劉增環(huán) 張文奎

(河北工程大學信息與電氣工程學院，河北 邯鄲 056038)

中頻感應(yīng)加熱廣泛應(yīng)用于軋輥表面淬火、棒料透熱及板坯回火等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在鋼管熱擠壓生產(chǎn)中，加熱設(shè)備普遍采用環(huán)形加熱爐預(yù)熱，中頻感應(yīng)加熱爐加熱、均熱和保溫，實現(xiàn)坯料的無氧化加熱工藝[1]。感應(yīng)加熱過程中的過燒會引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化[2]。坯料溫度的不均勻直接影響熱擠壓鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量，甚至會損壞模具[3]。因此對其溫度的控制顯得尤為重要。

感應(yīng)加熱過程中，存在集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)[4]。感應(yīng)加熱過程復(fù)雜，因而很難建立精確的數(shù)學模型，是一個復(fù)雜的非線性、強干擾且大滯后系統(tǒng)[5]。模型預(yù)測控制和Smith預(yù)測控制是解決時滯問題的有效方法，但都是基于被控對象精確的數(shù)學模型設(shè)計的，無法應(yīng)用于該系統(tǒng)。模糊控制依賴模糊規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)，不依賴對象的數(shù)學模型，是針對復(fù)雜控制對象的一種較好的控制方法，具有適應(yīng)性好、超調(diào)小及魯棒性強等優(yōu)點。但是，模糊控制是根據(jù)當前測定的被控量來確定控制量的，這就使得控制成為事后控制，對于大滯后系統(tǒng)，模糊控制無法取得良好的控制效果。而專家系統(tǒng)在非線性且大滯后的情況下能取得良好的控制效果，但專家系統(tǒng)一般不能間接地對生產(chǎn)過程和被控對象進行控制。

筆者針對鋼管熱擠壓生產(chǎn)過程中，中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的溫度控制問題，通過分析生產(chǎn)工藝的要求和現(xiàn)有的溫控系統(tǒng)，提出了專家系統(tǒng)和模糊控制相結(jié)合的兩層結(jié)構(gòu)控制方法。

1 專家模糊控制①

模糊控制和專家系統(tǒng)有機結(jié)合的專家模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，運用專家系統(tǒng)在線修正模糊控制器的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和抗干擾能力并實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)[6]。

圖1 專家模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)

中頻感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理和焦耳-楞次定理，通過交變電流在工件中產(chǎn)生渦流來加熱工件的。當感應(yīng)加熱圓柱形鋼坯時，由于集膚效應(yīng)，只有表面會快速升溫，而中心部分則需要從表面溫區(qū)向內(nèi)部低溫區(qū)傳導(dǎo)熱量[4]。鋼坯感應(yīng)加熱過程中，快速加熱階段溫差較大，并且徑向大于縱向，均熱段溫差較小；加熱階段表面溫度最高；均熱階段最高溫度區(qū)域從表面向內(nèi)部移動，隨著均熱時間的延長，心部溫度會超過表面[7]。

中頻感應(yīng)加熱電源是將工頻電源轉(zhuǎn)換為感應(yīng)加熱所需頻率的單相電源的變頻器。電源主要由整流電路、濾波電路、逆變電路以及控制和保護電路構(gòu)成。電源加熱工作時，整流電路將輸入的三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)濾波電路濾波后變成平滑的直流電，而逆變器則將直流電轉(zhuǎn)換為電路所需頻率的單相交流電供給負載[8]。電源的負載是由加熱線圈和被加熱工件組成的，為提高加熱電源的功率因數(shù)和效率，電感線圈并聯(lián)或串聯(lián)電容，由此產(chǎn)生諧振來加熱工件?？刂撇糠质峭ㄟ^專家模糊控制器將溫度信號轉(zhuǎn)換為觸發(fā)電路的控制信號，來控制電源的輸出功率。

3 基于專家系統(tǒng)的模糊控制器

3.1 模糊控制器

一維模糊控制器動態(tài)控制性能不佳，但模糊控制器維數(shù)過高，控制算法的實現(xiàn)又很困難，目前廣泛采用二維模糊控制器[9]。筆者設(shè)計的鋼管中頻感應(yīng)加熱專家模糊溫控系統(tǒng)采用雙輸入/單輸出結(jié)構(gòu)，選取感應(yīng)爐爐內(nèi)坯料溫度的偏差e和偏差變化率ec作為輸入信息，輸出控制量u為電源功率。檢測機構(gòu)測得的e和計算所得的ec是連續(xù)變化量，通過量化因子Ke和Kec，將輸入量的基本論域離散化為[-6，6]中的整數(shù)值。將e的模糊集合定義為{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，ec和u的模糊集合定義為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。隸屬函數(shù)采用三角形隸屬函數(shù)。根據(jù)模糊控制規(guī)則和專家的控制經(jīng)驗，可歸納為模糊控制表(表1)。

表1 模糊控制規(guī)則

3.2 專家智能協(xié)調(diào)因子調(diào)整方法

量化因子和比例因子的大小關(guān)系及其不同量化因子之間大小的相對關(guān)系，對模糊控制器的控制性能影響很大。為了使系統(tǒng)響應(yīng)達到“快、穩(wěn)、準”的目標，需對參數(shù)Ke、Kec和Ku進行專家智能在線調(diào)整[10]。模糊控制器中量化因子和比例因子的知識獲取，對系統(tǒng)響應(yīng)的影響如下：

a. 增大Ke，系統(tǒng)響應(yīng)時間變短，超調(diào)增大，使收斂變慢，嚴重時會產(chǎn)生振蕩；但Ke過小，系統(tǒng)響應(yīng)時間變長，靜態(tài)誤差增大，同樣會使收斂變慢。

b. 增大Kec，超調(diào)量變小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢；但Kec過小，不利于抑制超調(diào)。

c. 增大Ku，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程變短；但在收斂階段，過大的Ku將引起調(diào)和振蕩。

現(xiàn)以不銹鋼感應(yīng)加熱為例，工藝要求鋼坯加熱到1 230℃，將一般閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(圖2)作為該系統(tǒng)的模擬曲線進行分析，具體如下：

a.oa段。e>0且ec<0且e>430，上升階段，為使系統(tǒng)盡快消除偏差，應(yīng)增大Ke和Ku，并保持Kec不變。

b.ab段。e>0且ec<0且e<430，系統(tǒng)趨向穩(wěn)態(tài)，為使系統(tǒng)不出現(xiàn)超調(diào)，應(yīng)增大Kec，同時減小Ke和Ku。

c.bc段。e<0且ec<0，系統(tǒng)已有超調(diào)且誤差正在增大，為使輸出回到設(shè)定值，應(yīng)增大Kec和Ku，減小Ke。

d.cd段。e<0且ec>0，系統(tǒng)誤差逐漸減小，輸出趨向穩(wěn)定，此時應(yīng)減小Ke、Kec和Ku。

e.de段。e>0且ec>0，系統(tǒng)出現(xiàn)下超調(diào)，為使回調(diào)不太大，應(yīng)增大Ke，減小Ku，保持Kec不變。

f.ef段。e>0且ec<0，系統(tǒng)輸出基本穩(wěn)定，此時應(yīng)保持Ke和Kec不變，減小Ku。

圖2 一般閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線

根據(jù)上述分析，總結(jié)出一組用于在線修正量化因子和比例因子的專家知識庫，具體如下：

R1 IF(e>0∩ec<0∩e>430)THEN(K1=ΔKe，K2=0，K3=ΔKu)

R2 IF(e>0∩ec<0∩e<430)THEN(K1=-ΔKe，K2=ΔKec，K3=-ΔKu)

R3 IF(e<0∩ec<0)THEN(K1=-ΔKe，K2=ΔKec，K3=ΔKu)

R4 IF(e<0∩ec>0)THEN(K1=-ΔKe，K2=-ΔKec，K3=-ΔKu)

R5 IF(e>0∩ec>0)THEN(K1=ΔKe，K2=0，K3=-ΔKu)

R6 IF(e<0∩ec<0)THEN(K1=0，K2=Δ0，K3=-ΔKu)

其中，K1、K2、K3分別為量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的動態(tài)修正因子；ΔKe、ΔKec、ΔKu分別為Ke、Kec、Ku的很小增量。設(shè)Ke(t)、Kec(t)、Ku(t)、Ke(t-1)、Kec(t-1)、Ku(t-1)分別為當前時刻與上一時刻的量化因子和比例因子[10]，則參數(shù)的在線修正算法為：

Ke(t)=Ke(t-1)+K1

Kec(t)=Kec(t-1)+K2

Ku(t)=Ku(t-1)+K3

在實際控制過程中，初始參數(shù)Ke(0)、Kec(0)和Ku(0)的值視具體情況選取。

該算法是專家系統(tǒng)經(jīng)推理機求得的一種調(diào)整方法，用于修改模糊控制的控制策略，調(diào)節(jié)參數(shù)值范圍，從而更好地進行系統(tǒng)控制。

4 仿真分析

通過Matlab軟件進行仿真，感應(yīng)爐溫控系統(tǒng)中的模糊控制和專家模糊控制的仿真結(jié)果如圖3所示，專家模糊控制相比模糊控制，響應(yīng)時間變短、超調(diào)變小，整體控制效果較好。在實際的鋼管生產(chǎn)過程中，將專家模糊控制應(yīng)用于感應(yīng)加熱鋼坯溫控系統(tǒng)，控制效果優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

筆者以鋼管擠壓生產(chǎn)中，中頻感應(yīng)爐快速加熱鋼坯的生產(chǎn)工藝控制為背景，針對感應(yīng)爐溫控系統(tǒng)，提出一種專家系統(tǒng)和模糊控制相結(jié)合的新策略，通過在線調(diào)整模糊控制器的參數(shù)，改善了系

圖3 兩種方式的仿真控制曲線

統(tǒng)的控制性能。仿真結(jié)果和實際生產(chǎn)應(yīng)用表明：該系統(tǒng)魯棒性強、控制精度高，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程的自動化水平。