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摘要：为了进一步提高水性上光机的效率，降低其能耗，进行水性上光机干燥系统的控制与仿真。对常规PID控制算法和模糊PID控制算法进行分析与比较，搭建Simulink下的模糊控制系统并且进行控制器的结构设计与仿真，比较常规PID与模糊PID两者的仿真曲线得出，使用模糊PID控制器的系统稳定性高于常规PID控制器，且稳态时间小于常規PID控制算法的稳态时间。模糊PID控制算法，可以解决超调量与快速性矛盾问题，优于常规PID控制算法，是水性上光机干燥系统的更好选择。
关键词：水性上光机；PID；模糊PID；MATLAB仿真
中图分类号：TS801.9 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 09-0030-04
基金项目：北京印刷学院基础研究重点项目（基于纳米碳的绿色印刷干燥设备关键技术研究Ea202003）
Control and Simulation of Drying System of Waterborne Coating Machine Based on Carbon Nano
JIN Lu， ZHANG Ming-ming， LI Jin-yao， LI Hai-chao
（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）
Abstract： In order to further improve the efficiency of the water-based glazing machine and reduce its energy consumption， the control and simulation of the drying system of the water-based glazing machine are carried out. The conventional PID control algorithm and the fuzzy PID control algorithm are analyzed and compared， the fuzzy control system under Simulink is built， and the controller structure design and simulation are carried out. The simulation curves of the conventional PID and the fuzzy PID are compared. The system stability of the fuzzy PID controller is higher than that of the conventional PID controller， and the steady-state time is less than that of the conventional PID control algorithm. Fuzzy PID control algorithm can solve the contradiction between overshoot and rapidity. It is better than conventional PID control algorithm and is a better choice for water-based coating machine drying system.
Key words： Waterborne coating machine； PID； fuzzy PID； MATLAB simulation
上光工艺是一种被广泛使用的印刷工艺，不仅可以增加印品表面平滑度，而且可以在印品表面形成一层保护膜，提升其防潮、耐磨及防腐性能[1]，从而起到保护印品表面的作用[2]。上光工艺的核心则是上光机干燥系统的设计[3]。实际水性上光机的干燥系统的控制采用人工控制的方式，这样的控制方式稳定性及快速性不佳，且难以满足碳纳米水性上光机干燥系统的环保节能要求[4]，因此需要研究相应的控制算法取代人工控制，且保证上光制品的生产稳定性。
1 干燥系统控制
以碳纳米为热源的绿色干燥系统应该包括：碳纳米热源的温度检测、显示干燥温度值、设定干燥温度、控制干燥温度以及与上位机通讯的功能。本文设计的基于碳纳米的绿色上光干燥系统的控制方框图如图1所示。
本文目的是设计以碳纳米为热源的绿色干燥系统，系统采用闭环控制方式。首先通过矩阵键盘设定干燥温度作为输入量，采用单片机STM32控制电路进行温度控制，控制信号控制继电器得电则被控对象碳纳米热源通电发热，利用热电偶温度传感器实时检测其温度值，将热电偶传感器检测到的温度值与矩阵键盘设定的温度值进行比较得到温度差值，然后通过AD转换器将温度差值的模拟量转换为数字量输入STM32，输出的电信号控制固态继电器，继而控制碳纳米热源的得电情况，最终直接影响干燥温度值。
2 干燥系统的控制算法设计
本文所设计的基于碳纳米的水性上光机干燥系统的被控对象为碳纳米加热源，加热源通电加热时的温度控制系统具有惯性大、非线性的特点。在实际的干燥过程中，干燥系统无法用精确的数学模型进行表示。为了方便设计控制算法，将干燥系统用理想的数学模型进行替代。
2.1 常规PID控制算法
常规PID（Proportion Integral Differential）控制算法[5]广泛应用于工业生产的各种场合，由比例P、积分I和微分D三部分共同控制系统达到稳态。PID控制器的结构原理如图2所示，控制器通过对误差信号进行比例、积分、微分的运算将其加权和输出控制执行机构进而作用到被控对象。本文中执行机构为固态继电器，被控对象为碳纳米热源。 PID控制器结构简单并且能适应多种系统，但是在实际生产过程中，被控对象具有非线性、强干扰性等问题导致控制器不好设置且性能差。基于碳纳米的水性上光机干燥系统是为了实现干燥温度的自动控制，因此对于控制精度与快速性有较高要求。
2.2 模糊PID控制算法
在实际的控制系统中，大多数为非线性系统，若对控制精度要求较高，那么参数整定环节有一定的难度，模糊PID控制算法就是为满足此需求而设计。模糊PID控制算法[6]是将常规PID控制算法和模糊控制理论相结合的一种控制算法，模糊控制是利用模糊规则对PID参数进行实时优化，在常规PID参数整定的基础上增加了实时性的优点。
模糊控制的核心就是模糊控制器，包括模糊化、模糊推理、清晰化以及语言规则四部分。如图3所示，通过输入与输出量求出误差以及误差变化率，将其模糊化之后进行模糊推理以及清晰化，输出PID整定参数。PID控制器的输出根据及的不断变化发生改变，最终将输入值与输出值进行不断比较与调整，将输出值稳定在期望的范围中。通过模糊PID的方式提高了控制系统的精度，修正了由于参数变化以及外界扰动所引起的误差。因此，可以通过模糊PID的控制方法来进行干燥系统的温度控制。
3 干燥系统控制仿真
3.1 搭建模糊控制系统
模糊PID控制器利用MATLAB中的Simulink仿真工具建模[7]，搭建Simulink下的模糊控制系统具体操作方法如下。
3.1.1 设计模糊控制器
在MATLAB命令窗口输入“fuzzy”，运行之后会出现FIS编辑器。确定模糊控制器的结构，即根据实际需求确定输入输出量。通过“Edit”菜单中“Add variables”实现。将系统设置成为两输入E、EC，三输出？KP、？KI、？KD，如图4-a所示。
3.1.2 选定模糊论域及隶属度函数
设置E的模糊论域为[-6，6]，EC的模糊论域为[-6，6]，？KP的模糊论域为[2，5]、？KI的模糊论域为[1，2]、？KD的模糊论域为[7，19]。所有模糊集的语言值均选用{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，然后設置隶属度函数为三角形，如图4-b所示。
3.1.3 制定模糊控制规则
可以制定49条模糊控制规则，所有的控制规则权重均为1，设置效果如图4-c所示。
3.1.4 通过“View”中“Rule”打开模糊规则观察器
其中可以更改的E与EC的数值，获得不同输入量的？KP、？KI、？KD输出量，如图4-d所示。此时，输入量E=2，EC=2，输出量？KP=3、？KI=1.67、？KD=13。
通过模糊规则观察器的“View”控制栏中的“Surface”可以观察模糊推理输入/输出关系曲面。本系统中输入为E与EC，输出量分别为？KP、？KI、？KD，两个输入量与三个输出量之间的曲面如图5-a、5-b、5-c所示。
3.2 控制器的结构设计及仿真
在MATLAB软件中进入Simulink Library Browser选取相应的元件，并设置元件参数。本文设计了常规PID控制器以及模糊控PID制器两种结构，通过两种控制器的控制效果对比，可以得出更优的控制方式，两种控制器仿真结构图如图6、7所示。
两种控制器的仿真结果如图8、9所示：
4 结论
1）根据PID控制仿真曲线与模糊PID控制仿真曲线的对比可以发现，常规PID的超调量大于模糊PID的超调量。因此，使用模糊PID控制器的系统稳定性高于常规PID控制器。
2）通过比较两者仿真曲线达到稳态的时间，可以发现模糊PID控制算法的稳态时间小于常规PID控制算法的稳态时间。
3）从模糊PID控制的仿真曲线可以发现，该控制方式可以消除稳态误差。因此，模糊PID控制算法，可以解决超调量与快速性矛盾问题，优于常规PID控制算法，是水性上光机干燥系统的更好选择。
参考文献：
[1]关淼.UV上光为印刷品锦上添花[J].今日印刷， 2005（08）：40-42.
[2]宋玉，王少兵.常见特殊上光工艺及表面精细整饰技术的工艺要点[J].印刷技术， 2018（07）：20-23.
[3]陈志刚.印刷用上光机传动结构改进方案[J].印刷技术， 2016（04）：55-56.
[4]刘沙，包能胜，陈少波，许鹏，戴福华.基于最优工艺参数的涂布机干燥箱自动控制系统的电控设计[J].包装工程， 2009， 30（06）：44-46.
[5]武彬.模糊自整定PID控制器的设计与开发[D].华北电力大学， 2015.
[6]张持健，王元航，方明星.高精度模糊PID控制器及其在温度控制中的应用[J].自动化仪表（7）：21-23.
[7]王海青，姬长英，刘同召，高峰，鲜洁宇.模糊自整定PID温度控制系统的建模与仿真[J].计算机工程， 2012， 38（07）：233-235+239.
关键词：水性上光机；PID；模糊PID；MATLAB仿真
中图分类号：TS801.9 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 09-0030-04
基金项目：北京印刷学院基础研究重点项目（基于纳米碳的绿色印刷干燥设备关键技术研究Ea202003）
Control and Simulation of Drying System of Waterborne Coating Machine Based on Carbon Nano
JIN Lu， ZHANG Ming-ming， LI Jin-yao， LI Hai-chao
（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）
Abstract： In order to further improve the efficiency of the water-based glazing machine and reduce its energy consumption， the control and simulation of the drying system of the water-based glazing machine are carried out. The conventional PID control algorithm and the fuzzy PID control algorithm are analyzed and compared， the fuzzy control system under Simulink is built， and the controller structure design and simulation are carried out. The simulation curves of the conventional PID and the fuzzy PID are compared. The system stability of the fuzzy PID controller is higher than that of the conventional PID controller， and the steady-state time is less than that of the conventional PID control algorithm. Fuzzy PID control algorithm can solve the contradiction between overshoot and rapidity. It is better than conventional PID control algorithm and is a better choice for water-based coating machine drying system.
Key words： Waterborne coating machine； PID； fuzzy PID； MATLAB simulation
上光工艺是一种被广泛使用的印刷工艺，不仅可以增加印品表面平滑度，而且可以在印品表面形成一层保护膜，提升其防潮、耐磨及防腐性能[1]，从而起到保护印品表面的作用[2]。上光工艺的核心则是上光机干燥系统的设计[3]。实际水性上光机的干燥系统的控制采用人工控制的方式，这样的控制方式稳定性及快速性不佳，且难以满足碳纳米水性上光机干燥系统的环保节能要求[4]，因此需要研究相应的控制算法取代人工控制，且保证上光制品的生产稳定性。
1 干燥系统控制
以碳纳米为热源的绿色干燥系统应该包括：碳纳米热源的温度检测、显示干燥温度值、设定干燥温度、控制干燥温度以及与上位机通讯的功能。本文设计的基于碳纳米的绿色上光干燥系统的控制方框图如图1所示。
本文目的是设计以碳纳米为热源的绿色干燥系统，系统采用闭环控制方式。首先通过矩阵键盘设定干燥温度作为输入量，采用单片机STM32控制电路进行温度控制，控制信号控制继电器得电则被控对象碳纳米热源通电发热，利用热电偶温度传感器实时检测其温度值，将热电偶传感器检测到的温度值与矩阵键盘设定的温度值进行比较得到温度差值，然后通过AD转换器将温度差值的模拟量转换为数字量输入STM32，输出的电信号控制固态继电器，继而控制碳纳米热源的得电情况，最终直接影响干燥温度值。
2 干燥系统的控制算法设计
本文所设计的基于碳纳米的水性上光机干燥系统的被控对象为碳纳米加热源，加热源通电加热时的温度控制系统具有惯性大、非线性的特点。在实际的干燥过程中，干燥系统无法用精确的数学模型进行表示。为了方便设计控制算法，将干燥系统用理想的数学模型进行替代。
2.1 常规PID控制算法
常规PID（Proportion Integral Differential）控制算法[5]广泛应用于工业生产的各种场合，由比例P、积分I和微分D三部分共同控制系统达到稳态。PID控制器的结构原理如图2所示，控制器通过对误差信号进行比例、积分、微分的运算将其加权和输出控制执行机构进而作用到被控对象。本文中执行机构为固态继电器，被控对象为碳纳米热源。 PID控制器结构简单并且能适应多种系统，但是在实际生产过程中，被控对象具有非线性、强干扰性等问题导致控制器不好设置且性能差。基于碳纳米的水性上光机干燥系统是为了实现干燥温度的自动控制，因此对于控制精度与快速性有较高要求。
2.2 模糊PID控制算法
在实际的控制系统中，大多数为非线性系统，若对控制精度要求较高，那么参数整定环节有一定的难度，模糊PID控制算法就是为满足此需求而设计。模糊PID控制算法[6]是将常规PID控制算法和模糊控制理论相结合的一种控制算法，模糊控制是利用模糊规则对PID参数进行实时优化，在常规PID参数整定的基础上增加了实时性的优点。
模糊控制的核心就是模糊控制器，包括模糊化、模糊推理、清晰化以及语言规则四部分。如图3所示，通过输入与输出量求出误差以及误差变化率，将其模糊化之后进行模糊推理以及清晰化，输出PID整定参数。PID控制器的输出根据及的不断变化发生改变，最终将输入值与输出值进行不断比较与调整，将输出值稳定在期望的范围中。通过模糊PID的方式提高了控制系统的精度，修正了由于参数变化以及外界扰动所引起的误差。因此，可以通过模糊PID的控制方法来进行干燥系统的温度控制。
3 干燥系统控制仿真
3.1 搭建模糊控制系统
模糊PID控制器利用MATLAB中的Simulink仿真工具建模[7]，搭建Simulink下的模糊控制系统具体操作方法如下。
3.1.1 设计模糊控制器
在MATLAB命令窗口输入“fuzzy”，运行之后会出现FIS编辑器。确定模糊控制器的结构，即根据实际需求确定输入输出量。通过“Edit”菜单中“Add variables”实现。将系统设置成为两输入E、EC，三输出？KP、？KI、？KD，如图4-a所示。
3.1.2 选定模糊论域及隶属度函数
设置E的模糊论域为[-6，6]，EC的模糊论域为[-6，6]，？KP的模糊论域为[2，5]、？KI的模糊论域为[1，2]、？KD的模糊论域为[7，19]。所有模糊集的语言值均选用{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，然后設置隶属度函数为三角形，如图4-b所示。
3.1.3 制定模糊控制规则
可以制定49条模糊控制规则，所有的控制规则权重均为1，设置效果如图4-c所示。
3.1.4 通过“View”中“Rule”打开模糊规则观察器
其中可以更改的E与EC的数值，获得不同输入量的？KP、？KI、？KD输出量，如图4-d所示。此时，输入量E=2，EC=2，输出量？KP=3、？KI=1.67、？KD=13。
通过模糊规则观察器的“View”控制栏中的“Surface”可以观察模糊推理输入/输出关系曲面。本系统中输入为E与EC，输出量分别为？KP、？KI、？KD，两个输入量与三个输出量之间的曲面如图5-a、5-b、5-c所示。
3.2 控制器的结构设计及仿真
在MATLAB软件中进入Simulink Library Browser选取相应的元件，并设置元件参数。本文设计了常规PID控制器以及模糊控PID制器两种结构，通过两种控制器的控制效果对比，可以得出更优的控制方式，两种控制器仿真结构图如图6、7所示。
两种控制器的仿真结果如图8、9所示：
4 结论
1）根据PID控制仿真曲线与模糊PID控制仿真曲线的对比可以发现，常规PID的超调量大于模糊PID的超调量。因此，使用模糊PID控制器的系统稳定性高于常规PID控制器。
2）通过比较两者仿真曲线达到稳态的时间，可以发现模糊PID控制算法的稳态时间小于常规PID控制算法的稳态时间。
3）从模糊PID控制的仿真曲线可以发现，该控制方式可以消除稳态误差。因此，模糊PID控制算法，可以解决超调量与快速性矛盾问题，优于常规PID控制算法，是水性上光机干燥系统的更好选择。
参考文献：
[1]关淼.UV上光为印刷品锦上添花[J].今日印刷， 2005（08）：40-42.
[2]宋玉，王少兵.常见特殊上光工艺及表面精细整饰技术的工艺要点[J].印刷技术， 2018（07）：20-23.
[3]陈志刚.印刷用上光机传动结构改进方案[J].印刷技术， 2016（04）：55-56.
[4]刘沙，包能胜，陈少波，许鹏，戴福华.基于最优工艺参数的涂布机干燥箱自动控制系统的电控设计[J].包装工程， 2009， 30（06）：44-46.
[5]武彬.模糊自整定PID控制器的设计与开发[D].华北电力大学， 2015.
[6]张持健，王元航，方明星.高精度模糊PID控制器及其在温度控制中的应用[J].自动化仪表（7）：21-23.
[7]王海青，姬长英，刘同召，高峰，鲜洁宇.模糊自整定PID温度控制系统的建模与仿真[J].计算机工程， 2012， 38（07）：233-235+239.