馮精良，王 強，鄧貴德，胡 斌，吉 方

（1.中國計量學院 質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100020）

在我國，球罐廣泛地應用于石化、能源等各個領域.由于球罐容積比較大、殼體壁厚、球殼板剛度較大，在其組裝的過程中會產(chǎn)生較大的焊接殘余應力.試驗測試表明球罐焊接殘余應力一般可達0.6～0.9倍的屈服強度，最大甚至可達1.23倍材料屈服強度［1］.因此，球罐焊縫殘余應力的消除關系到球罐的安全穩(wěn)定運行.

球罐焊后熱處理的質量決定了球罐運行期間的安全性能，將球罐加熱到高于再結晶溫度以上、相變點以下的溫度區(qū)間，使焊縫的殘余應力得到充分釋放，同時也穩(wěn)定了球罐的結構形狀和尺寸，進而改善焊接區(qū)域的綜合性能，提高球殼板的韌性和抗應力能力，在熱處理周期中可以釋放焊縫中有害氣體，防止焊縫的氫脆延遲裂紋的發(fā)生［2］，而球罐焊后熱處理時球殼表面溫度的精確控制是其關鍵.

由于球罐物理結構的特點，其熱處理溫度控制是一個非線性、純滯后系統(tǒng)，并且熱處理時任意兩點的溫度差不能超過130℃，如何使球罐熱處理時按照工藝要求進行升降溫并且使球罐表面處于均溫狀態(tài)是一個難題.目前國內進行球罐熱處理控制方式主要是通過采集到的球罐表面溫度根據(jù)人工經(jīng)驗進行人工調節(jié)控制.曲麗萍等研究了基于VB的自動控制系統(tǒng)處理溫度數(shù)據(jù)，對比熱處理工藝曲線，反饋到控溫系統(tǒng)進行控溫［3］.劉喜才等通過供油系統(tǒng)和供風系統(tǒng)的調節(jié)來實現(xiàn)熱處理的溫度的調節(jié)［4］.但是，對于球罐熱處理溫度非線性、純滯后特性用來研究球罐溫度控制控制策略的，還比較少.

首先，根據(jù)國標GB 50094—2010對于球罐焊后熱處理溫度要求［5］，搭建球罐實驗裝置，設計球罐焊后熱處理系統(tǒng)，并設計了球罐熱處理BP－神經(jīng)網(wǎng)絡－PID溫度控制器以及對其性能進行仿真，同時和常規(guī)PID仿真進行對比、分析，通過相關算法的仿真實驗，為試驗裝置設計提供支持.

1 球罐熱處理系統(tǒng)設計

本試驗裝置采用國內常用的內燃法整體熱處理工藝［6］.將焊接好的球罐作為爐體，下人孔為加熱口，上人孔為排煙氣孔，球殼板外側設測溫點并加保溫材料進行保溫.空壓機送的風和噴油嘴噴出的燃油通過底部人孔噴入球罐內部霧化，然后由點火器點燃霧化燃油，在球罐內部形成一個具有一定大小的火焰，以此作為熱處理的熱源，煙氣通過位于上人孔的煙囪排出.在球罐內部形成對流和輻射，從而將球殼板均勻加熱，整體溫度控制結構如圖1.

圖1 球罐熱處理裝置圖Figure 1 Set－up of the spherical tank weld heat treatment

圖1中球罐材料選用Q345R，球罐壁厚為40mm，熱處理恒溫溫度設為600℃，球罐體積為1000m3，球罐內直徑為12.3m.球體外表面布置25個熱電偶，其中赤道帶均勻布置9個，上下級帶均勻布置7個，上下人孔附近各布置一個，滿足國標中對熱電偶分布的要求.保溫層材料選用硅酸鋁，厚度為50mm，包裹范圍包括支柱上端1000mm.

裝置根據(jù)安裝在球殼表面的熱電偶所反饋的溫度信號和設定的溫度工藝曲線設定的溫度值進行比較，調節(jié)油泵、空壓機的功率和相應閥門的開度，使球殼在整個熱處理過程中都處于規(guī)定的熱處理溫度，從而達到球罐熱處理的目的.

2 球罐焊后熱處理溫度控制思路

GB12337—2014規(guī)定，在熱處理過程中，升溫階段到400℃以上時，溫升速率應控制在50～80℃／h；降溫階段在400℃以上時，溫降速率應控制在30～80℃／h［7］.在本實驗中，升溫階段在400℃以下的溫升速率設為100℃／h，400℃／h以上的溫升速率設為64℃／h.降溫階段在400℃以上的溫降速率設為32℃／h，400℃以下的溫降速率為80℃／h，恒溫階段時間設為2.875h，在熱處理任意時刻球殼表面任意兩點溫度差不得大于130℃.具體熱處理溫度工藝設定曲線如圖2.

圖2 熱處理設定溫度工藝曲線Figure 2 Temperature processing curve of heat treatment

目前現(xiàn)場的熱處理控制，基本是人工根據(jù)經(jīng)驗調節(jié)油泵、空壓機功率和相應閥門的開度.對于常規(guī)PID控制來說，控制規(guī)律為

式（1）中：u（t）—控制器的輸出，kp、T1、TD—比例系數(shù)，積分時間和微分時間，e（t）—給定值和輸出值的偏差.通過調節(jié)kp、T1、TD來實現(xiàn)最優(yōu)控制.

根據(jù)國標要求，在球罐熱處理溫度在400℃或者恒溫開始和結束時，需要改變進油量和進風量來調節(jié)升降溫速率，閥門開度較溫度速率改變前會發(fā)生大的變化，傳統(tǒng)PID控制器仍按照前段工藝曲線設定的值進行調節(jié)，導致閥門的輸出量不能及時響應而產(chǎn)生較大的誤差甚至失去穩(wěn)定，最終熱處理過程中的溫度會大幅波動，無法有效消除殘余應力.

近來BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID得到廣泛關注，相關理論和應用成果也越來越多，BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器也逐漸應用到非線性和大慣性的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中［8］.BP神經(jīng)網(wǎng)絡可以逼近任意非線性函數(shù)，通過自身的學習，將控制器實際輸出與期望輸出的誤差反向傳播修正其加權系數(shù)值，最終使誤差的均方值最小.找到在最優(yōu)控制規(guī)律下的控制參數(shù).將BP神經(jīng)網(wǎng)絡應用于球罐焊后熱處理溫度PID控制過程中，可解決這種非線性、純滯后系統(tǒng)難以控制的問題，實時調整PID控制參數(shù)，使球罐焊后熱處理溫度按照規(guī)定的溫度要求進行［9］.BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID在球罐熱處理溫度控制系統(tǒng)的結構如圖3.

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制系統(tǒng)結構Figure 3 Structure of BP neural network PID controller

如圖3，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的球罐熱處理溫度PID控制系統(tǒng)由兩部分組成：1）經(jīng)典的PID控制器，直接對被控過程閉環(huán)控制的油閥和風閥的開度值及油泵、風機的功率進行調節(jié)；2）神經(jīng)網(wǎng)絡，根據(jù)被控球殼實測加權溫度與期望溫度的偏差，由選定的BP學習算法實時整定PID控制器的控制參數(shù)，最終達到最優(yōu)控制的目的，即使神經(jīng)網(wǎng)絡輸出層的輸出為PID控制器的3個控制參數(shù)kp、ki、kd，神經(jīng)網(wǎng)絡通過反向傳播的自身學習方法調整加權系數(shù)，從而使輸出的kp、ki、kd為最佳控制下的 PID 控制參數(shù)［10－11］.

在設計球罐BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID溫度控制器時，第一步根據(jù)熱處理球罐上的測溫點確定控制器的樣本個數(shù)；第二步根據(jù)實測溫度點確定球罐BP－NN－PID控制器的網(wǎng)絡結構，包括各層的節(jié)點數(shù)、學習速率、慣性系數(shù)等；第三步即將球殼實測的溫度值與給定的期望值的偏差作為控制器輸入進行訓練、學習，最終確定控制器對風閥、油閥的控制參數(shù).

3 系統(tǒng)仿真實驗

以球罐焊后熱處理過程中球體表面的溫度為實際控制對象，實驗過程中下位機根據(jù)國標規(guī)定設定球罐熱處理工藝曲線，控制油泵和風機的功率及進油閥和進風閥的開度來調節(jié)油量和風壓，最終控制球體表面的溫度.將BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID算法做成子程序嵌入到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)對球罐表面溫度的實際值、設定值和誤差進行計算分析，再根據(jù)控制算法實時整定PID參數(shù)、向電磁閥和電機發(fā)出對應信號，調節(jié)進油量和進風量，從而實現(xiàn)球罐焊后熱處理溫度控制的全自動化.

由國標要求可知，400℃以上的升降溫控制要求比較嚴格.筆者選取了1000m3球罐在上文設定溫度下的實測溫度曲線如圖4.

圖41000 ℃球罐現(xiàn)場溫度曲線Figure 4 Temperature processing curve of 1000℃spherical tank with actual measurement

從圖4可以看出，由人工根據(jù)經(jīng)驗控制的熱處理在400～600℃范圍，溫度波動范圍在±30℃以內，難以滿足國標12337—2014規(guī)定的熱處理工藝要求［12］.在7.5～10h的保溫時間內，超調量比較明顯.

在球罐熱處理溫度控制仿真實驗中球罐表面樣本溫度點P＝25，輸入層設為3個節(jié)點，分別對應球罐溫度的設定值、實際值以及球罐溫度偏差.隱含層的節(jié)點設為5個，輸出層對應的3個節(jié)點即為PID控制器需要調節(jié)的控制參數(shù)，網(wǎng)絡結構如圖5.

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID網(wǎng)絡結構圖Figure 5 Structure of BP neural network PID net

通過實測的球殼表面溫度和設置的期望溫度的偏差調整網(wǎng)絡的加權值，調整時的學習速率取η＝0.31，慣性系數(shù)取α＝0.17.按照下面公式（3）（4）分別調整輸出層加權系數(shù)W（3）jl（k）和隱含層加權系數(shù)W（2）ij（k），直到達成所需的控制效果，其中k是調整加權值的次數(shù).

對于球罐熱處理溫度控制系統(tǒng)來說，主要是通過調節(jié)油閥和風閥來控制球體表面的溫度，當在400℃和600℃時需要改變控溫速率時，通過及時改變閥門的開度來調整.如果閥門開度不能及時準確響應可能會導致球體溫度發(fā)生較大波動或者產(chǎn)生較大的滯后性.所以，本仿真同時對閥門給定開度值的情況下，對兩種算法進行了仿真比較.

圖6 閥門開度的階躍響應Figure 6 Valve opening step response

從圖6中可知，當改變球體表面溫度速率時，在給定閥門開度值后，常規(guī)PID控制的超調量為7%，過渡時間約為20min.而BP神經(jīng)網(wǎng)絡超調量基本為零，過渡時間約為7min.由此可知BP神經(jīng)網(wǎng)絡能夠快速響應，使進風閥、進油閥按照預設開度進行調節(jié)，優(yōu)于常規(guī)PID控制.

根據(jù)設定的球罐熱處理溫度工藝曲線知，熱處理時球殼表面溫度和時間的函數(shù)為

得到熱處理時球罐表面的實測溫度和設定的溫度仿真情況如圖7.

從圖7可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制可以很好地跟蹤設定的非線性溫度曲線，延遲時間降為12min.與現(xiàn)場實測的熱處理溫度曲線對比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制球罐熱處理溫度過程中，溫度波動范圍在5℃以內，遠低于現(xiàn)場人工控制的溫度波動范圍.在保溫階段時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID基本不會出現(xiàn)超調量.

圖7 球罐熱處理溫度控制系統(tǒng)響應Figure 7 System response of temperature control for spherical tank heat treatment

4 結 語

在球罐焊后熱處理溫度控制系統(tǒng)中，符合GB12337—2014要求的溫度控制精度是熱處理的關鍵.筆者根據(jù)實際球罐特點，設計了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制器；仿真研究表明，該控制器對具有非線性、純滯后特點的球罐熱處理溫度控制具有很好的健壯性和自適應性.在整個控制過程中，響應速度快、過渡階段平穩(wěn)、無靜態(tài)誤差和超調比較小.從而使在熱處理過程中整個球罐表面各點都在允許溫差范圍內按照熱處理工藝曲線進行溫度控制.且可有效解決常規(guī)PID控制引起的超調量問題，仿真條件下可達到國標GB12337—2014中對熱處理溫度的要求.

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