褚紅偉， 陳友興， 王召巴

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

火炸藥的制造和加工過程主要包括驅(qū)水、膠化、壓伸切斷、驅(qū)溶、鈍感、光澤等工序，烘干是驅(qū)溶工序的一個(gè)步驟[1]?，F(xiàn)在火炸藥烘干一般以傳熱傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，借鑒國內(nèi)外民用干燥技術(shù)的先進(jìn)手段，結(jié)合現(xiàn)有的火炸藥干燥技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，通過熱水和熱風(fēng)進(jìn)行烘干。由于火炸藥具有易燃易爆特性[2]，烘干溫度過高會引起安全隱患，溫度過低難以達(dá)到烘干效果，因此,烘干過程中熱水和熱風(fēng)的溫度變化要嚴(yán)格遵循一定的工藝曲線。本文以某一火炸藥烘干系統(tǒng)為對象，研究烘干過程中的熱風(fēng)和熱水溫度控制系統(tǒng)，針對具有非線性、大滯后、時(shí)變等特性的熱風(fēng)系統(tǒng)，提出了自適應(yīng)模糊PID控制策略，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明:此策略有較好的控制效果，滿足期望控制要求。

1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)原理

火炸藥烘干系統(tǒng)是在傳統(tǒng)烘干技術(shù)的基礎(chǔ)上，改變了加熱方式，以水蒸汽為熱源對火炸藥進(jìn)行烘干，系統(tǒng)主要由烘干機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、加熱機(jī)、水槽、流量閥、旋振電機(jī)、熱風(fēng)熱水管道及驅(qū)動裝置等組成，如圖1。

圖1 火炸藥烘干系統(tǒng)原理示意圖

如圖1所示，火炸藥加入烘干機(jī)，隨著旋振電機(jī)抖動，過程中利用熱水和熱風(fēng)對火炸藥進(jìn)行加熱，從而達(dá)到烘干的效果。其中，溫度控制系統(tǒng)包括熱水系統(tǒng)和熱風(fēng)系統(tǒng)，溫度控制精度要達(dá)到±1 ℃。熱水系統(tǒng)是把一定量的水蒸汽灌入大容量水槽內(nèi)對水進(jìn)行加熱，由于水槽水量一定且為循環(huán)系統(tǒng)，通過控制流量閥開度(即控制水蒸汽流量大小)，可以較好地控制水溫，系統(tǒng)簡單易控，時(shí)變性小；熱風(fēng)系統(tǒng)是用加熱機(jī)把一定量的水蒸汽和鼓風(fēng)機(jī)鼓進(jìn)的冷風(fēng)相結(jié)合形成熱風(fēng)，鼓風(fēng)機(jī)鼓進(jìn)均量冷風(fēng)，通過控制水蒸汽流量閥開度，可以實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)溫的效果。

1.2 溫度控制方案

烘干系統(tǒng)的溫控部分主要通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)通過傳感器經(jīng)過A/D采集獲得被控量的精確值，然后將定量與設(shè)定值比較得到偏差信號經(jīng)過控制模塊轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字控制量，再經(jīng)過D/A卡轉(zhuǎn)變成精確的模擬量控制流量閥開度，從而控制系統(tǒng)的水溫和風(fēng)溫，溫度控制方案如圖2所示。其中，調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)水蒸汽流量控制風(fēng)溫大小，調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)水蒸汽流量控制水溫大小。

據(jù)1.1節(jié)中闡述的熱水和熱風(fēng)的加熱方式可知，熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易控，故可以采取傳統(tǒng)PID控制技術(shù)來控制水溫，而熱風(fēng)系統(tǒng)是具有非線性、大滯后、時(shí)變性的復(fù)雜控制對象，本文選擇采用模糊—PID控制技術(shù)控制風(fēng)溫。

2 熱水溫度控制系統(tǒng)

根據(jù)水循環(huán)的系統(tǒng)特性，采用傳統(tǒng)PID控制技術(shù)來控制熱水溫度[3,4]。同時(shí)，根據(jù)PID控制理論和智能閥控制過程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以熱水溫度的偏差e和電流u作為輸出量的增量式PID控制器，其根據(jù)被控過程的特性和長時(shí)間的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定了PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。增量式PID控制算法程序框圖如圖3所示。

圖3 增量式PID控制算法程序框圖

系統(tǒng)的工作原理為：在連續(xù)化生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)通過傳感器不斷采集熱水溫度值，并與期望的溫度值進(jìn)行比較，得到溫度偏差值e，然后根據(jù)比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間參數(shù)大小計(jì)算出控制量u來調(diào)整智能調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在允許的期望值變化范圍內(nèi)。設(shè)定期望溫度為80 ℃，控制精度要達(dá)到±1 ℃，其溫度控制曲線如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)PID熱水溫度控制曲線

通過圖4可以看出:傳統(tǒng)PID熱水溫度控制曲線比較平穩(wěn)，沒有大的波動，系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間都較小，滿足系統(tǒng)控制要求。

3 熱風(fēng)溫度控制系統(tǒng)

假如將傳統(tǒng)PID控制技術(shù)也應(yīng)用到熱風(fēng)控制系統(tǒng)中，設(shè)定期望溫度為75 ℃，根據(jù)理論和操作經(jīng)驗(yàn)選擇較合適的KP,TI和TD參數(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗(yàn)，經(jīng)典溫度控制曲線如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)PID熱風(fēng)溫度控制曲線

通過圖5可以看出：傳統(tǒng)PID溫度控制曲線波動較大，在經(jīng)過20 min左右才能達(dá)到穩(wěn)定值，系統(tǒng)波動浮動較大，穩(wěn)定度低。由此本文采用模糊PID控制技術(shù)對系統(tǒng)熱風(fēng)溫度進(jìn)行控制，以期提高控制品質(zhì)。

傳統(tǒng)的PID控制器，KP，TI，TD3個(gè)參數(shù)只能提前設(shè)定，且參數(shù)一旦設(shè)定，在溫度控制過程中無法進(jìn)行自修正，從而系統(tǒng)難以達(dá)到控制要求。而自適應(yīng)模糊PID算法是模糊控制與PID控制的綜合體，其利用計(jì)算機(jī)把調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)形式化、模型化，根據(jù)模糊推理和規(guī)則，輸出PID調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)PID控制[5,6]。其基本原理如圖6所示。

圖6 模糊PID控制的基本原理框圖

圖中模糊控制器的輸入變量為誤差e和誤差變化量ec，ΔKP,ΔTI和ΔTD為PID控制的3個(gè)參數(shù)。

根據(jù)模糊控制理論，設(shè)計(jì)了以溫度的偏差e和偏差變化量ec作為模糊控制的輸入量，ΔKP,ΔTI和ΔTD3個(gè)參數(shù)修正量作為模糊輸出量的模糊控制器。自適應(yīng)模糊PID控制算法程序框圖如圖7所示。

圖7 模糊PID控制算法程序框圖

在烘干過程中，對于水溫和風(fēng)溫的控制要求穩(wěn)定性高，精度達(dá)到±1 ℃。e的基本論域?yàn)閧-1，1}，量化論域?yàn)閧-3，3}，則量化因子Ke=3/1=3；ec的基本論域?yàn)閧-0.5，0.5}，即在一個(gè)采樣周期內(nèi)溫度偏差變化控制在1 ℃范圍內(nèi)，量化論域?yàn)閧-5，5}，則量化因子Kec=5/0.5=10。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取比例系數(shù)ΔKP的基本論域?yàn)閧-3，3}，其量化論域?yàn)閧-3，3}，則量化因子為1；積分系數(shù)ΔTI的基本論域?yàn)閧-0.03，0.03}，其量化論域?yàn)閧3，3}，則量化因子為100；微分ΔTD的基本論域?yàn)閧-0.01，0.01}，其量化論域?yàn)閧-3，3}，則量化因子為300。

模糊量e,ec,ΔKP,ΔTI和ΔTD的隸屬函數(shù)選用三角形隸屬函數(shù)，模糊子集均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，根據(jù)模糊控制規(guī)則表可以得到自適應(yīng)PID控制ΔKP,ΔTI和ΔTD[7]。

在連續(xù)化生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)不斷采集傳感器的溫度值并與期望的溫度值進(jìn)行比較得到溫度偏差e和溫度偏差變化量ec，根據(jù)模糊規(guī)則計(jì)算ΔKP,ΔTI和ΔTD，然后結(jié)合增量式PID算法計(jì)算出控制量u來調(diào)整智能調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在允許的期望值變化范圍內(nèi)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的控制效果，傳統(tǒng)PID也進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，期望溫度均設(shè)定為75 ℃，溫度控制曲線如圖8所示。

圖8 模糊PID風(fēng)溫控制曲線

通過傳統(tǒng)PID與模糊PID控制的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將圖8和圖5中2種溫度控制曲線進(jìn)行對比可知：傳統(tǒng)PID控制算法在經(jīng)過20 min左右才能達(dá)到穩(wěn)定值，而自適應(yīng)模糊PID經(jīng)過10 min左右達(dá)到穩(wěn)定；常規(guī)PID超調(diào)量為3.4 %，而模糊PID超調(diào)量為1 %。自適應(yīng)模糊PID控制超調(diào)量小，上升時(shí)間快，穩(wěn)定時(shí)間短，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性高，對于火炸藥烘干生產(chǎn)過程來說具有較強(qiáng)的適用性，全面改善了控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。

4 結(jié)束語

本文火炸藥烘干過程中的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，根據(jù)理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)得到如下結(jié)論：1)水溫控制系統(tǒng)可以采取傳統(tǒng)PID進(jìn)行控制，而對于具有非線性、大滯后、時(shí)變性的風(fēng)溫控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID控制技術(shù)控制效果不夠理想，而采用模糊PID進(jìn)行控制，使得該設(shè)備在烘干關(guān)鍵條件(恒溫)方面取得了明顯的改善；2)該溫控系統(tǒng)控制精度高和穩(wěn)定時(shí)間短，使得烘干效率提高，降低了能源消耗；3)模糊PID實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自調(diào)整，從而改善了控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，也為烘干系統(tǒng)在自動控制設(shè)計(jì)方面的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

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