CN105573380A - 一种自动化生产线喷涂烘干过程的自抗扰温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，包括上位机、自抗扰控制器、输入信号模块、执行器、温度检测模块和受控对象；温度检测模块用于检测受控对象的温度，并将温度物理量转换为温度电信号，再将温度电信号转换为适合自抗扰控制器接收识别的标准电信号；自抗扰控制器用于接收来自上位机或输入信号模块输入的控制命令，和接收温度检测模块送来的温度标准电信号，经过内部快速最优控制函数的运算处理，产生相应的控制策略形成理想的控制信号最后通过输出端口送至执行器，以调节受控对象的温度。本控制系统较好的解决了温度的快速性与超调之间的矛盾，具有更好的鲁棒性、更好的控制精度和系统稳定性；具有较好的推广借鉴和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制系统，特别涉及一种适用于自动化生产线喷涂烘干过程的自抗扰温度控制系统。
背景技术
在汽车、冶金、化工等生产线喷涂烘干过程中，工件涂装过程需要经过脱脂、水洗、磷化、水分烘干、底漆喷涂、底漆烘干、面漆喷涂、面漆烘干等工序，为了保证产品的质量和节约生产成本，喷涂烘干过程对温度控制要求非常高，一般要求温度控制精度至少小于+5℃，最好控制在+2℃以内；自动化生产线喷涂烘干过程的温度控制普遍存在大时滞现象，经常要求将具有较大时滞的温控装置控制在设定温度值附近，存在的问题是：
1．对大时滞的受控对象而言，最大特点是当前施加的控制作用要经过一段时间的延时才能反映到输出端，因此输出不能及时反映系统内部的变化，滞后性质的存在，使得开环系统相位滞后增大，幅值裕度和相位裕度减小，结果使系统稳定性降低、动态性能下降，直接影响控制性能；
2．另外，温度控制对象的参数一般会发生幅度较大的变化，所有这些变化都会改变对象模型的参数，这种随机产生和不可准确预计的变化，无疑增加了温度控制的难度；不确定大时滞对象己成为自动控制领域和计算机应用领域的一大难题；
3．目前，我国自动化生产线喷涂烘干过程的温度控制系统仍然以传统的PID控制器为主，传统的PID控制器对于一般的温度控制系统能取得比较满意的控制效果，但由于喷涂烘干过程的温控系统为非线性、大滞后系统，其控制输入和输出间存在着非线性的不确定关系，大滞后还可能引起系统的不稳定，在外界干扰或在控制对象参数发生变化时，常规线性PID控制器的控制效果会变差，从而无法获得令人满意的控制效果。
发明内容
本发明的目的在于针对传统控制系统中PID控制器因温度控制存在非线性、大滞后等特性而难以获得令人满意的控制效果问题，设计一种基于自抗扰控制器的生产线喷涂烘干过程温度控制系统基于自抗扰控制器的温度控制系统，以提高自动化生产线喷涂烘干过程的温度控制精度、鲁棒性和稳定性。
本发明采取的技术方案是：一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，包括上位机、自抗扰控制器、输入信号模块、执行器、温度检测模块和受控对象；
所述自抗扰控制器的通信端口通过PROFIBUS总线电缆与上位机连接，自抗扰控制器的第一输入端连接输入信号模块，自抗扰控制器的第二输入端连接温度检测模块，自抗扰控制器的输出端连接执行器，执行器的控制端连接受控对象；
所述温度检测模块包括Pt100温度传感器和温度变送器，Pt100温度传感器的热电偶置于受控对象的输出口，Pt100温度传感器采集的温度信息通过温度变送器输送自抗扰控制器；
所述上位机与自抗扰控制器为双向通信关系，其作用：一是给自抗扰控制器设定温度期望值，二是给控制系统发出启动、停止的控制命令，三是监视受控对象温度的变化情况和控制效果；
所述输入信号模块用于向控制系统输入启动、停止控制命令；
所述Pt100温度传感器用于检测受控对象的温度，并将温度物理量转换为温度电信号，再通过温度变送器将温度电信号转换为适合自抗扰控制器接收识别的标准电信号；
所述自抗扰控制器是控制系统的核心，用于接收来自上位机或输入信号模块输入的信号和控制命令，以及接收温度变送器送来的温度标准电信号，经过内部快速最优控制函数的运算处理，产生相应的控制策略形成理想的控制信号最后通过输出端口送至执行器，以调节受控对象的温度；
所述执行器通过改变受控对象的通电时间从而控制受控对象的温度；
所述受控对象为电阻加热炉，其温度随通电时间的改变而变化，通电时间越长，温度越高。
其进一步的技术方案是：所述自抗扰控制器包括过渡过程发生TD、扩张状态发生器ESO和非线性反馈控制器NLSEF；
所述过渡过程发生器TD的输入端通过PROFIBUS总线电缆与上位机连接，其输出端连接非线性反馈控制器NLSEF，非线性反馈控制器NLSEF的输出端连接执行器，其第一输入端接输入信号模块；
所述扩张状态发生器ESO的输入端连接温度变送器的输出端，扩张状态发生器ESO其中的2路输出端与非线性反馈控制器NLSEF连接，另1路输出端与过渡过程发生器TD的第二输入端连接；
所述过渡过程发生器TD用于接收上位机输入的温度给定信号，经设置于其内部的快速最优控制函数计算出温度给定信号的跟踪信号V1和微分信号V2；
所述扩张状态发生器ESO是自抗扰控制器的核心部分，一是用于接收温度变送器输送的温度实际值y，输出温度实际值y的跟踪信号z1和微分信号z2，与温度给定信号的跟踪信号V1和微分信号V2组合后形成跟踪误差信号e1和微分误差信号e2输入非线性反馈控制器NLSEF，二是接收被控制对象的控制信号u经补偿因子b0后的信号，输出系统总扰动的观测信号z3；
所述非线性反馈控制器NLSEF用于根据过渡过程发生器TD和扩张状态发生器ESO输入的跟踪误差信号e1和微分误差信号e2，通过快速最优控制函数计算出控制信号u0，并通过系统扰动补偿分量z3/b0对u0进行补偿，从而得到输送执行器的控制信号u。
更进一步：所述上位机采用PC机，PC机内包括CP5611通信控制卡；所述自抗扰控制器其硬件采用西门子公司生产的S7－300PLC，软件采用自抗扰控制算法程序。
所述执行器包括交流固态继电器，通过改变交流固态继电器之可控硅移相触发单元的导通角，从而改变电阻加热炉的工作电压，实现对喷涂烘干温度的控制。
由于采取上述技术方案，本发明之一种自动化生产线喷涂烘干过程的自抗扰温度控制系统具有如下有益效果：
1．本发明将自抗扰先进控制理论应用于PLC控制系统，采用自抗扰技术设计控制器，以控制自动化生产线喷涂烘干过程的温度，较好的解决了温度的快速性与超调之间的矛盾，不依赖于被控制对象的数学模型，无需考虑系统的线性和非线性问题，相比传统的PID控制器具有更好的鲁棒性、更好的控制精度和系统稳定性；
2.本发明不局限于实验仿真设计，将自抗扰技术应用于PLC系统实现生产线喷涂烘干过程温度控制，具有良好的工程应用价值和潜在经济效益，对其它行业的过程优化控制具有较好的推广借鉴和应用前景；
3.本发明所构建的生产线喷涂烘干过程仿真试验平台也可以作为各高校、高职院校过程控制实验平台，也要为高校教师、科研人员提供良好的实验平台。
下面结合附图和实施例对本发明之一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1为自抗扰温度控制系统结构框图；
图2为自抗扰温度控制器控制原理图；
图3为自抗扰温度控制系统主循环程序流程图；
图4为自抗扰温度控制系统定时中断子程序流程图；
图5为自抗扰温度控制器算法流程图；
图中：
101—上位机，102—自抗扰控制器，1021—过渡过程发生器TD，1022—扩张状态发生器ESO，1023—非线性反馈控制器NLSEF，103—输入信号模块，104—执行器，105—温度检测模块，1051—温度变送器，1052—Pt100温度传感器，106—受控对象。
具体实施方式
一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，包括上位机101、自抗扰控制器102、输入信号模块103、执行器104、温度检测模块105和受控对象106；
所述自抗扰控制器的通信端口通过PROFIBUS总线电缆与上位机连接，自抗扰控制器的第一输入端连接输入信号模块，自抗扰控制器的第二输入端连接温度检测模块，自抗扰控制器的输出端连接执行器，执行器的控制端连接受控对象；
所述温度检测模块包括Pt100温度传感器1052和温度变送器1051，Pt100温度传感器的热电偶置于受控对象的输出口，Pt100温度传感器采集的温度信息通过温度变送器输送自抗扰控制器；
所述上位机与自抗扰控制器为双向通信关系，其作用：一是给自抗扰控制器设定温度期望值，二是给控制系统发出启动、停止的控制命令，三是监视受控对象温度的变化情况和控制效果；
所述输入信号模块用于向控制系统输入启动、停止控制命令；
所述Pt100温度传感器用于检测受控对象的温度，并将温度物理量转换为温度电信号，再通过温度变送器将温度电信号转换为适合自抗扰控制器接收识别的标准电信号；
所述自抗扰控制器是控制系统的核心，用于接收来自上位机或输入信号模块输入的信号和控制命令，以及接收温度变送器送来的温度标准电信号，经过内部快速最优控制函数的运算处理，产生相应的控制策略形成理想的控制信号最后通过输出端口送至执行器，以调节受控对象的温度；所述执行器通过改变受控对象的通电时间从而控制受控对象的温度；
所述受控对象为电阻加热炉，其温度随通电时间的改变而变化，通电时间越长，温度越高。
所述自抗扰控制器包括过渡过程发生器TD1021、扩张状态发生器ESO1022和非线性反馈控制器NLSEF1023；
所述过渡过程发生器TD的输入端通过PROFIBUS总线电缆与上位机连接，其输出端连接非线性反馈控制器NLSEF，非线性反馈控制器NLSEF的输出端连接执行器，其第一输入端接输入信号模块；
所述扩张状态发生器ESO的输入端连接温度变送器的输出端，扩张状态发生器ESO其中的2路输出端与非线性反馈控制器NLSEF连接，另1路输出端与过渡过程发生器TD的第二输入端连接；
所述过渡过程发生器TD用于接收上位机输入的温度给定信号，经设置于其内部的快速最优控制函数计算出温度给定信号的跟踪信号V1和微分信号V2；
所述扩张状态发生器ESO是自抗扰控制器的核心部分，一是用于接收温度变送器输送的温度实际值y，输出温度实际值y的跟踪信号z1和微分信号z2，与温度给定信号的跟踪信号V1和微分信号V2组合后形成跟踪误差信号e1和微分误差信号e2输入非线性反馈控制器NLSEF，二是接收被控制对象的控制信号u经补偿因子b0后的信号，输出系统总扰动的观测信号z3；
所述非线性反馈控制器NLSEF用于根据过渡过程发生器TD和扩张状态发生器ESO输入的跟踪误差信号e1和微分误差信号e2，通过快速最优控制函数计算出控制信号u0，并通过系统扰动补偿分量z3/b0对u0进行补偿，从而得到输送执行器的控制信号u。
所述上位机采用PC机，PC机内包括CP5611通信控制卡；所述自抗扰控制器其硬件采用西门子公司生产的S7－300PLC(其CPU为西门子315－2DP)，软件采用自抗扰控制算法程序。
所述执行器包括交流固态继电器，通过改变交流固态继电器之可控硅移相触发单元的导通角，从而改变电阻加热炉的工作电压，实现对喷涂烘干温度的控制。
本发明之一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统的控制过程：
（1）在上位机WINCC界面设置期望的温度值，通过输入信号模块启动系统，系统开始工作；
（2）通过Pt100温度传感器检测喷涂烘干过程电加热炉的温度，由温度变送器送至自抗扰控制器；
（3）在自抗扰控制器内部，经扩张状态发生器ESO对信号进行处理，并与经过过渡过程发生器TD处理的温度给定值和微分值进行非线性反馈组合，最后经过控制策略计算出控制结果；
（4）输出控制结果控制执行器即交流固态继电器的可控硅移相触发单元，改变可控硅的导通角，从而改变电阻加热炉两端的电压，实现对喷涂烘干温度的控制。
自抗扰控制器算法的实现方法及步骤如下：
生产线喷涂烘干过程温度控制是用STEP编程软件根据自抗扰控制算法进行编程并在PLC中运行来实现的，采用结构化编程方式，并通过上位机组态件WINCC实现实时监控；系统的主循环程序流程如图3所示，定时中断子程序如图4所示。
自抗扰温度控制算法如图5所示，其实现步骤如下：
第1步：初始化k时刻的TD、ESO和控制量，即：
k时刻温度给定值V的跟踪信号和微分信号：V1（k）、V2（k），
k时刻温度实际值y的跟踪信号、微分信号和系统总扰动的观测信号：z1（k）、z2（k）、z3（k），
k时刻的控制量：u（k）；
第2步：计算k+1时刻温度给定值V的跟踪信号和微分信号，即v1（k+1）、v2（k+1）；
第3步：采样k时刻温度实际值y（k）；
第4步：计算k+1时刻的温度实际值y的跟踪信号、微分信号和系统总扰动的观测信号，即z1（k+1）、z2（k+1）、z3（k+1）；
第5步：根据第2步、第4步的计算结果，计算k+1时刻的跟踪误差信号和微分误差信号，即e1（k+1）、e2（k+1）；
第6步：计算k+1时刻控制量，即u0（k+1）；
第7步：计算扰动补偿b0；
第8步：根据扰动补偿和第6步的计算结果，计算k+1时刻经扰动补偿后的控制量u（k+1）；
第9步：更新采样时间，即k=k+1。
自抗扰控制器的算法及数据处理过程：首先判定给定温度值是否改变，如果改变则重新计算过渡过程时间，否则沿用当前的过渡过程时间。然后计算非线反馈值，并输出相应的控制量，这个控制量实际上是要送到执行器件的信号。接下来读入温度值，计算扩张状态发生器ESO，从而完成一个周期的自抗扰运算，开始下一个周期的工作。
系统运行过程中，在上位机WINCC界面可以设置不同的温度期望值，可以通过画面实时监视系统的运行情况。
注：鲁棒性是指控制系统在一定(结构，大小)的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。
Claims (4)
1.一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，其特征在于：包括上位机（101）、自抗扰控制器（102）、输入信号模块（103）、执行器（104）、温度检测模块（105）和受控对象（106）；
所述自抗扰控制器的通信端口通过PROFIBUS总线电缆与上位机连接，自抗扰控制器的第一输入端连接输入信号模块，自抗扰控制器的第二输入端连接温度检测模块，自抗扰控制器的输出端连接执行器，执行器的控制端连接受控对象；
所述温度检测模块包括Pt100温度传感器（1052）和温度变送器（1051），Pt100温度传感器的热电偶置于受控对象的输出口，Pt100温度传感器采集的温度信息通过温度变送器输送自抗扰控制器；
所述上位机与自抗扰控制器为双向通信关系，其作用：一是给自抗扰控制器设定温度期望值，二是给控制系统发出启动、停止的控制命令，三是监视受控对象温度的变化情况和控制效果；
所述输入信号模块用于向控制系统输入启动、停止控制命令；
所述Pt100温度传感器用于检测受控对象的温度，并将温度物理量转换为温度电信号，再通过温度变送器将温度电信号转换为适合自抗扰控制器接收识别的标准电信号；
所述自抗扰控制器是控制系统的核心，用于接收来自上位机或输入信号模块输入的信号和控制命令，以及接收温度变送器送来的温度标准电信号，经过内部快速最优控制函数的运算处理，产生相应的控制策略形成理想的控制信号最后通过输出端口送至执行器，以调节受控对象的温度；
所述执行器通过改变受控对象的通电时间从而控制受控对象的温度；
所述受控对象为电阻加热炉，其温度随通电时间的改变而变化，通电时间越长，温度越高。
2.如权利要求1所述的一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，其特征在于：所述自抗扰控制器包括过渡过程发生器TD（1021）、扩张状态发生器ESO（1022）和非线性反馈控制器NLSEF（1023）；
所述过渡过程发生器TD的输入端通过PROFIBUS总线电缆与上位机连接，其输出端连接非线性反馈控制器NLSEF，非线性反馈控制器NLSEF的输出端连接执行器，其第一输入端接输入信号模块；
所述扩张状态发生器ESO的输入端连接温度变送器的输出端，扩张状态发生器ESO其中的2路输出端与非线性反馈控制器NLSEF连接，另1路输出端与过渡过程发生器TD的第二输入端连接；
所述过渡过程发生器TD用于接收上位机输入的温度给定信号，经设置于其内部的快速最优控制函数计算出温度给定信号的跟踪信号V1和微分信号V2；
所述扩张状态发生器ESO是自抗扰控制器的核心部分，一是用于接收温度变送器输送的温度实际值y，输出温度实际值y的跟踪信号z1和微分信号z2，与温度给定信号的跟踪信号V1和微分信号V2组合后形成跟踪误差信号e1和微分误差信号e2输入非线性反馈控制器NLSEF，二是接收被控制对象的控制信号u经补偿因子b0后的信号，输出系统总扰动的观测信号z3；
所述非线性反馈控制器NLSEF用于根据过渡过程发生器TD和扩张状态发生器ESO输入的跟踪误差信号e1和微分误差信号e2，通过快速最优控制函数计算出控制信号u0，并通过系统扰动补偿分量z3/b0对u0进行补偿，从而得到输送执行器的控制信号u。
3.如权利要求1或2所述的一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，其特征在于：所述上位机采用PC机，PC机内包括CP5611通信控制卡；所述自抗扰控制器其硬件采用西门子公司生产的S7－300PLC，软件采用自抗扰控制算法程序。
4.如权利要求3所述的一种自动化生产线喷涂烘干过程自抗扰温度控制系统，其特征在于：所述执行器包括交流固态继电器，通过改变交流固态继电器之可控硅移相触发单元的导通角，从而改变电阻加热炉的工作电压，实现对喷涂烘干温度的控制。
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