北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 魏玉斌 虎恩典

燒結(jié)爐溫度的模糊自適應(yīng)方法研究

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 魏玉斌 虎恩典

由于爐溫控制系統(tǒng)具有大慣性、非線性等特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中的被控對象精確數(shù)學(xué)模型很難建立，為滿足生產(chǎn)需要，提出了一種模糊自適應(yīng)的研究方法，PLC作為核心控制器，并對傳統(tǒng)PID和模糊自適應(yīng)控制器進(jìn)行MATLAB仿真，最終采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)爐溫的自動運(yùn)行。結(jié)果表明，很好的解決了系統(tǒng)魯棒性差、自適應(yīng)能力差等問題，滿足了控制要求。

燒結(jié)爐；模糊自適應(yīng)； PLC

0 引言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。其具有高硬度、耐磨、耐腐蝕等性能被廣泛應(yīng)用于航空航天等各個領(lǐng)域。而燒結(jié)爐的溫度控制精度決定了硬質(zhì)合金的品質(zhì)，因此提高溫度的控制精度是燒結(jié)過程的關(guān)鍵。

1 爐溫工作原理

控制系統(tǒng)運(yùn)行時，當(dāng)真空度達(dá)到控制要求后，加熱器根據(jù)實(shí)際控制要求進(jìn)行加熱。K型熱電偶/光學(xué)溫度計將檢測的溫度信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA信號經(jīng)模擬量輸入模塊送入PLC[1]，PLC根據(jù)控制程序進(jìn)行運(yùn)算，輸出數(shù)字信號經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為4mA～20mA電流信號，此電流信號經(jīng)可控硅調(diào)壓轉(zhuǎn)化為0V～220V電壓信號，經(jīng)變壓器作用于石墨加熱電極，實(shí)現(xiàn)對燒結(jié)爐溫度自動控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 溫度控制策略

燒結(jié)過程分為三個過程，要求升溫段具有較好的快速性，保溫段具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾性，故傳統(tǒng)PID控制很難達(dá)到設(shè)計要求。通過對傳統(tǒng)PID、模糊自適應(yīng)PID進(jìn)行研究，最終選擇模糊自適應(yīng)PID控制，它既解決了傳統(tǒng)PID魯棒性差又解決了模糊PID控制精度有限和存在穩(wěn)態(tài)誤差等問題[2]。

2.1 模糊自適應(yīng)PID控制算法

模糊自適應(yīng)PID控制[3]策略引入調(diào)整系數(shù)n對偏差e和偏差變化率ec對應(yīng)的量化因子ke和ke’及PID控制器輸出u(t)實(shí)施在線整定。模糊自適應(yīng)PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 模糊自適應(yīng)PID原理圖

根據(jù)燒結(jié)爐溫度變化實(shí)際情況選取誤差e基本論域?yàn)閑={-10,10}，量化論域?yàn)閧-2,2}，則量化因子Ke=2/10=0.2；選取誤差變化率ec基本論域?yàn)閑c={-20,20}，量化論域?yàn)閧-10,10}，則量化因子Kec=10/20=0.5。Kp、Ki、Kd量化論域?yàn)镵p={-3,3}，Ki={-0.006,0.006}和Kd={-6,6}。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，通過查詢設(shè)計好的模糊控制規(guī)則表對PID控制參數(shù)實(shí)施實(shí)時整定。通過查詢調(diào)節(jié)因子n模糊控制規(guī)則表，對e和ec的量化因子ke和ke’及控制器輸出ku進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)控制精度。調(diào)節(jié)變量Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則表

實(shí)際模糊自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)時，將觀測器中采樣值模糊化處理后的清晰值編程表格形式存入PLC中，根據(jù)溫度信號偏差e的變動情況查表對PID控制器進(jìn)行實(shí)時整定。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

采用階躍響應(yīng)曲線法確定燒結(jié)爐近似數(shù)學(xué)模型為：

采樣時間取1s，仿真時間為1000s。在MATLAB/Simulink[4]

環(huán)境下分別建立常規(guī)PID、模糊PID、模糊自適應(yīng) PID控制器模型對三種策略進(jìn)行仿真，對控制器輸入單位階躍信號，控制系統(tǒng)的響應(yīng)輸出圖如圖3所示：

圖3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)的PID控制超調(diào)量和調(diào)整時間都很大，模糊PID控制調(diào)整時間基本不變，但有超調(diào)；模糊自適應(yīng)PID綜合了傳統(tǒng)PID和模糊PID控制的優(yōu)勢，基本實(shí)現(xiàn)無超調(diào)，且調(diào)整時間大大縮短。由效果圖可知，具有模糊自適應(yīng)的PID控制器能很好的達(dá)到控制要求。

4 結(jié)論

根據(jù)燒結(jié)自身特點(diǎn)和溫度控制要求，提出多種控制，最終選擇模糊自適應(yīng)PID控制，與常規(guī)PID控制相比大大提高了控制精度，從而提高了燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，大大縮短了燒結(jié)時間，使生產(chǎn)投放減少，大大提高了了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

[1]柴瑞娟,孫承志等.西門子PLC高級培訓(xùn)教程[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]賴壽宏.微型計算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012,7.

[3]李士勇.模糊控制.神經(jīng)控制與智能控制理論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1996.

[4]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

魏玉斌（1990-），男，山東德州人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)控制方向的研究。

虎恩典（1956-），男，寧夏銀川人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事檢測、機(jī)電控制、計算機(jī)控制方向的研究。