李冬，陸小榮

(無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214206)

1 輥道窯溫度控制系統(tǒng)

窯爐溫度決定了陶瓷產(chǎn)品燒成品質(zhì)的優(yōu)劣，輥道窯監(jiān)控系統(tǒng)主要通過測(cè)量窯頂或窯側(cè)的溫度來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，溫度測(cè)量是通過沿窯長(zhǎng)方向的窯頂或窯側(cè)安裝數(shù)個(gè)熱電偶來采集各點(diǎn)溫度信號(hào)。溫度要達(dá)到設(shè)定值，須波動(dòng)小，且左右平衡，上下溫差穩(wěn)定，產(chǎn)品品質(zhì)才可能達(dá)標(biāo)。要降低窯爐生產(chǎn)能耗，提高能源利用率就必須提高全自動(dòng)控制水平，合理安排工藝和設(shè)備盡可能減少熱損失。對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，保證溫度符合燒成曲線，保持窯內(nèi)溫度均勻不變。

輥道窯是典型大滯后、大時(shí)間常數(shù)的近似一階系統(tǒng)，沿輥道窯縱向分布若干個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，溫度采用單回路控制結(jié)構(gòu)。每點(diǎn)溫度由燒成曲線得出，控制目標(biāo)要使溫度測(cè)量值接近設(shè)定值并且波動(dòng)很?。?］。窯爐的溫度是利用熱電偶來測(cè)定的，而溫度的控制是通過調(diào)節(jié)相應(yīng)段噴嘴的燃料流量來實(shí)現(xiàn)的。溫度控制回路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，熱電偶采樣溫度作為測(cè)量值，用戶的設(shè)定作為期望值，用燃料閥門開度為控制量，使測(cè)量值跟蹤期望值。在一定工藝條件滿足后，溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的波動(dòng)范圍內(nèi)，就能保證生產(chǎn)出高品質(zhì)產(chǎn)品。只有根據(jù)窯溫設(shè)定的曲線控制窯溫，才能保證優(yōu)質(zhì)低耗。

圖1 輥道窯的溫度控制回路結(jié)構(gòu)

2 基于模糊PID 的輥道窯溫度控制

2.1 模糊控制基礎(chǔ)

模糊控制實(shí)質(zhì)上就是利用計(jì)算機(jī)來代替自然語(yǔ)言所描述的控制活動(dòng)。其控制算法是把各種環(huán)境參數(shù)綜合起來分析考慮，然后進(jìn)行模糊控制。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊控制規(guī)則，經(jīng)模糊推理得到模糊控制表，使綜合參數(shù)的相互影響擬合到最佳狀態(tài)。模糊控制有許多良好的特性，它不需要得到被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，具有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、過渡時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)［2］。比PID 控制調(diào)節(jié)速度快、魯棒性好，但模糊控制穩(wěn)態(tài)精度欠佳。

窯爐作為一個(gè)復(fù)雜多變量被控對(duì)象，并不具有確定性輸入/輸出關(guān)系，其運(yùn)行機(jī)理是復(fù)雜的，物理量之間的關(guān)系也常常是模糊的、不確定的，經(jīng)典控制方法是難于實(shí)現(xiàn)這類對(duì)象的自動(dòng)控制。然而，經(jīng)驗(yàn)豐富的窯爐技術(shù)人員通常能用手工操作的方式，控制一個(gè)復(fù)雜的窯爐生產(chǎn)過程，燒制出高品質(zhì)的產(chǎn)品?？偨Y(jié)出窯爐技術(shù)人員豐富的窯爐控制經(jīng)驗(yàn)，形成經(jīng)驗(yàn)性的通用控制規(guī)則，編制成計(jì)算機(jī)程序，并基于計(jì)算機(jī)構(gòu)成模糊控制器，用模糊控制器來代替這些控制規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窯爐這個(gè)復(fù)雜的對(duì)象實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制。模糊控制算法也稱模糊控制規(guī)則，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)窯爐操作工人在窯爐操作過程豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推演出的一條條模糊條件語(yǔ)句的集合，形成模糊控制器的核心。

2.2 窯爐溫度模糊PID 控制的必要性

工業(yè)窯爐必須通過對(duì)燒成溫度進(jìn)行很好的控制才能保證產(chǎn)品品質(zhì)。而輥道窯燒成溫度的控制方式主要控制窯內(nèi)溫度，然后輔助控制壓力和氣氛。對(duì)于輥道窯的溫度過程控制，必須克服溫度、壓力和氣氛等測(cè)量參數(shù)的多變性、非線性、噪聲和不對(duì)稱的增益特性及較大的滯后性等因素的影響。這些不穩(wěn)定因素使得窯爐溫度控制很難達(dá)到設(shè)定值，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前工業(yè)窯爐控制通常采用的都是按溫度等采集的信號(hào)與測(cè)量值進(jìn)行給定的PID 控制，由于信號(hào)采集、處理等復(fù)雜原因，導(dǎo)致了對(duì)控制目標(biāo)不能達(dá)到滿意的控制效果［3］。根據(jù)上述分析，將傳統(tǒng)的PID 控制和模糊算法相結(jié)合，采用模糊PID控制算法對(duì)窯爐溫度進(jìn)行控制，可以滿足在不同工況下窯爐生產(chǎn)對(duì)控制性能的要求［3］。

2.3 輥道窯溫度控制的系統(tǒng)模型

窯爐系統(tǒng)在大偏差范圍內(nèi)時(shí)，需加強(qiáng)比例環(huán)節(jié)的控制作用;當(dāng)溫度接近穩(wěn)態(tài)而只有小范圍的偏差時(shí)，要減少比例控制作用，使溫度控制系統(tǒng)借助于熱慣性接近穩(wěn)定值，這樣不僅有利于減少超調(diào)，而且也不影響上升時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)要達(dá)到響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)小，過渡時(shí)間短，可把模糊PID 控制應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，較好地控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在小偏差范圍內(nèi)采用PID 控制，較好地控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、超調(diào)、過渡時(shí)間。

溫度控制的主要任務(wù)是維持被控對(duì)象的溫度值在燒成工藝要求的范圍內(nèi)。由于通常輥道窯的溫度是一個(gè)復(fù)雜的熱力模型，受周圍環(huán)境條件和設(shè)備不穩(wěn)定等綜合影響，具有較多外部干擾及不確定性。因此很難得到精確的數(shù)學(xué)模型。參考相關(guān)資料，窯爐溫度大多可近似用一階慣性加滯后環(huán)節(jié)來描述。較合理的傳遞函數(shù)如下:

1)放大系數(shù)K

放大系數(shù)K 表示為窯爐溫度每上升1 ℃時(shí)所需要的熱量。如果系統(tǒng)對(duì)象的放大系數(shù)越大，在系統(tǒng)受到干擾時(shí)，實(shí)際溫度值距離給定值的偏差就越小，就越容易自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡;反之，調(diào)節(jié)參數(shù)距離給定值的偏差也就越大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就越不容易保持平衡。

2)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T

時(shí)間常數(shù)T 的大小反映了被控對(duì)象受到干擾后，溫度值需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)定值。時(shí)間常數(shù)T 是表示對(duì)象慣性大小的物理量。對(duì)溫控系統(tǒng)來說，時(shí)間常數(shù)T越大，溫度達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間就長(zhǎng);T 越小，溫度很快就能達(dá)到穩(wěn)定值。因此時(shí)間常數(shù)T 不僅可以表示調(diào)節(jié)參數(shù)達(dá)到給定值的快慢，同時(shí)也表示對(duì)象熱慣性的大小。

3)對(duì)象的滯后時(shí)間τ

溫控系統(tǒng)受到突發(fā)的干擾作用后，溫度值并不能隨即發(fā)生變化，而需要經(jīng)過一段時(shí)間才開始變化，這段時(shí)間稱為滯后時(shí)間。滯后時(shí)間對(duì)溫度調(diào)節(jié)將產(chǎn)生不利的影響，它降低了溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了溫度的調(diào)節(jié)誤差，延長(zhǎng)了到達(dá)穩(wěn)定值的時(shí)間。

3 模糊PID 控制器的仿真

使用增量式控制算法，運(yùn)用模糊控制進(jìn)行PID 三個(gè)參數(shù)的整定，應(yīng)用MATLAB 仿真軟件設(shè)計(jì)一個(gè)SIMULINK 仿真程序。

仿真時(shí)根據(jù)式(1)作為被控溫度對(duì)象的傳遞函數(shù)。在Simulink 中用一個(gè)傳遞函數(shù)模塊和一個(gè)延遲模塊組合起來描述被控對(duì)象(圖2)。

圖2 被控對(duì)象的仿真結(jié)構(gòu)圖

SIMULINK 仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

由臨界比例法可知PID 的三個(gè)初始參數(shù)分別為:KP=1;KI=0.28;KD=0.2。

圖3 模糊PID 控制器的SIMULINK 仿真結(jié)構(gòu)圖

圖4 是分別用參數(shù)自整定模糊PID 控制算法和傳統(tǒng)PID 控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB 仿真的階躍相應(yīng)輸出結(jié)果［4］。

圖4 PID 與模糊PID 的階躍響應(yīng)輸出曲線圖

4 仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出，常規(guī)PID 算法和模糊參數(shù)自整定PID 算法兩者控制性能的差別?？梢悦黠@看出，相比較后者，前者穩(wěn)定所需的時(shí)間大于后者，而且其輸出相應(yīng)曲線在達(dá)到穩(wěn)定之前出現(xiàn)了波動(dòng)，存在超調(diào)，其控制性能不穩(wěn)定，而模糊參數(shù)自整定PID 算法可以實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無靜差、具有較快的響應(yīng)速度。

［1］趙燕.基于高速以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的陶瓷輥道窯控制系統(tǒng)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［2］劉素芹，劉新平，戚平，等.PID 與模糊控制算法的比較及其改進(jìn)［J］.控制工程，2003，(1):51-52，93.

［3］余陽(yáng)春，王曉春.FUZZY-PID 控制系統(tǒng)在工業(yè)窯爐控制中的應(yīng)用［J］.陶瓷學(xué)報(bào)，2006，27(3):339-342.

［4］吳振順，姚建均，岳東海.模糊自整定PID 控制器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(11):1578-1580 .