吳 勇，劉惠康，李 輝

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

電阻爐是工業(yè)生產(chǎn)中常用的電加熱設(shè)備，其爐溫控制是一個具有大慣性、純滯后等特點的非線性時變系統(tǒng)，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)控制方式難以實現(xiàn)加熱工藝要求的穩(wěn)定、準確、快速的調(diào)節(jié)[1]。本系統(tǒng)由PLC進行核心控制，根據(jù)控制目標的狀態(tài)變化采用智能控制算法，運行中調(diào)整PWM的輸出周期和占空比，動態(tài)控制可控硅的供電功率，通過調(diào)功的方法來達到控制溫度的目的。本文設(shè)計的系統(tǒng)不僅適合于定值溫控系統(tǒng)，按溫度工藝曲線給定自動調(diào)節(jié)爐溫，更適合于變值溫度群控系統(tǒng)，可同時對多臺加熱爐進行控制，滿足各種不同工藝要求。仿真及實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以提高控制過程的動、靜態(tài)性能，從而對爐溫進行有效的控制。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及控制原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理框圖如圖1所示，其中控制模塊以西門子S7-300PLC為核心，主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理以及PWM信號的輸出控制。可控硅采用PWM調(diào)制波驅(qū)動，與傳統(tǒng)的調(diào)相控制方式相比，PWM控制在保證精度的同時大大降低了電網(wǎng)諧波。熱電偶采用鉑銠熱電偶，智能熱電偶溫度表用于將溫度設(shè)定值和熱電偶爐溫反饋值進行比較[2]，計算其偏差并送入PLC，PLC再對偏差按一定的規(guī)律進行運算，運算結(jié)果輸出PWM波。模糊控制器則根據(jù)爐溫偏差和偏差變化率[3]，通過一定的模糊機制推理出不同階段PWM的輸出周期，從而生成周期可變的PWM控制信號，輸出經(jīng)隔離電路控制可控硅的通斷，進而控制電阻爐的平均輸出功率，來達到控制爐溫的目的。

圖1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Resistance furnace temperature control system schematic

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制算法

考慮到被控對象模型的不確定性和其參數(shù)隨時間的漂移以及系統(tǒng)的控制要求，本文采用一種新型的智能控制算法，這種算法就是開關(guān)控制（bang-bang）與模糊控制的結(jié)合。其基本思想是PLC根據(jù)實時監(jiān)控的爐溫狀態(tài)進行運算，其中PID運算結(jié)果控制PWM波的輸出，模糊控制器運算結(jié)果調(diào)整PWM的輸出周期，生成時變的PWM控制信號，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷控制，從而控制電阻爐的輸出功率。

2.1.1 PID算法轉(zhuǎn)換為PWM波輸出

在PLC中，有兩種方法可以產(chǎn)生PWM輸出脈沖波，一種是直接調(diào)用PWM模塊，但其輸出通道有限；另外一種是用內(nèi)部定時器來編程，經(jīng)開關(guān)量通道輸出。本系統(tǒng)采用第二種方法，定時器以工頻周期為基本計數(shù)周期進行減法定時，時基（PV）定為 10 ms，調(diào)功周期為TZ秒，即每個周期有 M=100TZ個脈沖。PID算法根據(jù)溫度給定值和爐溫反饋值進行運算，其運算結(jié)果Uk是一個0～1.0范圍歸一化值，先將Uk轉(zhuǎn)化成0～100TZ之間整數(shù)形式的輸出控制量N。一個周期開始時，M=100TZ，PWM輸出低電平，可控硅關(guān)斷，加熱器停止加熱；每過10毫秒M減1，當M小于等于N時，PWM輸出高電平，可控硅導(dǎo)通，加熱器開始加熱，直到M減為0，定時器復(fù)位，重新開始下一個控制周期，如此反復(fù)進行便產(chǎn)生溫度控制的PWM波[4]。實際上PID運算的數(shù)據(jù)來源是溫度給定值和爐溫反饋值，其運算結(jié)果決定PWM的輸出占空比，也即是溫度給定和爐溫反饋決定了PWM的輸出占空比。

2.1.2 模糊控制器調(diào)整PWM的輸出周期

由上一節(jié)分析可知，PWM輸出占空比由PID運算結(jié)果決定，而周期T則是根據(jù)人工控制經(jīng)驗設(shè)定的。由于實際生產(chǎn)中，不同材料的加熱要求不同的溫度曲線，同一溫度曲線在不同溫度段對PWM輸出周期T的要求也不相同，若T固定，就會造成在某個溫度段控制精度比較高，而在其他的溫度段超調(diào)過大，不能滿足工藝要求，因此需對周期T予以更加精確的控制。

在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用二維模糊控制器來調(diào)整PWM的周期，其原理是根據(jù)系統(tǒng)誤差和誤差變化率的關(guān)系，通過模糊推理得到不用階段PWM輸出周期的控制量，實現(xiàn)對PWM輸出周期的精確控制，從而在系統(tǒng)誤差變得過大之前，引入一個早期修正信號，減小超調(diào)量，有效提高控制精度。

系統(tǒng)選擇偏差E及偏差變化率EC作為輸入語言變量，輸出語言變量為Tk（代表PWM輸出周期控制量），E和EC的模糊集均為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，子集中元素分別表示負大，負中，負小，零，正小，正中，正大[5]，Tk的模糊集為{－3ΔT，－2ΔT，－ΔT，0，ΔT，2ΔT，3ΔT}， 其中 ΔT 可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要來設(shè)定。根據(jù)模糊控制理論的原則，并且考慮到對論域的覆蓋程度和靈敏度、穩(wěn)定性和魯棒性原則，本系統(tǒng)中的各模糊子集均以三角形為隸度函數(shù)曲線。根據(jù)以上定義分析及現(xiàn)場控制經(jīng)驗，可得出PWM輸出周期控制量Tk的模糊規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules

根據(jù)前文分析及上述控制規(guī)則表，調(diào)整后PWM輸出周期即為T=Tz+Tk。

2.2 主程序流程簡述

為便于程序的設(shè)計與維護，全部程序采用模塊化編程，如圖2所示。子程序?qū)ο嚓P(guān)事件的處理依靠標志位完成，主程序通過調(diào)用各個子程序來完成所有的溫度控制功能。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Main program flowchart

2.3 仿真

根據(jù)溫度傳遞的大慣性、純滯后的主要特性，將被控的溫度控制對象簡化為一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。其傳函為 G（s）=e－10s。 在同一階躍信號下，分別對智能控制與常規(guī)PID控制方法進行仿真[6]，仿真曲線如圖3所示。由圖3可看出，智能控制系統(tǒng)與常規(guī)數(shù)字PID控制相比，具有超調(diào)小、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點，取得了較好的控制效果。

圖3 系統(tǒng)響應(yīng)曲線（曲線1、2分別為智能控制、常規(guī)PID控制仿真曲線）Fig.3 System response curve（curve 1 and 2 respectively for intelligent control and conventional PID control simulatiob curve）

3 試運行結(jié)果

該控制系統(tǒng)實際應(yīng)用在武鋼江北公司帶鋼廠寬軋機工程罩式加熱爐生產(chǎn)線上。整條生產(chǎn)線共控制16個爐臺，系統(tǒng)通信以Profibus現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，上位站編程使用西門子STEP7，模塊化編程使之易于修改、調(diào)試。并通過功能強大的西門子WinCCflexible來編制人機界面。操作人員可以通過觸摸屏對溫度給定、過程參數(shù)及狀態(tài)進行設(shè)定和監(jiān)視，來完成對爐區(qū)的集中管理和分散控制，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性，還可滿足生產(chǎn)規(guī)模的進一步擴大。同時為提高系統(tǒng)的抗擾性能，可控硅供電部分采用了隔離變壓器，主機部分則采用穩(wěn)壓穩(wěn)頻在線LPS供電。

系統(tǒng)調(diào)試完成后，取得了滿意的控制效果。在100～1 000℃范圍內(nèi)，各個溫度點都能得到較好的穩(wěn)定效果，其誤差均在3℃以內(nèi)。而且可按工藝要求編程，設(shè)定好工藝曲線，系統(tǒng)將按工藝曲線自動調(diào)節(jié)溫度，很好地滿足復(fù)雜工藝的要求，如圖4所示。

圖4 溫度曲線Fig.4 Temperature curve

4 結(jié)束語

文中介紹了武鋼江北公司帶鋼廠寬軋機工程罩式加熱爐生產(chǎn)線上的電阻爐溫度智能控制系統(tǒng)，現(xiàn)場運行結(jié)果表明，控制精度達到了3‰，取得了較好的控制效果。其創(chuàng)新之處在于采用脈寬調(diào)制技術(shù)，利用模糊控制算法控制PLC輸出周期可變的PWM信號，實現(xiàn)了對溫度的精確控制；同時，由PID運算結(jié)果決定脈寬，用定時器產(chǎn)生PWM波，用開關(guān)量代替模擬量輸出，實現(xiàn)了PWM波的多路輸出，以軟件代替硬件大大降低了系統(tǒng)控制成本。

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