一種自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的自抗擾溫度控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，特別涉及一種適用于自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的自抗擾溫度控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在汽車、冶金、化工等生產(chǎn)線噴涂烘干過程中，工件涂裝過程需要經(jīng)過脫脂、水洗、磷化、水分烘干、底漆噴涂、底漆烘干、面漆噴涂、面漆烘干等工序，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)約生產(chǎn)成本，噴涂烘干過程對溫度控制要求非常高，一般要求溫度控制精度至少小于+5°C，最好控制在+2°C以內(nèi)；自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的溫度控制普遍存在大時滯現(xiàn)象，經(jīng)常要求將具有較大時滯的溫控裝置控制在設(shè)定溫度值附近，存在的問題是:
1.對大時滯的受控對象而言，最大特點是當前施加的控制作用要經(jīng)過一段時間的延時才能反映到輸出端，因此輸出不能及時反映系統(tǒng)內(nèi)部的變化，滯后性質(zhì)的存在，使得開環(huán)系統(tǒng)相位滯后增大，幅值裕度和相位裕度減小，結(jié)果使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、動態(tài)性能下降，直接影響控制性能；
2.另外，溫度控制對象的參數(shù)一般會發(fā)生幅度較大的變化，所有這些變化都會改變對象模型的參數(shù)，這種隨機產(chǎn)生和不可準確預(yù)計的變化，無疑增加了溫度控制的難度;不確定大時滯對象己成為自動控制領(lǐng)域和計算機應(yīng)用領(lǐng)域的一大難題；
3.目前，我國自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的溫度控制系統(tǒng)仍然以傳統(tǒng)的PID控制器為主，傳統(tǒng)的PID控制器對于一般的溫度控制系統(tǒng)能取得比較滿意的控制效果，但由于噴涂烘干過程的溫控系統(tǒng)為非線性、大滯后系統(tǒng)，其控制輸入和輸出間存在著非線性的不確定關(guān)系，大滯后還可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，在外界干擾或在控制對象參數(shù)發(fā)生變化時，常規(guī)線性PID控制器的控制效果會變差，從而無法獲得令人滿意的控制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中PID控制器因溫度控制存在非線性、大滯后等特性而難以獲得令人滿意的控制效果問題，設(shè)計一種基于自抗擾控制器的生產(chǎn)線噴涂烘干過程溫度控制系統(tǒng)基于自抗擾控制器的溫度控制系統(tǒng)，以提高自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的溫度控制精度、魯棒性和穩(wěn)定性。
[0004]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程自抗擾溫度控制系統(tǒng)，包括上位機、自抗擾控制器、輸入信號模塊、執(zhí)行器、溫度檢測模塊和受控對象；
所述自抗擾控制器的通信端口通過PROFIBUS總線電纜與上位機連接，自抗擾控制器的第一輸入端連接輸入信號模塊，自抗擾控制器的第二輸入端連接溫度檢測模塊，自抗擾控制器的輸出端連接執(zhí)行器，執(zhí)行器的控制端連接受控對象；
所述溫度檢測模塊包括PtlOO溫度傳感器和溫度變送器，PtlOO溫度傳感器的熱電偶置于受控對象的輸出口，Ptl00溫度傳感器采集的溫度信息通過溫度變送器輸送自抗擾控制器； 所述上位機與自抗擾控制器為雙向通信關(guān)系，其作用:一是給自抗擾控制器設(shè)定溫度期望值，二是給控制系統(tǒng)發(fā)出啟動、停止的控制命令，三是監(jiān)視受控對象溫度的變化情況和控制效果；
所述輸入信號模塊用于向控制系統(tǒng)輸入啟動、停止控制命令；
所述PtlOO溫度傳感器用于檢測受控對象的溫度，并將溫度物理量轉(zhuǎn)換為溫度電信號，再通過溫度變送器將溫度電信號轉(zhuǎn)換為適合自抗擾控制器接收識別的標準電信號；
所述自抗擾控制器是控制系統(tǒng)的核心，用于接收來自上位機或輸入信號模塊輸入的信號和控制命令，以及接收溫度變送器送來的溫度標準電信號，經(jīng)過內(nèi)部快速最優(yōu)控制函數(shù)的運算處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制策略形成理想的控制信號最后通過輸出端口送至執(zhí)行器，以調(diào)節(jié)受控對象的溫度；
所述執(zhí)行器通過改變受控對象的通電時間從而控制受控對象的溫度；
所述受控對象為電阻加熱爐，其溫度隨通電時間的改變而變化，通電時間越長，溫度越尚O
[0005]其進一步的技術(shù)方案是:所述自抗擾控制器包括過渡過程發(fā)生TD、擴張狀態(tài)發(fā)生器ESO和非線性反饋控制器NLSEF;
所述過渡過程發(fā)生器TD的輸入端通過PROFIBUS總線電纜與上位機連接，其輸出端連接非線性反饋控制器NLSEF，非線性反饋控制器NLSEF的輸出端連接執(zhí)行器，其第一輸入端接輸入信號模塊；
所述擴張狀態(tài)發(fā)生器ESO的輸入端連接溫度變送器的輸出端，擴張狀態(tài)發(fā)生器ESO其中的2路輸出端與非線性反饋控制器NLSEF連接，另I路輸出端與過渡過程發(fā)生器TD的第二輸入端連接；
所述過渡過程發(fā)生器TD用于接收上位機輸入的溫度給定信號，經(jīng)設(shè)置于其內(nèi)部的快速最優(yōu)控制函數(shù)計算出溫度給定信號的跟蹤信號Vl和微分信號V2;
所述擴張狀態(tài)發(fā)生器ESO是自抗擾控制器的核心部分，一是用于接收溫度變送器輸送的溫度實際值y，輸出溫度實際值y的跟蹤信號zl和微分信號z2，與溫度給定信號的跟蹤信號Vl和微分信號V2組合后形成跟蹤誤差信號el和微分誤差信號e2輸入非線性反饋控制器NLSEF，二是接收被控制對象的控制信號u經(jīng)補償因子b0后的信號，輸出系統(tǒng)總擾動的觀測信號z3;
所述非線性反饋控制器NLSEF用于根據(jù)過渡過程發(fā)生器TD和擴張狀態(tài)發(fā)生器ESO輸入的跟蹤誤差信號el和微分誤差信號e2，通過快速最優(yōu)控制函數(shù)計算出控制信號u0，并通過系統(tǒng)擾動補償分量z3/b0對uO進行補償，從而得到輸送執(zhí)行器的控制信號U。
[0006]更進一步:所述上位機采用PC機，PC機內(nèi)包括CP5611通信控制卡;所述自抗擾控制器其硬件采用西門子公司生產(chǎn)的S7 — 300 PLC，軟件采用自抗擾控制算法程序。
[0007]所述執(zhí)行器包括交流固態(tài)繼電器，通過改變交流固態(tài)繼電器之可控硅移相觸發(fā)單元的導(dǎo)通角，從而改變電阻加熱爐的工作電壓，實現(xiàn)對噴涂烘干溫度的控制。
[0008]由于采取上述技術(shù)方案，本發(fā)明之一種自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的自抗擾溫度控制系統(tǒng)具有如下有益效果:
1.本發(fā)明將自抗擾先進控制理論應(yīng)用于PLC控制系統(tǒng)，采用自抗擾技術(shù)設(shè)計控制器，以控制自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程的溫度，較好的解決了溫度的快速性與超調(diào)之間的矛盾，不依賴于被控制對象的數(shù)學(xué)模型，無需考慮系統(tǒng)的線性和非線性問題，相比傳統(tǒng)的PID控制器具有更好的魯棒性、更好的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性；
2.本發(fā)明不局限于實驗仿真設(shè)計，將自抗擾技術(shù)應(yīng)用于PLC系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)線噴涂烘干過程溫度控制，具有良好的工程應(yīng)用價值和潛在經(jīng)濟效益，對其它行業(yè)的過程優(yōu)化控制具有較好的推廣借鑒和應(yīng)用前景；
3.本發(fā)明所構(gòu)建的生產(chǎn)線噴涂烘干過程仿真試驗平臺也可以作為各高校、高職院校過程控制實驗平臺，也要為高校教師、科研人員提供良好的實驗平臺。
[0009]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明之一種自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程自抗擾溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)特征作進一步的說明。
【附圖說明】
[0010]圖1為自抗擾溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為自抗擾溫度控制器控制原理圖；
圖3為自抗擾溫度控制系統(tǒng)主循環(huán)程序流程圖；
圖4為自抗擾溫度控制系統(tǒng)定時中斷子程序流程圖；
圖5為自抗擾溫度控制器算法流程圖；
圖中:
101—上位機，102—自抗擾控制器，1021—過渡過程發(fā)生器TD，1022—擴張狀態(tài)發(fā)生器ESO，1023—非線性反饋控制器NLSEF，103—輸入信號模塊，104—執(zhí)行器，105—溫度檢測模塊，1051 —溫度變送器，1052—Pt 100溫度傳感器，106—受控對象。
【具體實施方式】
[0011 ] —種自動化生產(chǎn)線噴涂烘干過程自抗擾溫度控制系統(tǒng)，包括上位機101、自抗擾控制器102、輸入信號模塊103、執(zhí)行器104、溫度檢測模塊105和受控對象106;
所述自抗擾控制器的通信端口通過PR0FIBUS總線電纜與上位機連接，自抗擾控制器的第一輸入端連接輸入信號模塊，自抗擾控制器的第二輸入端連接溫度檢測模塊，自抗擾控制器的輸出端連接執(zhí)行器，執(zhí)行器的控制端連接受控對象；
所述溫度檢測模塊包括PtlOO溫度傳感器1052和溫度變送器1051，Ptl00溫度傳感器的熱電偶置于受控對象的輸出口，PtlOO溫度傳感器采集的溫度信息通過溫度變送器輸送自抗擾控制器；
所述上位機與自抗擾控制器為雙向通信關(guān)系，其作用:一是給自抗擾控制器設(shè)定溫度期望值，二是給控制系統(tǒng)發(fā)出啟動、停止的控制命令，三是監(jiān)視受控對象溫度的變化情況和控制效果；
所述輸入信號模塊用于向控制系統(tǒng)輸入啟動、停止控制命令；
所述PtlOO溫度傳感器用于檢測受控對象的溫度，并將溫度物理量轉(zhuǎn)換為溫度電信號，再通過溫度變送器將溫度電信號轉(zhuǎn)換為適合自抗擾控制器接收識別的標準電信號；
所述自抗擾控制器是控制系統(tǒng)的核心，用于接收來自上位機或輸入信號模塊輸入的信號和控制命令，以及接收溫度變送器送來的溫度標準電信號，經(jīng)過內(nèi)部快速最優(yōu)控制函數(shù)的運算處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制策略形成理想的控制信號最后通過輸出端口送至執(zhí)行器，以調(diào)節(jié)受控對象的溫度;所述執(zhí)行器通過改變受控對象的通電時間從而控制受控對象的溫度；
所述受控對象為電阻加熱爐，其溫度隨通電時間的改變而變化，通電時間越長，溫度越尚O
[0012]所述自抗擾控制器包括過渡過程發(fā)生器TD1021、擴張狀態(tài)發(fā)生器ES01022和非線性反饋控制器NLSEF1023;
所述過渡過程發(fā)生器TD的輸入端通過PR0FIBUS總線電纜與上位機連接，其輸出端連接非線性反饋控制器NLSEF，非線