專利名稱：一種應(yīng)用于錐型雙螺桿擠出機(jī)溫度控制的卡爾曼濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)控制領(lǐng)域中擠出機(jī)械溫度控制過(guò)程中應(yīng)用功能研究，提供針對(duì)錐型雙螺桿擠出機(jī)械載荷變化引起的溫度波動(dòng)，在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制方法，將傳統(tǒng)PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合在一起，提出了一種基于卡爾曼濾波的參數(shù)自整定模糊PID控制器，該控制器將傳統(tǒng)的PID控制算法和模糊控制算法相結(jié)合，通過(guò)多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測(cè)量噪聲和過(guò)程噪聲對(duì)控制的影響，采用卡爾曼濾波對(duì)噪聲進(jìn)行濾波處理，以提高控制精度，該發(fā)明具有更好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能較好的提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
背景技術(shù)：
螺桿基本結(jié)構(gòu)形式錐形雙螺桿擠出機(jī)自六十年代問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)近三十年，其螺桿基本結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。錐形雙螺桿可以有效地提高螺桿塑化能力和擠出機(jī)擠出產(chǎn)量，進(jìn)而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的，；錐型雙螺桿擠出機(jī)如

圖1所示，由于喂料特性好，適用于粉料加工，且比單螺桿擠出機(jī)有更好的混煉、排氣、反應(yīng)和自潔功能，特點(diǎn)是加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料時(shí)更顯示出其優(yōu)越性。錐型雙螺桿擠出機(jī)螺桿運(yùn)動(dòng)示意如圖2所示，兩根錐形螺桿在螺筒中互相嚙合、異向旋轉(zhuǎn)，一根螺桿的螺棱頂部與另一根螺桿的螺棱根部有合理的間隙。由于異向旋轉(zhuǎn)，一根螺桿上物料螺旋前進(jìn)的道路被另一根螺桿堵死，物料只能在螺紋的推動(dòng)下通過(guò)物料各部分間隙軸向前進(jìn)。當(dāng)物料通過(guò)兩根螺桿之間的徑向間隙時(shí)，所受的攪拌和剪切十分強(qiáng)烈，所以塑化均勻，特別適宜加工PVC塑料。錐形雙螺桿的壓縮比不但由螺槽從深到淺而形成，同時(shí)也由螺桿外徑從大到小而形成，因此壓縮比相當(dāng)大。所以物料在螺筒中塑化得更均勻、更充分，保證了制品的質(zhì)量。在此前提下，可以提高轉(zhuǎn)速，從而提高擠出量。錐形雙螺桿的螺桿特性曲線比較硬，比較易于調(diào)整沿料筒軸向溫度曲線的形狀，以適應(yīng)加工溫度范圍較窄的塑料需要。卡爾曼濾波器是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。對(duì)于解決很大部分的問(wèn)題，他是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的。他的廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)30年，包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等等。近年來(lái)更被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理，例如頭臉識(shí)別，圖像分割，圖像邊緣檢測(cè)等等。濾波器實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，測(cè)量噪聲協(xié)方差R—般可以觀測(cè)得到，是濾波器的已知條件?？柭鼮V波是基于狀態(tài)空間方法的一套遞推濾波算法，在狀態(tài)空間方法中，引入了狀態(tài)變量的概念。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)選取合適的狀態(tài)變量來(lái)體現(xiàn)系統(tǒng)的特征、特點(diǎn)和狀況的變化?？柭鼮V波的模型包括狀態(tài)空間模型和觀測(cè)模型。狀態(tài)模型是反映狀態(tài)變化規(guī)律的模型，通過(guò)狀態(tài)方程來(lái)描寫相鄰時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移變化規(guī)律；觀測(cè)模型反映了實(shí)際觀測(cè)量與狀態(tài)變量之間的關(guān)系。Kalman濾波問(wèn)題就是聯(lián)合觀測(cè)信息及狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律來(lái)得到系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。為了更形象地說(shuō)明卡爾曼濾波的原理，下面給出卡爾曼濾波的系統(tǒng)模型框圖如圖3所示。
假設(shè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為X(t+1) = φχα) + πα)Y (t) = HX (t) +V (t)其中，X(t)系統(tǒng)在時(shí)刻t的狀態(tài)Y(t)對(duì)狀態(tài)的觀測(cè)值W(t)系統(tǒng)噪聲，方差陣為QV(t)觀測(cè)噪聲，方差陣為RΦ狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣H觀測(cè)矩陣Γ系統(tǒng)噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣卡爾曼濾波的計(jì)算流程為計(jì)算狀態(tài)估計(jì)值X{t + \\t + \) = X{t + \\t) + K(t + \)ε( +1)計(jì)算狀態(tài)一步預(yù)測(cè)

Χ{ + \\ ) = ΦΧ^\ )計(jì)算新息s(t + \) = Y(t + l)-HX(t + l\t)計(jì)算卡爾曼濾波增益K (t+Ι) = P (t+111) Ht [HP (t+111) HT+R]計(jì)算一步預(yù)測(cè)均方誤差P (t+1 11) = ΦΡ( | ) Φτ+Γ0Γτ計(jì)算一步預(yù)測(cè)估計(jì)均方誤差P (t+111+1) = [In-K (t+1) H] P (t+111)卡爾曼濾波作為一種數(shù)值估計(jì)優(yōu)化方法，與應(yīng)用領(lǐng)域的背景結(jié)合性很強(qiáng)。從錐形雙螺桿擠出機(jī)發(fā)展來(lái)看，盡管近年來(lái)錐形雙螺桿擠出機(jī)已較為完善，但隨著高分子材料和塑料制品不斷的發(fā)展，錐形雙螺桿擠出機(jī)向著高速、高效、專用化方向發(fā)展。傳統(tǒng)PID溫度控制在錐型雙螺桿擠出機(jī)械載荷變化的情況下的會(huì)造成溫度波動(dòng)引起的廢品率升高，降低錐型雙螺桿擠出機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的解決針對(duì)錐型雙螺桿擠出機(jī)械載荷變化的溫度波動(dòng)，在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制方法，通過(guò)對(duì)被傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行形式化描述，建立起精確的數(shù)學(xué)模型，再?gòu)倪@個(gè)模型出發(fā)，進(jìn)行卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。將傳統(tǒng)PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合在一起，提出了一種基于卡爾曼濾波的參數(shù)自整定模糊PID控制器，該控制器將傳統(tǒng)的PID控制算法和模糊控制算法相結(jié)合，通過(guò)多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測(cè)量噪聲和過(guò)程噪聲對(duì)控制的影響，采用卡爾曼濾波對(duì)噪聲進(jìn)行濾波處理，以提高控制精度，該發(fā)明具有更好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能較好的提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在PID溫度控制中采用卡爾曼濾波算法的系統(tǒng)框圖如圖4所示，由于卡爾曼濾波器是最優(yōu)的信息處理器，在被控制對(duì)象輸出值后附加卡爾曼濾波器，通過(guò)該濾波器將系統(tǒng)的測(cè)量噪聲和控制干擾進(jìn)行消減，消減過(guò)程主要體現(xiàn)在經(jīng)過(guò)濾波后的輸出值經(jīng)過(guò)反饋又回到了系統(tǒng)中，從而使得系統(tǒng)的性能得到提升，防止錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度波動(dòng)。應(yīng)用于錐型雙螺桿擠出機(jī)的PID控制和卡爾曼濾波方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示，，其控制過(guò)程一個(gè)離散控制過(guò)程的系統(tǒng)，利用錐型雙螺桿擠出機(jī)的過(guò)程模型來(lái)預(yù)測(cè)下一狀態(tài)的系統(tǒng)，根據(jù)錐型雙螺桿擠出機(jī)的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預(yù)測(cè)出現(xiàn)在狀態(tài)是利用上一狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果，再收集現(xiàn)在狀態(tài)的測(cè)量值，結(jié)合預(yù)測(cè)值和測(cè)量值，可以得到現(xiàn)在狀態(tài)的PID參數(shù)最優(yōu)化估算值。PID溫度控制中采用卡爾曼濾波是從獲得的溫度測(cè)量信息中盡可能的濾除干擾，分離所需要的真實(shí)信號(hào)。已知測(cè)量向量PID控制器參數(shù)序列Y1，Y2，···.，，如何求得向量Xk的估計(jì)。由于燥聲的干擾，不可能精確算得狀態(tài)向量Xk的真值，而只能在一定的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則下作出最優(yōu)估計(jì)，kalman濾波采用的是最小均方誤差估計(jì)原則記Y(k) = (Ylt, Y2t, ...，Ykt)t希望由Y(k)對(duì)j時(shí)刻的狀態(tài)Xj進(jìn)行估計(jì)。記估計(jì)量和估計(jì)誤差分別是Xj , k，xj I k記估計(jì)的均方誤差陣Pj IkXj I k =Xj-Xj I kpj I k=E (Xj |k，Xj I k t)最小均方誤差估計(jì)就是指Pj I k為最小值，即xj I Xk線形最小方差估計(jì)。離散線性kalman濾波的表達(dá)式Xk = Z*Xk-l+G*Wk_lYk = Hk*Xk+Vk其中，動(dòng)態(tài)噪聲{Wk}與測(cè)量噪聲{Vk}是互不相關(guān)的O均值白噪聲系列，即對(duì)所有的k，j，系統(tǒng)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性為
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于錐型雙螺桿擠出機(jī)溫度控制的卡爾曼濾波方法，其特征在于，該方法包括在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制方法，針對(duì)錐型雙螺桿擠出機(jī)負(fù)荷變化引起的溫度波動(dòng)，將傳統(tǒng)PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合在一起，提出了一種基于卡爾曼濾波的參數(shù)自整定模糊PID控制器，該控制器將傳統(tǒng)的PID控制算法和模糊控制算法相結(jié)合，通過(guò)多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測(cè)量噪聲和過(guò)程噪聲對(duì)控制的影響，采用卡爾曼濾波對(duì)噪聲進(jìn)行濾波處理，以提高控制精度，該發(fā)明具有更好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能較好的提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在PID溫度控制中采用卡爾曼濾波算法，由于卡爾曼濾波器是最優(yōu)的信息處理器，在被控制對(duì)象輸出值后附加卡爾曼濾波器，通過(guò)該濾波器將系統(tǒng)的測(cè)量噪聲和控制干擾進(jìn)行消減，消減過(guò)程主要體現(xiàn)在經(jīng)過(guò)濾波后的輸出值經(jīng)過(guò)反饋又回到了系統(tǒng)中，從而使得系統(tǒng)的性能得到提升，防止錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度波動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于應(yīng)用于錐型雙螺桿擠出機(jī)的PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合，其控制過(guò)程一個(gè)離散控制過(guò)程的系統(tǒng)，利用錐型雙螺桿擠出機(jī)的過(guò)程模型來(lái)預(yù)測(cè)下一狀態(tài)的系統(tǒng)，根據(jù)錐型雙螺桿擠出機(jī)的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預(yù)測(cè)出現(xiàn)在狀態(tài)是利用上一狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果，再收集現(xiàn)在狀態(tài)的測(cè)量值，結(jié)合預(yù)測(cè)值和測(cè)量值，可以得到現(xiàn)在狀態(tài)的PID參數(shù)最優(yōu)化估算值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于錐型雙螺桿擠出機(jī)溫度控制的卡爾曼濾波方法。在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制方法，針對(duì)錐型雙螺桿擠出機(jī)負(fù)荷變化引起的溫度波動(dòng)，將傳統(tǒng)PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合在一起，通過(guò)多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測(cè)量噪聲和過(guò)程噪聲對(duì)控制的影響，采用卡爾曼濾波對(duì)噪聲進(jìn)行濾波處理，在被控制對(duì)象輸出值后附加卡爾曼濾波器，通過(guò)該濾波器將系統(tǒng)的測(cè)量噪聲和控制干擾進(jìn)行消減，消減過(guò)程主要體現(xiàn)在經(jīng)過(guò)濾波后的輸出值經(jīng)過(guò)反饋又回到了系統(tǒng)中能較好的提高錐型雙螺桿擠出機(jī)械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103064287SQ201210454988
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者張軍明, 李強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東交通職業(yè)學(xué)院