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(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

在電工線(xiàn)材生行業(yè)，漆包機(jī)是生產(chǎn)漆包線(xiàn)的主要設(shè)備，生產(chǎn)工序主要包括放線(xiàn)、退火、涂漆、烘焙、冷卻、收線(xiàn)等工序，其中在烘焙工序是影響漆包線(xiàn)質(zhì)量的關(guān)鍵工序，所以在漆包線(xiàn)的生產(chǎn)工藝中，烘爐溫度的控制是相當(dāng)重要的部分[1]。

漆包機(jī)的生產(chǎn)工序中存在著非線(xiàn)性、滯后性強(qiáng)、強(qiáng)耦合等控制現(xiàn)象。有著復(fù)雜的溫度控制難題,其中兩個(gè)重要影響因素是大氣的溫度和氣壓。不同的地理位置與海拔高度，使得氣溫與氣壓會(huì)隨著一天內(nèi)時(shí)間的推移而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致漆包機(jī)烘爐的溫度出現(xiàn)較大異常，采用傳統(tǒng)的對(duì)溫度變量建模、分析和控制的方法難以對(duì)其進(jìn)行綜合控制。

為此本文研究了漆包機(jī)烘爐系統(tǒng)的熱能特性，提出了一種模糊熱能平衡控制與PID溫度控制結(jié)合的漆包烘爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)分析

1.1 漆包機(jī)烘爐物理模型分析

漆包機(jī)烘爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)漆包線(xiàn)上的絕緣漆在烘爐內(nèi)蒸發(fā)后，與循環(huán)熱風(fēng)、兩側(cè)的漏風(fēng)以及新風(fēng)通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用，依次經(jīng)過(guò)前爐、中爐和后爐加熱蒸發(fā)，催化燃燒后的氣體一部分經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入烘爐爐膛以保證漆包線(xiàn)固化和蒸發(fā)所需的溫度，另一部分經(jīng)過(guò)排廢風(fēng)機(jī)排出烘爐[2]。漆包機(jī)生產(chǎn)時(shí)，漆包漆中的溶劑在高溫中比較容易蒸發(fā)，與氧氣結(jié)合發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱能，使得漆包機(jī)烘爐內(nèi)部溫度在前期變化很大。當(dāng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，內(nèi)部氣流穩(wěn)定，漆包機(jī)內(nèi)部存在著熱能平衡關(guān)系，熱能輸入有：電熱管加熱，蒸發(fā)溶劑兩次催化燃燒；而熱量輸出有：排廢時(shí)廢氣帶走的熱量、預(yù)熱烘干新鮮空氣時(shí)的熱量利用、烘爐熱能泄露等。

圖1 漆包機(jī)烘爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 漆包機(jī)烘爐熱能模型分析

漆包機(jī)烘爐內(nèi)部的熱量循環(huán)是揮發(fā)氣體燃燒和電加熱管加熱后熱能轉(zhuǎn)換成空氣、漆包線(xiàn)等物質(zhì)內(nèi)能的過(guò)程,其中伴隨著各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程等情況，要準(zhǔn)確地從理論上描述整個(gè)系統(tǒng)的熱量平衡狀況十分困難,因此將實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而得到便于進(jìn)行計(jì)算分析的烘爐熱能平衡模型，假設(shè)以下兩點(diǎn)[3]：

1)烘爐內(nèi)的原有空氣、經(jīng)過(guò)預(yù)熱吸入的新鮮空氣和爐內(nèi)揮發(fā)氣體被視為理想氣體，整個(gè)循環(huán)中物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變，比熱容為常數(shù)。

2)不考慮空氣與催化燃料的泄露損失，即視總的質(zhì)量保持不變，在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境下新鮮空氣補(bǔ)充了排放失去的氣體。

漆包機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作的狀態(tài)下，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后總量保持不變，同時(shí)以一種或多種不同形式存在，即設(shè)備的熱量輸入與輸出相等，因此得到烘爐的熱能平衡式的模型為[4]：

Q1+Q2=Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

式中，Q1為烘爐內(nèi)的電加熱能(kJ/h)；Q2為有機(jī)溶劑蒸汽經(jīng)過(guò)催化燃燒后釋放的化學(xué)能(kJ/h)；Q3為排放煙氣帶走的熱能(kJ/h)；Q4為導(dǎo)線(xiàn)上聚酯漆固化吸收的熱能(kJ/h)；Q5為爐體散熱(kJ/h)；Q6為逸出蒸汽的熱能(kJ/h)。

圖2 烘爐熱能平衡模型示意圖

1.3 熱能的計(jì)算

烘爐內(nèi)混合氣體在不同溫度下的密度和比熱容可采用公式(2)、(3)進(jìn)行計(jì)算：

ρc=∑ρiVi

(2)

(3)

其中：ρc為混合氣體密度(kg/m3)；ρi為各種組成氣體的密度(kg/m3)；Ci為混合氣體比熱容；Vi為組成氣體占混合氣體的體積百分比；Mi為組成氣體質(zhì)量；新風(fēng)的成分是空氣，廢氣的成分根據(jù)油漆溶劑的催化燃燒來(lái)計(jì)算。

利用前文研究分析，計(jì)算風(fēng)量時(shí)只需要計(jì)算廢氣，其他風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的混合氣體不需要考慮。銅線(xiàn)選定線(xiàn)徑為0.15 mm，漆膜外徑為0.18 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)新風(fēng)風(fēng)量為V=420 m3/h，根據(jù)熱力學(xué)中物料守恒定律得到漆包機(jī)烘爐內(nèi)物料平衡的關(guān)系，如式(4)所示：

M油+M銅+M新=M漆+M銅+M廢

(4)

1.4 漆包機(jī)烘爐系統(tǒng)熱能

漆包機(jī)設(shè)備在正常連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，首先加熱管并不是一直工作，排廢風(fēng)機(jī)工作時(shí)一般是固定轉(zhuǎn)速，排出的熱量此時(shí)可以看作是一個(gè)定量；然后爐體散熱所帶走的熱量可以看作是一個(gè)固定常數(shù)，而且在系統(tǒng)總熱量當(dāng)中影響不大；接著由于可以忽視容積功(因壓力差作用，烘爐內(nèi)的熱力系統(tǒng)對(duì)外做功)、氣體動(dòng)能和位能的變化，另外有機(jī)溶劑蒸汽的內(nèi)化學(xué)能總是補(bǔ)充了為進(jìn)行催化燃燒時(shí)所吸收的熱量能，基本維持了一定的平衡態(tài)[5]，因此系統(tǒng)總熱量的計(jì)算式簡(jiǎn)化為：

ΔQ=VCVdT

(5)

其中:ΔQ為排廢風(fēng)機(jī)需要改變的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兣懦龅臒崃緾v為烘爐熱蒸汽的比熱，dT為爐內(nèi)測(cè)得的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之差，即dT=(t-t0)，t為實(shí)際溫度，t0為設(shè)定溫度。

由于本文研究的漆包機(jī)烘爐是經(jīng)過(guò)加長(zhǎng)到4米的，為了使溫度控制效果更加準(zhǔn)確，現(xiàn)把烘爐按照前、中、后3個(gè)部分計(jì)算，則系統(tǒng)熱量變化計(jì)算式進(jìn)一步演變成：

Q=VfCf(tf-t1)+VmCm(tm-t2)+VbCb(tb-t3)+

VACA(tA-t4)+VBCB(tB-t5)

(6)

式中，Vf、Vm、Vb分別為前爐、中爐、后爐的容積, 同時(shí)Vf=Vm=Vb=VH/3，VH為烘爐容積。tf、tm、tb和t1、t2、t3分別是實(shí)際溫度和設(shè)定溫度。VA、VB分別為催化前和催化后爐腔的容積，tA、tB和t4、t5為相對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度，為了計(jì)算和控制方便，Cf、Cm、Cb三個(gè)比熱容都取相對(duì)值0.63。CA、CB兩個(gè)比熱容都取相對(duì)值1.9。系統(tǒng)熱量計(jì)算公式為：

1.9V4(t4-t0)+1.9V5(t5-t0)

(7)

將結(jié)果作為熱能平衡控制系統(tǒng)的給定值添加到模糊控制當(dāng)中，通過(guò)控制排廢風(fēng)機(jī)以達(dá)到烘爐整體的熱量平衡。

2 熱能模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱能控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)漆包機(jī)物理模型和烘爐熱能模型的分析，可以建立如圖3所示控制系統(tǒng)整體原理圖。烘爐內(nèi)熱量的產(chǎn)生有以下兩種：漆包線(xiàn)有機(jī)溶劑蒸汽的兩級(jí)催化燃燒和電加熱，而消耗則有煙氣排放、爐體散熱等形式[7]。在前面的論述當(dāng)中，最后的結(jié)果是把熱量變化值添加到模糊控制中作為設(shè)定值，然后通過(guò)調(diào)節(jié)排廢風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制整個(gè)漆包機(jī)烘爐的總熱量，保持系統(tǒng)的熱能平衡，并為后面對(duì)烘爐內(nèi)各個(gè)區(qū)域溫度的控制提供保證。先根據(jù)熱能平衡公式計(jì)算理論熱能值，該結(jié)果將作為模糊控制的輸入量進(jìn)行模糊、解模糊處理，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后對(duì)排廢風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與設(shè)定基準(zhǔn)作比較來(lái)判斷系統(tǒng)是否需要加熱。熱能控制方法原理如圖4所示。

圖3 熱能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖4 熱能控制方法原理示意圖

2.2 熱能模糊控制器設(shè)計(jì)

一般模糊控制器可以分為一維、二維和多維控制器,理論上精度隨著維數(shù)增多而提高，但隨之出現(xiàn)的問(wèn)題是模糊規(guī)則和模糊決策的復(fù)雜度大大提升，要求控制系統(tǒng)在硬件上有良好的計(jì)算能力?？紤]到漆包機(jī)系統(tǒng)的遲滯性和系統(tǒng)復(fù)雜性，本文采用常規(guī)的二維模糊控制器[6]，根據(jù)當(dāng)前熱能與設(shè)定熱能對(duì)排廢風(fēng)機(jī)進(jìn)行模糊控制。以實(shí)現(xiàn)圖3中所示熱能反饋控制部分?？刂谱兞吭O(shè)置如下：控制對(duì)象為烘爐熱能；主控制變量為排廢風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；副控制變量為電加熱管輸出功率。

2.2.1 模糊控制

模糊控制主要由下列幾部組成：1)模糊化控制器的輸入量；2)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立相應(yīng)模糊規(guī)則庫(kù)；3)進(jìn)行基于知識(shí)的模糊推理；4)將推理得到的控制量進(jìn)行解模糊。模糊控制的基本原理如圖5所示，把系統(tǒng)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制量進(jìn)行模糊處理，首先按照模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,然后進(jìn)行解模糊化，最后把控制量進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出。

圖5 模糊控制的基本原理

2.2.2 模糊化

本文中模糊論域選擇了“大”、“中”、“小”3個(gè)級(jí)別描述輸入輸出變量的狀態(tài),因此總共劃分了正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大7個(gè)模糊集合,各狀態(tài)的英文縮寫(xiě)為PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB。其中模糊集合中特征函數(shù)被稱(chēng)為“隸屬函數(shù)”，本文采用三角形隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊化[7]。通過(guò)式(2)可知，檢測(cè)到的溫度Q以及設(shè)定的溫度計(jì)算熱能值Qt，熱能誤差E=Q-Qt。相對(duì)偏差量化關(guān)系如表1所示。EC=dE/dt為熱能誤差變化率，用誤差的差值變化率EC=En-En-1來(lái)代替。偏差變化率量化關(guān)系表如圖表2所示。

表1 相對(duì)偏差量化關(guān)系表

表 2 偏差變化率量化關(guān)系表

2.2.3 模糊推理

模糊控制器的主要作用是模糊推理,它是模仿人的邏輯推理(例如,人們根據(jù)條件“假如西紅柿是紅的”,推出“則西紅柿是熟的”),把一個(gè)或者幾個(gè)已知的信息根據(jù)一定的原則或者經(jīng)驗(yàn)推理出一個(gè)新的判斷的方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和使用效果不斷進(jìn)行修正和完善。利用語(yǔ)言歸納模糊控制決策的過(guò)程，實(shí)際上就是模糊控制器控制規(guī)則的建立過(guò)程[8]。模糊推理的過(guò)程，是由模糊蘊(yùn)含關(guān)系與模糊集合之間的合成運(yùn)算規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表3 排廢風(fēng)機(jī)輸出控制規(guī)則表

如表3所示，U表示模糊控制的輸出，為了兼顧模糊控制器的精度和反應(yīng)速度,用7檔來(lái)表示，所對(duì)應(yīng)的模糊詞集為{正大,正中,正小,零,負(fù)小,負(fù)中,負(fù)大}，表示調(diào)節(jié)當(dāng)前排廢風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量，控制量u由式(8)得出：

u=(e×ec)°R

(8)

2.2.4 解模糊

由于模糊推理后的值都是模糊數(shù)值,不能直接應(yīng)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,需要把模糊量轉(zhuǎn)化為被控對(duì)象可識(shí)別的實(shí)際精確值,此過(guò)程成為反模糊化。解模糊判決是指從模糊集合中選出一個(gè)相對(duì)最合適代表這個(gè)集合的精確值的過(guò)程。本文所采用的解模糊判斷方法是最大隸屬度法,即使用隸屬度中極大元素作為輸出量。根據(jù)表3排廢風(fēng)機(jī)輸出控制規(guī)則表和表4排廢風(fēng)機(jī)輸出功率量化表,可得出風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)整狀態(tài),即排廢風(fēng)機(jī)需要調(diào)整的輸出功率變化范圍。

表4 排廢風(fēng)機(jī)輸出功率量化表

2.3 熱能模糊控制流程

對(duì)于熱能平衡控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),熱量的產(chǎn)生有以下兩種:漆包線(xiàn)有機(jī)溶劑蒸汽的兩級(jí)催化燃燒和電加熱,而消耗則有煙氣排放、爐體散熱等形式。漆包機(jī)控制系統(tǒng)的控制流程如圖6所示,先根據(jù)熱能平衡公式計(jì)算理論熱能值,該結(jié)果將作為模糊控制的輸入量進(jìn)行模糊化、解模糊處理,經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后對(duì)排廢風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制,根據(jù)排廢風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與設(shè)定基準(zhǔn)作比較來(lái)判斷系統(tǒng)是否需要加熱?？刂埔?guī)則如圖2.2所示。根據(jù)當(dāng)前熱能Q和標(biāo)定熱能Qt計(jì)算出熱能偏差E和熱能偏差變化率EC作為模糊輸入,以起到對(duì)排廢風(fēng)機(jī)的控制。

3 試驗(yàn)與測(cè)試

本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證本文所述模糊控制系統(tǒng)。該部分的實(shí)現(xiàn)流程如下：軟件控制算法在觸摸屏組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)，首先在MCGS觸摸屏[9]上設(shè)計(jì)好控制界面，編寫(xiě)好控制代碼，然后通過(guò)RS232總線(xiàn)與信息交互模塊相接后基于RS485分別與溫控表、變頻器并行連接。其中溫控表用以采集監(jiān)控點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和控制電加熱管進(jìn)行加熱，變頻器是對(duì)排廢風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)烘爐總的熱能平衡。硬件連接如圖7所示。

圖7 熱能平衡模糊硬件系統(tǒng)

通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用Matlab觀察在控制器存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)中可得，圖8漆包機(jī)開(kāi)機(jī)過(guò)程中兩種控制算法的對(duì)比；圖9漆包機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行下兩種控制算法對(duì)比。由圖8可得，傳統(tǒng)溫度控制方式下開(kāi)機(jī)時(shí)溫度超調(diào)量略微高于本文所述熱能模糊控制方法；由圖9可得，本文所述熱能模糊控制方法可以有效抑制爐溫波動(dòng)現(xiàn)象。結(jié)果表明，此模糊控制算法用于漆包機(jī)烘爐溫度控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)響應(yīng)快于傳統(tǒng)控制方法，連續(xù)生產(chǎn)烘爐溫度波動(dòng)小，比較平穩(wěn)，控制效果良好,相對(duì)更加穩(wěn)定的位于標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)溫度。

圖8 開(kāi)機(jī)過(guò)工程中兩種算法對(duì)比

圖9 穩(wěn)定運(yùn)行下兩種算法對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述方法通過(guò)給出了漆包機(jī)烘爐的熱能平衡模型，提出相應(yīng)的熱能平衡控制方法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，使用此方法可以解決漆包線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中外界因素對(duì)漆包機(jī)烘爐溫度產(chǎn)生的擾動(dòng)。該熱平衡控制方法具有優(yōu)點(diǎn)如下：熱平衡系統(tǒng)為烘爐內(nèi)各區(qū)域的溫度調(diào)節(jié)提供了可靠保障；使烘爐的溫控能夠自適應(yīng)環(huán)境溫度的變化，不受春夏秋冬和晝夜氣溫變化的影響；熱平衡系統(tǒng)以節(jié)約烘爐內(nèi)加熱管消耗電能為準(zhǔn)則，最大限度地減少電能消耗，提高產(chǎn)能比。

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