ZL22D型滤棒成型机组烟腔温控改良

2 滤棒成型机组的现有控制方式与控制算法
ZL22D 型滤棒成型机组的主控系统式由Siemens公司的PLC和Lenze公司的伺服系统组成。烟腔加热系统是游离于核心控制系统之外。整个加热系统是通过安 装面板上的加热按钮来实现该系统的关断与否，并不依据中央控制器的指令。它的设定温度是由该部件本身的感应片的受热膨胀系数所决定，不能够轻易调节。滤棒 成型机组烟腔加热系统电路如图1所示。

图1 滤棒成型机组烟腔加热系统电路示意图

图1 中，R8为300W的加热单元，当机组运行时操作员按下面板上的按钮S3.3，烟腔加热系统处于允许加热状态。R8是否进行加热，实际上取决于S8.1的 状态。S8.1是一组带接触点的热感应片，就安装在烟腔上。当感应片的温度低于某一温度时，接触片是闭合的，加热回路被接通，整个系统开始加热；而当烟腔 温度上升到一定温度后，感应片受热膨胀，使得接触片分开，于是加热回路被断开，加热停止。由于感应片的受热膨胀与冷却收缩，就使得烟腔加热系统的温度可以 保持在某一温度范围内。
但是，这样的设计实际上使得烟腔加热系统与核心控制系统并不同步，而且部件的机械损坏可能会造成加热系统工作异常等问题或隐患。特别是考虑到人为因素的情况下，存在的问题或隐患就可能引起部件损坏甚至人身危险。
简单的“乒-乓”控制算法主要表现在整个系统的超调量[3]很大，达到稳定状态的时间较短，稳定后的温度波动呈振荡状。这些情况虽不全部是负面的，但是其综合效应对于保证烟腔温度稳定是不利的，对于滤棒的产品质量也是有一定的不利。

就该系统而言：例如，在室温26℃的条件下、烟腔加热的设定温度为90℃时，整个温度加热系统的超调量达到了25～30℃，超调比率为 27.8～33.3%，稳定时间[5]约为200～260秒，稳态时的温度波动约为±10～15℃，系统响应时间[6]约为60～80秒。具体见表1。

表1 原烟腔加热系统的参考数据

其系统响应曲线示意如图2所示。从上述数据和曲线图说明该加热系统的控制算法不够理想，稳态温度波动大。温度波动大就容易影响滤棒纸带的粘合质量，加大“脱胶”的概率。

图2 原系统响应曲线示意图

3 新的控制方式和控制算法的筛选
加热系统，控制算法有很多种。而在本设计中，主要考察3种比较常用的控制算法方式，挑选出相对合适的一种。
3.1 回环控制
回环控制又名滞环控制或者回路控制，其控制理论曲线如图3所示。

图3 回环控制理论曲线

这是一种简单的控制算法，但控制能力不好，特别是该控制算法很容易发生输出结果的振荡状态。这种回环控制算法可以看作是对“1/0”控制算法的一种优化，是一种非常容易实现的控制方案，同时也是比较常用的一种方案选择。
3.2 PID控制
PID控制算法即比例积分微分控制。这是应用最广泛和适用性最好的控制算法，具有快速性好、稳定性强、准确性高的特点。
其传递函数为：Kp+KdS+Ki/S
其中Kp、Kd、Ki分别为比例、微分及积分系数。由于三个系数之间的关系是相互影响、相互制约，所以这种控制算法的最大问题在于其参数设置过程比较漫长，必须具有一定的自控理论知识和经验才能够快速进行参数的调节。

3.3 PWM控制
PWM控制即脉宽调制控制(Pulse-Width-Modulation)。这是一种根据实际温度与设定温度的差值大小,以不同的占空比实施加热的控制算法。公式表述如下：

其 中，T为控制周期，T1、T2、T3为有效周期（小于或等于T）。n表示设定值减去实际值的差，N1、N2、N3、N4表述差值的大小，f（n）为输入响 应公式，F（n）为输出响应公式。该控制算法可以看作对PID控制算法的一种简化，在牺牲了一定控制能力的基础上，简化参数设置。
为了比较这3种控制算法的控制效果，设计者利用MATLAB软件进行3种控制算法的计算机仿真，其结果如图4所示。

图4 MATLAB仿真曲线

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