周長(zhǎng)劍 孟榮愛(ài) 王正順

(1.山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南，250353;2.山東輕工業(yè)學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東濟(jì)南，250353)

紙機(jī)電磁烘缸的模糊控制

周長(zhǎng)劍1孟榮愛(ài)2王正順1

(1.山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南，250353;2.山東輕工業(yè)學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東濟(jì)南，250353)

電磁烘缸應(yīng)用于紙張干燥，是一種全新的干燥技術(shù)。針對(duì)其溫度控制具有非線性、時(shí)滯性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電磁烘缸模糊控制系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法作了較詳細(xì)的介紹。仿真實(shí)驗(yàn)表明，電磁烘缸模糊控制器控制精度高、穩(wěn)態(tài)性能好。

電磁烘缸;模糊控制;溫度控制;PID

電磁烘缸替代傳統(tǒng)蒸汽烘缸應(yīng)用于紙張的干燥，在它的運(yùn)行控制過(guò)程中，最為重要就是溫度控制。烘缸溫度是否穩(wěn)定是造紙生產(chǎn)的重要指標(biāo)之一，直接關(guān)系到紙張的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。合理地控制烘缸溫度，能顯著縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低能耗［1］。本課題采用模糊控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了電磁烘缸模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加熱線圈模糊控制器分布式控制。在Matlab的Simulink環(huán)境中建立電磁烘缸溫度模糊控制系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證模糊控制器的控制效果。

1 電磁烘缸的加熱原理

電磁烘缸加熱主電路主要由L-C振蕩電路、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)構(gòu)成，如圖1所示。其加熱原理是:電網(wǎng)電壓 (220 V、50 Hz)經(jīng)整流、濾波后得到直流電壓U(圖1中將這部分省略直接給出U)并把其加到諧振電路和功率開關(guān)管IGBT的兩端。IGBT在智能控制器產(chǎn)生的PWM脈沖信號(hào)的作用下處于“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”的工作狀態(tài)中，進(jìn)而產(chǎn)生高頻電流。

圖1 加熱主電路簡(jiǎn)化圖

本課題采用的是內(nèi)置式電磁烘缸。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動(dòng)臂帶動(dòng)烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)，磁通發(fā)生器靠近缸壁，磁通發(fā)生器產(chǎn)生的磁力線就會(huì)穿過(guò)烘缸壁。由于磁通發(fā)生器產(chǎn)生高頻變化的磁場(chǎng)，因而烘缸壁內(nèi)各點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)的磁通量不斷發(fā)生變化，從而在烘缸壁內(nèi)產(chǎn)生渦流，由于缸壁本身有電阻因而使缸壁發(fā)熱，發(fā)熱的烘缸殼體即可用來(lái)進(jìn)行紙張的干燥［2-3］。

2 電磁烘缸溫度控制方法

2.1 紙機(jī)用電磁烘缸的控制要求

正常使用時(shí)，電磁烘缸的使用過(guò)程如下:

(1)首先，開啟電磁烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)動(dòng)速度，帶動(dòng)整個(gè)走紙系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。

(2)開啟進(jìn)風(fēng)、抽風(fēng)電機(jī)，使整個(gè)排濕循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行。

(3)開啟電磁烘缸加熱，使烘缸溫度盡快升高到生產(chǎn)溫度。開啟烘箱，使烘箱溫度也達(dá)到要求溫度。

(4)進(jìn)紙開始生產(chǎn)。抬起烘缸罩，停止加熱，引紙，并將紙張卷到收卷輥上。

(5)放下烘缸罩繼續(xù)加熱，電磁烘缸都自動(dòng)控制在設(shè)定溫度，直到生產(chǎn)結(jié)束。

從上面的操作步驟可以看出，在剛開始啟動(dòng)時(shí)，為了讓冷缸盡快達(dá)到生產(chǎn)溫度，一般開大功率，盡量縮短開始生產(chǎn)時(shí)間。引紙時(shí)，烘缸罩要抬起來(lái)，這時(shí)候應(yīng)該停止加熱。正常生產(chǎn)時(shí)，需要保持在恒定溫度下，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。溫度控制得越穩(wěn)定，成品紙的質(zhì)量就越好。系統(tǒng)控制中還應(yīng)該考慮好手動(dòng)自動(dòng)切換。另外，根據(jù)不同的原料、紙種等，生產(chǎn)時(shí)采用不同的工藝參數(shù)，要求自動(dòng)控制時(shí)烘箱和烘缸內(nèi)保持的溫度、烘缸走紙的速度等也不同［4］。

2.2 控制方法

紙張干燥過(guò)程中，烘缸表面的溫度對(duì)穩(wěn)定抄造和提高紙張質(zhì)量都起到重要作用。對(duì)烘缸實(shí)施準(zhǔn)確的溫度檢測(cè)與控制，是決定紙張質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)的造紙企業(yè)大多仍采用人工操作，手動(dòng)控制，即使構(gòu)成閉環(huán)，也大都采用傳統(tǒng)的PID控制模式，對(duì)對(duì)象的適應(yīng)性差，控制精度低，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且往往造成能源浪費(fèi)。模糊控制是一種智能控制方法，不需要建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，控制對(duì)象的更快反應(yīng)速度和更小復(fù)飛，不敏感工藝參數(shù)的變化，具有較強(qiáng)的魯棒性［5-6］。針對(duì)電磁烘缸溫控特點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)典PID控制和模糊控制，選擇了模糊自適應(yīng)PID控制策略，應(yīng)用于電磁烘缸控制系統(tǒng)。

3 模糊控制實(shí)現(xiàn)

3.1 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)PID控制器是一種在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論，根據(jù)控制偏差、偏差變化率在線自動(dòng)調(diào)整比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的模糊控制器［7-8］。模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。此處的模糊控制器由常規(guī)PID和模糊推理控制兩部分組成，采用二輸入三輸出的形式，以溫度偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，ΔKp、ΔKi、ΔKd作為模糊控制器的輸出。

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器原理圖

模糊自適應(yīng)PID控制器PID參數(shù)自調(diào)整的實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID的3個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷檢測(cè)偏差e和偏差變化率ec，再根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自調(diào)整PID參數(shù)按公式 (1)、(2)、(3)計(jì)算。

式中:Kp'、Ki'、Kd'為 PID參數(shù)的初始值;ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出;Kp、Ki、Kd為最終輸出的控制參數(shù)。

3.2 模糊化設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)將采樣得到的溫度信號(hào)與系統(tǒng)的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)的輸入語(yǔ)言變量溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出語(yǔ)言變量為PID的調(diào)節(jié)參數(shù)的變化Kp、Ki、Kd。設(shè)輸入輸出變量均選用三角形隸屬函數(shù)曲線，論域?yàn)?［－6，6］，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，分別對(duì)應(yīng) {NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。輸入輸出變量的隸屬函數(shù)曲線分別如圖3中所示。

圖3 輸入、輸出的隸屬函數(shù)曲線

3.3 控制規(guī)則

一般情況下，在不同的e和ec下，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)Kp，Ki，Kd的整定要求可歸納如下:

(1)當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0。

(2)當(dāng)e處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取得小些，在這種情況下，Ki和Kd的取值

要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，其中Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大。

(3)當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp和Ki應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)e較小時(shí)，Kd值可取得大些，通常取中等大小。

對(duì)于模糊自適應(yīng)PID的參數(shù)整定，可根據(jù)語(yǔ)言變量偏差e及偏差的變化ec，應(yīng)用模糊邏輯推理，總結(jié)出一套Kp、Ki和Kd的模糊邏輯整定模型［9］。見(jiàn)表1～表3。

表1 Kp的模糊控制規(guī)則

表2 Ki的模糊控制規(guī)則

圖4 系統(tǒng)仿真模型

表3 Kd的模糊控制規(guī)則

4 電磁烘缸模糊控制系統(tǒng)仿真

考慮到以電磁烘缸為控制對(duì)象，在系統(tǒng)仿真時(shí)，選擇其傳遞函數(shù)為:

組建出模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖4所示。

取量化因子 Ke=0.3、Kec=0.1，取 Kp、Ki、Kd的比例因子分別為K1=0.8、K2=0.005、K3=25，令PID參數(shù)的初始值、Kp'=300、Ki'=0.3，Kd'=280，仿真時(shí)間設(shè)為40 s，加單位階躍信號(hào)，并在第10 s加5.0(500%)的干擾，最終得到的常規(guī)PID與模糊自適應(yīng)PID響應(yīng)曲線分別如圖5和圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

由系統(tǒng)運(yùn)行曲線可以得出，電磁烘缸控制系統(tǒng)采用的模糊自適應(yīng)PID控制的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)PID控制，具有響應(yīng)快，超調(diào)小，過(guò)渡時(shí)間短的特點(diǎn)。顯示出了良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，且抗干擾能力較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁烘缸溫度的有效控制。

［1］ 張開生，李強(qiáng)華，張攀峰．紙機(jī)烘缸溫度的仿人智能控制方法研究［J］．中國(guó)造紙，2007，26(3):36．

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［3］ 張 偉，麻紅昭，張 華．基于IGBT中頻感應(yīng)加熱造紙烘缸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．輕工機(jī)械，2006(4):11．

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［5］ 李虎山，蔣亞軍．可調(diào)參數(shù)模糊PID控制的實(shí)現(xiàn)［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2005(4):58．

［6］ 謝仕宏，姜麗波，劉國(guó)棟．模糊自適應(yīng)PID控制算法在紙機(jī)烘缸蒸汽系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2007(1):33．

［7］ 曾光奇，胡均安，王 東．模糊控制工程與工程應(yīng)用［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2003．

［8］ TANAKAK，SUGENOM．Stability analysis and design of fuzy control systems［J］．Fuzzy Sets and System，1992，45(2):135．

［9］ Ranganathan R S，Malki H A，Chen G．Fuzzy predictive PID control for processes with large time delays［J］．IEEE Trans on Expert Systems，2002，2(1):21．

Fuzzy Control for Paper Machine Electromagnetic Dryer

ZHOU Chang-jian1，*MENG Rong-ai2WANG Zheng-shun1(1．Key Lab of Paper Science and Technology of Ministry of Education，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong Province，250353;2．School of Electrical and Automation，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong Province，250353)

Electromagnetic dryer used for paper drying is a new drying technology．In view of its temperature control with problems of nonlinear and time lay，a fuzzy control system of the electromagnetic dryer is designed，the design method of fuzzy controller is introduced in detail．Simulation experiments show that the fuzzy controller of electromagnetic dryer has high control precision and good steady-state performance．

electromagnetic dryer;fuzzy control;temperature control method;PID

TS734

B

0254-508X(2011)11-0047-04

周長(zhǎng)劍先生，在讀碩士研究生;研究方向:制漿造紙?jiān)O(shè)備與控制、工業(yè)控制。

(*E-mail:tianmajian@163．com)

2011-05-30

(責(zé)任編輯:馬 忻)