外部補(bǔ)償，外部補(bǔ)償比內(nèi)部補(bǔ)償更確切。本系統(tǒng)中溫度傳感器選用Ｋ型熱電偶，其測(cè)溫范圍適中，線性度較好，相應(yīng)的模板量程模塊上的位置置于“Ａ〞，溫度補(bǔ)償方式采用內(nèi)部補(bǔ)償。輸出控制電路是通過固態(tài)繼電器(SSR)調(diào)功方式完成的，對(duì)于機(jī)筒部分，還裝有冷卻風(fēng)機(jī)。只要在給定周期內(nèi)改變固態(tài)繼電器的通電的占空比，就能達(dá)到改變加熱功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)理。硬件配置如圖3

所示。

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應(yīng)取較大的值，即冷卻風(fēng)機(jī)在

給定周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間很大，冷卻功率較大。

e)系統(tǒng)工作于工況三，偏差（e）為負(fù)且偏差變化率(為正，系統(tǒng)需要較大的反向作用力使系統(tǒng)響應(yīng)趨向期望值，因此K

2

.

應(yīng)取較小的值，即冷卻風(fēng)機(jī)在給定周期內(nèi)導(dǎo)

通時(shí)間較小，冷卻功率較小。

系統(tǒng)工作于工況四，偏差（e）處于偏差零帶內(nèi)且偏差變化率（e）為負(fù)(偏差繼續(xù)減小)，系統(tǒng)需要反向作用力抑制系統(tǒng)響應(yīng)上升，同時(shí)又要避免系統(tǒng)響應(yīng)下降，故反向作用力應(yīng)很小，因此K1應(yīng)取很小的值，即冷卻風(fēng)機(jī)在給定

.

周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間很小，冷卻功率很小。

系統(tǒng)工作于工況五，偏差（e）與偏差變化率（e）

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都處于偏差零帶內(nèi)，系統(tǒng)需要一定的作用力來維持，因此K0應(yīng)取很小的值，一般是固態(tài)繼電器在給定周期內(nèi)導(dǎo)通

圖3系統(tǒng)硬件組成

一定的時(shí)間，供給能量以維持系統(tǒng)平衡。

系統(tǒng)工作于工況六，偏差（e）處于偏差零帶內(nèi)且偏差變化率（e）為正，系統(tǒng)需要正向作用力阻止系統(tǒng)響應(yīng)下降，同時(shí)又要避免系統(tǒng)響應(yīng)上升，故正向作用力應(yīng)很小，因此K1+應(yīng)取很小的值，即固態(tài)繼電器在給定周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間很小，加熱功率很小。

e)系統(tǒng)工作于工況七，偏差（e）為正且偏差變化率(為負(fù)(偏差繼續(xù)減小)，系統(tǒng)需要稍小的作用力使偏差進(jìn)一步減小并使得系統(tǒng)響應(yīng)上升速度不要太快，避免產(chǎn)生較大的

.

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2.2系統(tǒng)工作原理

塑料擠出機(jī)主要由機(jī)筒和機(jī)頭兩部分組成，機(jī)筒一般分成4到7個(gè)溫度區(qū)，依照工藝要求每個(gè)分區(qū)的溫度設(shè)定各不一致；機(jī)頭一般是指生產(chǎn)產(chǎn)品的模具，根據(jù)產(chǎn)品種類不同，機(jī)頭可分成3到5個(gè)溫度區(qū)。顆粒型的塑料原料由料斗進(jìn)入機(jī)筒，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，原料從機(jī)筒到機(jī)頭，經(jīng)過預(yù)熱、熔融、塑化再制成成品。溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋

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6洛陽(yáng)工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)第15卷

超調(diào)量，因此K2+應(yīng)取較小的值，即固態(tài)繼電器在給定周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較小，加熱功率較小。

系統(tǒng)工作于工況八，偏差（e）較大但偏差變化率（

e.

結(jié)語4

從上面的分析及應(yīng)用可看出，基于九點(diǎn)控制器的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)其控制策略是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變

近期望值，K3+應(yīng)取較大的值，即固態(tài)繼電器在給定周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較大，加熱功率較大；

e)為正且偏差變化系統(tǒng)工作于工況九，偏差(

率(e)為正(偏差繼續(xù)增加)，系統(tǒng)需要很大的作用力此K

4+

.

應(yīng)取很大的值，即固態(tài)繼電器在給定周期內(nèi)

導(dǎo)通時(shí)間最大，加熱功率最大。

3應(yīng)用效果

在原理研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在某塑木型材生產(chǎn)線中采用基于九點(diǎn)控制器的溫度控制系統(tǒng)來控制擠出機(jī)的機(jī)筒和機(jī)頭溫度。在實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差10℃以上時(shí)，九點(diǎn)控制器不起控制作用，加熱器輸出最大功率使溫度上升。當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差10℃之內(nèi)時(shí)，進(jìn)入九點(diǎn)控制器的作用區(qū)域。由于機(jī)筒、機(jī)頭各個(gè)分區(qū)的延時(shí)滯后特性的差異，及工藝要求的設(shè)定溫度的不同，加熱周期、冷Ki的取值各不一致。典型值如表2，此時(shí)的加熱卻周期，

和冷卻周期都取20秒。

表2PLC九點(diǎn)控制器參數(shù)在溫度控制中的取值ki

k4+

k3+3.5

k2+2.8

k1+1.3

k01

k1-0.5

k2-1.6

k3-3.1

k4-10

化率的變化取不同的比例增益以實(shí)現(xiàn)不同的控制策略的一種變控制策略的智能控制方法，魯棒性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高，其控制策略簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。特別是應(yīng)用在PLC中時(shí)編程簡(jiǎn)單、可靠，參數(shù)整定比普通的PID控制器便利迅速，并可利用PLC規(guī)律控制的優(yōu)點(diǎn)，與輸入、輸出信號(hào)通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，可以對(duì)各種狀況及時(shí)做出反應(yīng)，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。參考文獻(xiàn)：

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[4],孫曉明張南綸.九點(diǎn)控制器[A].上海:華東理工大學(xué)出版社,2023.

644-648.

取值15

擠出機(jī)機(jī)筒一區(qū)在應(yīng)用九點(diǎn)控制器與應(yīng)用普通PID時(shí)的控制效果比較如圖4所示。由圖可見九點(diǎn)控制器控制的系統(tǒng)溫度超調(diào)小，并將系統(tǒng)溫度的波動(dòng)很好地控制在允許誤差的零帶之內(nèi)。在設(shè)定溫度為180℃時(shí)溫度超調(diào)不超過1.5℃,靜差小于1℃。

TheStudyandDesignofTemperatureControlSystemforPlasticsExtrusionMachineBasedonNine-pointController

LI-Hao,SHANGGUANTong-ying

(1.Lect.,SchoolofAutomationEng.,WUT,Wuhan430070,China;2.ZhongzhouUniversity,Zhengzhou450052,China)Abstract:Thenine-pointcontrollerisanewtypeofintelligentcontrollerwhichhasntstrictlimittoobjectandhasstrongrobustnessandhasgoodeffectoncontrolofstabilityanddelayedtime.Anewtemperaturecontrolsystemforplasticsextrusionmachineisstudiedanddesigned,inwhichPLCandnine-pointcontrollerarecombined。Pr