劉操，張彩英

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276826）

基于模糊控制技術(shù)的耦合溫度控制系統(tǒng)

劉操，張彩英

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276826）

風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件之一，而葉片大梁是風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣對葉片的整體結(jié)構(gòu)力學(xué)具有重要影響。大梁的生產(chǎn)過程對溫度控制要求較高，需多區(qū)域同步升溫，因此傳統(tǒng)的溫度控制方法已經(jīng)無法滿足目前的工藝要求。本文基于模糊控制理論，介紹了耦合溫度控制系統(tǒng)在葉片生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，對其進(jìn)行了過程分析和算法分析，并通過測試結(jié)果驗證了系統(tǒng)的科學(xué)性。

葉片大梁；模糊控制；耦合；溫度控制；試驗驗證

1 緒論

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)日新月異，越來越多的控制對象難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的單輸入單輸出的溫控控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適用于當(dāng)今生產(chǎn)工藝的要求。風(fēng)電葉片大梁的結(jié)構(gòu)并非整體結(jié)構(gòu)，而是由多區(qū)域組合而成，各區(qū)域內(nèi)部敷設(shè)有單獨的電阻絲、溫度傳感器和溫控開關(guān)，并有獨立的控制單元，各個區(qū)域的控制單元通過以太網(wǎng)與總控制器連接，簡圖如圖1所示。

圖1 控制器設(shè)置

在大梁的固化過程中，需多區(qū)域同時加熱，且相鄰區(qū)域的溫度差值不允許超過2℃。

基于以上現(xiàn)狀，本文提出單區(qū)域內(nèi)采用模糊控制理論，各區(qū)域間通過耦合算法進(jìn)行協(xié)同控制的整體控制思路，建立了一個耦合多組多輸入多輸出控制器的溫度控制系統(tǒng)。單個控制器以溫度傳感器測量量為輸入，以電阻絲功率電壓為輸出，以模糊規(guī)則表為邏輯依據(jù)。

模糊控制理論的源泉是總結(jié)某個控制問題的成功與失敗，有效規(guī)避建立精確的數(shù)學(xué)模型，其具有高度逼近自然人的邏輯方式，其主要語句為If…then…。模糊控制的基礎(chǔ)原理如圖2所示。圖中yr為系統(tǒng)設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出值，其均為未模糊化的清晰值。

運(yùn)用模糊控制的首要工作就是模糊化。在大梁的單區(qū)域溫度控制中，我們將大梁的加熱溫度劃分為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝六個溫度區(qū)域，這樣就把溫度這一精確量轉(zhuǎn)變?yōu)榱四：臉?biāo)示符和模糊語言值；接下來是數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫和語言控制規(guī)則是其兩大主要組成部分。模糊推理機(jī)中最常用的Mandani推理方法，包括規(guī)則激活、凝結(jié)隸屬度和綜合輸出三個過程。所謂清晰化，即模糊化的反過程，將輸出的語言的模糊量轉(zhuǎn)換到精確的數(shù)值。廣泛應(yīng)用的清晰化方法：面積重心法、最大隸屬度法和加權(quán)平均法。本文中使用加權(quán)平均法。

圖2 模糊控制系統(tǒng)

模糊推理的重要一環(huán)是模糊規(guī)則的建立。在本文中，通過大量的實際問詢、現(xiàn)場試驗和理論推導(dǎo)，制定出了一整套的控制規(guī)則，例如：如果大梁溫度屬于負(fù)大時，電阻絲以全功率的方式進(jìn)行；如果大梁溫度屬于零時，電阻絲加熱功率為0；如果大梁溫度屬于正大時，電阻絲加熱功率為0，并且溫控器報警。如果溫度升溫速度過快，降低電阻絲加熱功率。具體的模糊控制規(guī)則表和隸屬度函數(shù)如圖3所示。

NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大（表1）。

圖3 模糊規(guī)則表和隸屬度函數(shù)圖

表1

2 耦合溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

由于風(fēng)電葉片在制造過程中，有多段組接而成，為了保證大梁整體的力學(xué)性能，在大梁的生產(chǎn)加熱階段，需要均衡控制各區(qū)域的溫升速度及溫差比例，防止出現(xiàn)過大的溫度差，因此，對象耦合的控制系統(tǒng)設(shè)計成為風(fēng)電葉片大梁生產(chǎn)的重要節(jié)點。

智能多變量解耦是今年來剛剛發(fā)展起來的一門控制理論，它以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制算法為代表，在多變量控制領(lǐng)域取得了不錯的發(fā)展成果。

解耦是把各個回路之間的多輸入多輸出系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€相互獨立的單變量系統(tǒng)。實際裝置中，系統(tǒng)之間的耦合通?？梢酝ㄟ^3條途徑予以解決：（1）在設(shè)計控制方案時，設(shè)法避免和減少對系統(tǒng)有害的耦合；（2）選擇合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，使各個系統(tǒng)的頻率錯開，以減少耦合；（3）設(shè)計解耦控制系統(tǒng)，使各個控制系統(tǒng)相互獨立。

多變量系統(tǒng)能夠成功解耦的重要條件是:系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞矩陣為對角矩陣。但由于解耦前，系統(tǒng)的開環(huán)矩陣必為開環(huán)矩陣，因此為了達(dá)到解耦的目的，必須在多變量控制系統(tǒng)中引入解耦補(bǔ)償裝置。具有補(bǔ)償裝置的多變量解耦控制框圖，如圖4所示。

其中系統(tǒng)閉環(huán)傳遞矩陣，為系統(tǒng)開環(huán)傳遞矩陣，為解耦補(bǔ)償裝置的傳遞矩陣，為控制矩陣。

解耦控制算法的綜合算法一般分為3種：對角線矩陣綜合法、單位矩陣綜合法和前饋補(bǔ)償綜合法。

圖4 多變量解耦控制

3 實驗驗證

為了驗證本系統(tǒng)的科學(xué)性和實用性，在連云港中復(fù)連眾公司大梁生產(chǎn)3號線進(jìn)行了實際應(yīng)用。本條線生產(chǎn)的大梁長度為75m，分為6個區(qū)域，生產(chǎn)過程中分為5個階段進(jìn)行加熱，每個加熱階段均為均衡。每個區(qū)域由英飛凌XC164CS單片機(jī)電路板作為控制單元，通過PT100溫度探頭實時讀取區(qū)域內(nèi)溫度，最后各控制器之間通過以太網(wǎng)組網(wǎng)。上位機(jī)由VB編寫的界面，本界面具有實時顯示曲線和在線實時紀(jì)錄的功能。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場

為了檢驗該系統(tǒng)在大溫差范圍和小溫差范圍的控制特性，設(shè)定控制水溫度為76℃，取水溫變化的23～50℃階段和73～76℃階段進(jìn)行試驗，分別如圖6和圖7所示。

圖6 自適應(yīng)模糊PID控制算法控制圖（起始階段）

圖7 自適應(yīng)模糊PID算法控制圖（穩(wěn)定階段）

從圖6可以得出，在大溫差階段時，控制系統(tǒng)對水溫進(jìn)行加熱，效率較高，大約只需要2小時即可完成升溫過程。在升溫過程中，速度會有逐漸變慢的趨勢，這是由于水溫加熱是通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行，隨著葉片溫度的上升，水介質(zhì)與葉片之間的溫差逐漸變小，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效率降低。另外，在溫度上升的過程中，會有上下起伏現(xiàn)象，這是因為葉片膠質(zhì)固化是一個放熱過程，會產(chǎn)生反向散熱，這也從側(cè)面體現(xiàn)了水加熱的優(yōu)點，不僅能放熱，特定情況下還可以吸熱，保證了葉片型腔內(nèi)部溫度的穩(wěn)定性7可以得出：采用自適應(yīng)模糊理論控制的加熱器，在初始加熱階段，由于溫差仍然較大，因而控制器的輸出功率依然很大，加熱器保持較高效率，溫度能夠穩(wěn)步上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定溫度后，加熱過程明顯減速，控制器根據(jù)溫度起伏范圍，實時改變加熱器功率，保證溫度控制趨于平穩(wěn)，誤差維持在2℃左右，完全符合風(fēng)電葉片后固化工藝要求。

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