羅偉

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道牽引與動(dòng)力學(xué)院，湖南 株洲 412001)

基于變論域的真空燒結(jié)爐溫度模糊控制系統(tǒng)

羅偉

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道牽引與動(dòng)力學(xué)院，湖南 株洲 412001)

針對(duì)粉末冶金燒結(jié)過程中溫度具有大滯后，非線性且設(shè)定值變化的特點(diǎn)，本文提出采用基于變論域的模糊控制智能算法對(duì)真空燒結(jié)爐的溫度進(jìn)行控制,以提高爐溫的控制精度和快速性,實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明了該方法的優(yōu)越性和有效性。

真空燒結(jié)爐；溫度；智能控制；變論域模糊控制

1 引言

燒結(jié)爐作為粉末冶金生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，燒結(jié)溫度的控制直接影響到產(chǎn)量的質(zhì)量。其加熱過程具有具有非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)擾動(dòng)的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了氣化爐的質(zhì)量、產(chǎn)量。傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)，過程隨機(jī)性相對(duì)較小，控制策略較為簡單，無法同時(shí)滿足燒結(jié)爐控制過程，利用智能集成控制方法可以在綜合多種智能控制策略的優(yōu)點(diǎn)，較好地把握燒結(jié)爐控制過程的本質(zhì)規(guī)律，提高控制精度，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化控制。為此采用變論域模糊控制方法，將它對(duì)真空燒結(jié)爐溫度進(jìn)行控制，改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高精度，取得了很好的控制效果。

2 真空燒結(jié)工藝

燒結(jié)是在低于粉末體熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行加熱，使毗連的顆粒相互間形成冶金結(jié)合。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間要按制品的化學(xué)成分合理的確定，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果升溫太快，可能使坯塊中的成型劑、水分以及某些雜質(zhì)劇烈揮發(fā)，導(dǎo)致坯塊產(chǎn)生裂紋。降溫速度對(duì)制品性能同樣有很大影響，不能過快，要視具體情況來定[1]。

圖1給出了燒結(jié)工藝的溫度控制要求示意圖。燒結(jié)過程大致包括：(1)自由升溫段(ob)；(2)恒速升溫段(cd)，即要求燒結(jié)溫度上升的速度按照某一斜率進(jìn)行；(3)保溫段(bc、df 和gh)，即要求在這一過程中溫度基本保持不變；(4)恒速降溫段(fg)，即要求溫度下降的速度按某一斜率進(jìn)行；(5)自由降溫段(hi)。在實(shí)際加熱過程中，控溫段數(shù)會(huì)隨著燒結(jié)材料不同而不同。

從圖中可看到，除了ob(自由升溫段)和hi(自由降溫段)不需要精確的溫度控制以外。其他各段都必須按具體的要求，進(jìn)行精確的溫度控制以保證制品的質(zhì)量。而爐溫的變化具有大慣性，大滯后和超調(diào)明顯的特點(diǎn)，常規(guī)控制以及一般的模糊控制都較難高性能的適應(yīng)。燒結(jié)爐基本模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要包裹模糊器、模糊推理、解模糊幾個(gè)部分組成。

圖1 燒結(jié)溫度控制要求示意圖

圖2 模糊控制器控制結(jié)構(gòu)

它能根據(jù)燒結(jié)爐中不同階段溫度的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)，通過自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)模糊控制器的比例因子進(jìn)行在線自動(dòng)調(diào)整，使得溫度響應(yīng)具有超調(diào)小、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等性能。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

輸入語言變量有兩個(gè)，為實(shí)際溫度與給定值之間的溫度偏差e和偏差變化率ec，而輸出變量選為系統(tǒng)控制通過加熱裝置的電流的可控硅導(dǎo)通角的變化量u。

e,ec和u的基本論域分別為[-xe,xe]；[-xec,xec]；[-yu,yu]。

分別規(guī)定其模糊子集為:

量化因子Ke、Kec的作用是將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，比例因子Ku將經(jīng)模糊控制算法給出的控制量轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象能接受的基本論域中。量化因子和比例因子對(duì)溫度控制系統(tǒng)性能有如下的影響:

表1 模糊控制規(guī)則e

(1)量化因子Ke較大時(shí)，系統(tǒng)的升溫速度較快，但超調(diào)量較大，過渡過程較長。從理論上講，增大Ke相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增強(qiáng)了誤差的控制作用，因而導(dǎo)致了上升速度變快，但由于出現(xiàn)了超調(diào)，使過渡過程變長。

(2)量化因子Kec較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量減小，Kec越大，超調(diào)量越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，可見，Kec對(duì)超調(diào)量有較強(qiáng)的遏制作用。

(3)輸出比例因子Ku增大，相當(dāng)于系統(tǒng)總的放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，但是Ku取值過大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩甚至發(fā)散。Ku值過小時(shí)，系統(tǒng)的前向增益很小，系統(tǒng)的輸出上升速率較小，響應(yīng)過程變長。[2]

4 變論域因子的設(shè)計(jì)

如果溫度和變化率都僅采用基本論域，那么模糊控制器的控制效果將直接取決于基本論域的選取。當(dāng)溫度和變化率都在取值范圍之外時(shí)，那么模糊控制器必然會(huì)選擇PB或者NB的模糊規(guī)則。正常情況下，基本論域的選取，能夠使偏差總體落在偏差取值區(qū)間內(nèi)，偏差落在偏差取值極值范圍外地情況并不多見，這時(shí)論域能夠滿足生產(chǎn)的工藝要求，控制效果較好。針對(duì)于具有大慣性、大滯后和超調(diào)嚴(yán)重等特點(diǎn)的燒結(jié)爐溫度控制過程[3-4]受到反應(yīng)溫度、壓力等環(huán)節(jié)影響，可能導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)過程中偏差均落在偏差取值區(qū)間之外的情況。這會(huì)導(dǎo)致大部分模糊控制規(guī)則失效，控制器的輸出會(huì)一直比理想輸出偏大，這時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)振蕩以及不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響控制效果。對(duì)于加熱裝置的電流的可控硅導(dǎo)通角的變化量u的選取也存在類似的問題。如果取值過大，可能出現(xiàn)超調(diào)、振蕩及不穩(wěn)定等現(xiàn)象；反之，若取值過小，使被控對(duì)象上升緩慢、不易穩(wěn)定。由于u的基本論域直接影響輸出u，因此它對(duì)整個(gè)控制效果起著決定性的作用。

變論域模糊思想使論域在適當(dāng)時(shí)刻伸縮變化，只要設(shè)置適當(dāng)?shù)恼撚蜃兓?guī)則，就能獲得較理想的導(dǎo)通角。變論域模糊控制器實(shí)現(xiàn)是在基于規(guī)則的模糊控制器的基礎(chǔ)上引入伸縮因子。設(shè)α=[α1,α2]β，分別是輸入和輸出論域的伸縮因子，則變換后的論域?yàn)椋?/p>

設(shè)常規(guī)的模糊輸出為Fcflg，則變論域控制器輸出FvFlg可以表示為：

Fvflg=β·Fcflg(e/α1,eC/α2)

不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α=[α1,α2]發(fā)生變化時(shí)，溫度和變化率，對(duì)模糊控制器的作用會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)α1>1,α2>1時(shí)，論域相對(duì)于基本論域擴(kuò)大，輸入量的控制作用會(huì)減弱，從而降低控制靈敏度；反之當(dāng)時(shí)，論域相對(duì)于基本論域縮小，輸入量的控制作用會(huì)增強(qiáng)，如果過強(qiáng)，會(huì)造成系統(tǒng)超調(diào)。而輸出控制量基本論域的伸縮因子由于直接作用于控制輸出量，因此對(duì)控制效果影響更直接、重要。當(dāng)在伸縮因子的作用下輸出論域。輸出u縮小時(shí)，控制量會(huì)相應(yīng)縮小，如果過小，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，靈敏度低，不易穩(wěn)定。

目前常用的有基于函數(shù)的伸縮因子的選取，采用函數(shù)對(duì)伸縮因子進(jìn)行描述，函數(shù)的選擇具有嚴(yán)格的限制，假設(shè)論域E(E∈[-X,X])的伸縮因子為α(x)，則α(x)需要滿足以下條件[5]：

(1)正規(guī)性：α(±X)=1，保證初始論域滿足要求。

(2)對(duì)偶性：?x∈E，α(-x)=α(x),保證論域兩邊伸縮的比例是一致的；

(3)避零性：α(0)= ε；ε為充分小的正數(shù)，保證變論域有最小的零點(diǎn)。

(4)單調(diào)性：在正區(qū)間內(nèi)嚴(yán)格單調(diào)增加，保證論域隨著誤差的減少而收縮；

(5)協(xié)調(diào)性：?x∈E,|x|≤α(x)X進(jìn)行修正。

α1(e)=

α2(eC)=

式中，|emax|為溫度e的最大偏差，e10為較小值，θ為較小數(shù)，|eCmax|為偏差率的最大偏差，e20為偏差較小值。λ為(0,1)區(qū)間的常量，對(duì)伸縮幅度起調(diào)節(jié)作

用。和k為數(shù)。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加熱裝置的電流的可控硅導(dǎo)通角的變化量u的伸縮因子采用積分調(diào)節(jié)法，同時(shí)為不改變推理結(jié)果的符號(hào)，本文對(duì)輸出變論域因子β采用求絕對(duì)值運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)方法如下式所示。

式中，K為正的比例因子，p1,p2為Lyapunov方程對(duì)稱正定矩陣解的最后一列，可離線計(jì)算；初值β(0)作為一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，本文取β(0)=1，可得到可變論域模糊控制器的控制律。

5 結(jié)論

將這種變論域的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于某集團(tuán)的真空燒結(jié)爐的溫度控制上，取得了令人滿意的控制效果。得到了圖3所示的溫度記錄曲線，控制精度大大提高，升溫跟蹤誤差在5℃以內(nèi)，保溫段精度可達(dá)3℃。因此達(dá)到了響應(yīng)快、無超調(diào)、控制精度高及節(jié)約能源等要求，經(jīng)處理的工件表面光亮、無氧化、質(zhì)量可靠，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 模糊控制后的溫度記錄曲線

[1] 韓鳳麟.粉末冶金設(shè)備實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997：150-192.

[2] 郭代儀.模糊控制技術(shù)及其在冶金工業(yè)中的應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1999：82-85.

[3] 馬清亮,胡昌華,楊青.一種用于多目標(biāo)優(yōu)化的混合遺傳算法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16 (5):1038-1040.

[4] 王春生.鉛鋅燒結(jié)配料過程的智能集成建模與優(yōu)化控制策略研究[D].中南大學(xué)，2008.

[5] 諸靜.模糊控制原理及應(yīng)用[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Temperature System for Vacuum Sintering Furnace Based-on Variable Universe Fuzzy Control

LUOWei

(Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou,Hunan,412001，China)

The powder metallurgy sintering procession had such characteristics as big lag,nonlinear and variable set-point,an intelligent control algorithm based on variable universe fuzzy contrlo model is proposed to control the temperature of vacuum sintering furnace.which can achieve perfect precision and quick ability,Finally,the run of system verified the effectiveness of the control algorithm.

vacuum sintering furnace;temperature;Intelligent control;variable universe fuzzy control

1004-289X(2016)05-0034-03

2013年度湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目《生物質(zhì)氣化爐智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)》(課題編號(hào)：13C591)

TP273

B

2015-07-18

羅偉(1979-)，男，副教授，湖南株洲人，湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系專任教師,中南大學(xué)信息學(xué)院工程碩士，研究方向：控制工程。