專利名稱：一種應用于錐型雙螺桿擠出機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)域中擠出機械溫度控制過程中應用功能研究，提供針對錐型雙螺桿擠出機械載荷變化引起的溫度波動，在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機械溫度控制方法，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，通過多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運算，實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測量噪聲和過程噪聲對控制的影響，采用卡爾曼濾波對噪聲進行濾波處理，以提高控制精度，該發(fā)明具有更好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能較好的提高錐型雙螺桿擠出機械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對系統(tǒng)的影響，提高錐型雙螺桿擠出機械的工作效率和產(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自六十年代問世以來已經(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擠出產(chǎn)量，進而達到提高生產(chǎn)效率的目的，；錐型雙螺桿擠出機如

圖1所示，由于喂料特性好，適用于粉料加工，且比單螺桿擠出機有更好的混煉、排氣、反應和自潔功能，特點是加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料時更顯示出其優(yōu)越性。錐型雙螺桿擠出機螺桿運動示意如圖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的道路被另一根螺桿堵死，物料只能在螺紋的推動下通過物料各部分間隙軸向前進。當物料通過兩根螺桿之間的徑向間隙時，所受的攪拌和剪切十分強烈，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，同時也由螺桿外徑從大到小而形成，因此壓縮比相當大。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，以適應加工溫度范圍較窄的塑料需要?？柭鼮V波器是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。對于解決很大部分的問題，他是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的。他的廣泛應用已經(jīng)超過30年，包括機器人導航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達系統(tǒng)以及導彈追蹤等等。近年來更被應用于計算機圖像處理，例如頭臉識別，圖像分割，圖像邊緣檢測等等。濾波器實際實現(xiàn)時，測量噪聲協(xié)方差R—般可以觀測得到，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。實際應用中，可以通過選取合適的狀態(tài)變量來體現(xiàn)系統(tǒng)的特征、特點和狀況的變化?？柭鼮V波的模型包括狀態(tài)空間模型和觀測模型。狀態(tài)模型是反映狀態(tài)變化規(guī)律的模型，通過狀態(tài)方程來描寫相鄰時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移變化規(guī)律；觀測模型反映了實際觀測量與狀態(tài)變量之間的關(guān)系。Kalman濾波問題就是聯(lián)合觀測信息及狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律來得到系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計。為了更形象地說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。
假設動態(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)在時刻t的狀態(tài)Y(t)對狀態(tài)的觀測值W(t)系統(tǒng)噪聲，方差陣為QV(t)觀測噪聲，方差陣為RΦ狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣H觀測矩陣Γ系統(tǒng)噪聲驅(qū)動矩陣卡爾曼濾波的計算流程為計算狀態(tài)估計值X{t + \\t + \) = X{t + \\t) + K(t + \)ε( +1)計算狀態(tài)一步預測

Χ{ + \\ ) = ΦΧ^\ )計算新息s(t + \) = Y(t + l)-HX(t + l\t)計算卡爾曼濾波增益K (t+Ι) = P (t+111) Ht [HP (t+111) HT+R]計算一步預測均方誤差P (t+1 11) = ΦΡ( | ) Φτ+Γ0Γτ計算一步預測估計均方誤差P (t+111+1) = [In-K (t+1) H] P (t+111)卡爾曼濾波作為一種數(shù)值估計優(yōu)化方法，與應用領(lǐng)域的背景結(jié)合性很強。從錐形雙螺桿擠出機發(fā)展來看，盡管近年來錐形雙螺桿擠出機已較為完善，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械載荷變化的情況下的會造成溫度波動引起的廢品率升高，降低錐型雙螺桿擠出機械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的解決針對錐型雙螺桿擠出機械載荷變化的溫度波動，在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機械溫度控制方法，通過對被傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機械系統(tǒng)進行形式化描述，建立起精確的數(shù)學模型，再從這個模型出發(fā)，進行卡爾曼濾波器的設計與實現(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，通過多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運算，實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測量噪聲和過程噪聲對控制的影響，采用卡爾曼濾波對噪聲進行濾波處理，以提高控制精度，該發(fā)明具有更好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能較好的提高錐型雙螺桿擠出機械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對系統(tǒng)的影響，提高錐型雙螺桿擠出機械的工作效率和產(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，在被控制對象輸出值后附加卡爾曼濾波器，通過該濾波器將系統(tǒng)的測量噪聲和控制干擾進行消減，消減過程主要體現(xiàn)在經(jīng)過濾波后的輸出值經(jīng)過反饋又回到了系統(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械溫度波動。應用于錐型雙螺桿擠出機的PID控制和卡爾曼濾波方法實現(xiàn)過程如圖5所示，，其控制過程一個離散控制過程的系統(tǒng)，利用錐型雙螺桿擠出機的過程模型來預測下一狀態(tài)的系統(tǒng)，根據(jù)錐型雙螺桿擠出機的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預測出現(xiàn)在狀態(tài)是利用上一狀態(tài)預測的結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)的預測結(jié)果，再收集現(xiàn)在狀態(tài)的測量值，結(jié)合預測值和測量值，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量信息中盡可能的濾除干擾，分離所需要的真實信號。已知測量向量PID控制器參數(shù)序列Y1，Y2，···.，，如何求得向量Xk的估計。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)計準則下作出最優(yōu)估計，kalman濾波采用的是最小均方誤差估計原則記Y(k) = (Ylt, Y2t, ...，Ykt)t希望由Y(k)對j時刻的狀態(tài)Xj進行估計。記估計量和估計誤差分別是Xj , k，xj I k記估計的均方誤差陣Pj IkXj I k =Xj-Xj I kpj I k=E (Xj |k，Xj I k t)最小均方誤差估計就是指Pj I k為最小值，即xj I Xk線形最小方差估計。離散線性kalman濾波的表達式Xk = Z*Xk-l+G*Wk_lYk = Hk*Xk+Vk其中，動態(tài)噪聲{Wk}與測量噪聲{Vk}是互不相關(guān)的O均值白噪聲系列，即對所有的k，j，系統(tǒng)噪聲的統(tǒng)計特性為
權(quán)利要求
1.一種應用于錐型雙螺桿擠出機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)錐型雙螺桿擠出機械溫度控制方法，針對錐型雙螺桿擠出機負荷變化引起的溫度波動，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，通過多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運算，實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測量噪聲和過程噪聲對控制的影響，采用卡爾曼濾波對噪聲進行濾波處理，以提高控制精度，該發(fā)明具有更好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能較好的提高錐型雙螺桿擠出機械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對系統(tǒng)的影響，提高錐型雙螺桿擠出機械的工作效率和產(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，在被控制對象輸出值后附加卡爾曼濾波器，通過該濾波器將系統(tǒng)的測量噪聲和控制干擾進行消減，消減過程主要體現(xiàn)在經(jīng)過濾波后的輸出值經(jīng)過反饋又回到了系統(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械溫度波動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于應用于錐型雙螺桿擠出機的PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合，其控制過程一個離散控制過程的系統(tǒng)，利用錐型雙螺桿擠出機的過程模型來預測下一狀態(tài)的系統(tǒng)，根據(jù)錐型雙螺桿擠出機的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預測出現(xiàn)在狀態(tài)是利用上一狀態(tài)預測的結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)的預測結(jié)果，再收集現(xiàn)在狀態(tài)的測量值，結(jié)合預測值和測量值，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)明提供一種應用于錐型雙螺桿擠出機溫度控制的卡爾曼濾波方法。在借鑒傳統(tǒng)錐型雙螺桿擠出機械溫度控制方法，針對錐型雙螺桿擠出機負荷變化引起的溫度波動，將傳統(tǒng)PID控制和卡爾曼濾波方法結(jié)合在一起，通過多溫度誤差及溫度誤差變化的模糊運算，實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，為了減弱測量噪聲和過程噪聲對控制的影響，采用卡爾曼濾波對噪聲進行濾波處理，在被控制對象輸出值后附加卡爾曼濾波器，通過該濾波器將系統(tǒng)的測量噪聲和控制干擾進行消減，消減過程主要體現(xiàn)在經(jīng)過濾波后的輸出值經(jīng)過反饋又回到了系統(tǒng)中能較好的提高錐型雙螺桿擠出機械溫度控制效果和抗干擾能力，減少干擾對系統(tǒng)的影響。
文檔編號G05B13/04GK103064287SQ201210454988
公開日2013年4月24日 申請日期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 申請人:山東交通職業(yè)學院