張永進(jìn)

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 襄陽(yáng)卷煙廠,湖北 襄陽(yáng) 441000)

我國(guó)于20世紀(jì)50年代才開(kāi)始生產(chǎn)電爐,早期是小型電阻爐、中頻感應(yīng)爐、煉鋼電弧爐等。20世紀(jì)60年代發(fā)展了控制氣氛電阻爐和真空電阻爐、真空電弧爐等。20世紀(jì)70、80年代煉鋼電弧爐單臺(tái)容量發(fā)展到75 t,并制成連續(xù)式氣體滲碳爐、離子氮化爐、真空淬火爐、微波爐、單晶爐、遠(yuǎn)紅外爐等。20世紀(jì)90年代,40 t直流煉鋼電弧爐、250 tLF型鋼包精煉爐相繼開(kāi)發(fā)并投入工業(yè)運(yùn)行。對(duì)電爐溫度自動(dòng)控制而言,傳統(tǒng)的人工檢測(cè)電爐溫度的方法僅適用于位置集中、面積不大的小型電爐廠,但目前的電爐廠均為占地面積大、空間分散的類(lèi)型,人工檢測(cè)和調(diào)溫周期長(zhǎng),易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。因此試驗(yàn)性電爐的智能化管理也是當(dāng)前現(xiàn)代化電爐建設(shè)的重點(diǎn)[1]。

近年來(lái)隨著傳感器等電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,廣泛地應(yīng)用在電爐溫度監(jiān)測(cè)與控制中。在文獻(xiàn)[2]中將常規(guī)的PID控制和BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合,解耦自動(dòng)控制是依據(jù)溫度完成的;文獻(xiàn)[3]中確定需要驗(yàn)證的傳遞函數(shù)及參數(shù),模擬得出傳統(tǒng)PID溫度控制仿真曲線,進(jìn)而設(shè)計(jì)一種模糊控制器,能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)P、I、D三個(gè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)溫度的控制。但是這兩種方法中,對(duì)于溫度控制速度、超調(diào)量以及受到干擾時(shí)的控制效果不好,因此本文提出一種基于單神經(jīng)元PID的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法。

1 單神經(jīng)元PID下電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制

1.1 電爐加熱多點(diǎn)溫度采集

實(shí)現(xiàn)電爐加熱多點(diǎn)溫度的控制,首先要完成溫度的采集工作。在電爐多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法中,需要在電爐中布置大量的溫度傳感器,為了提升溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性,采用型號(hào)為DS 18B20的數(shù)字傳感器。該型號(hào)的傳感器的三個(gè)引腳分別為GND、VDD、DQ[4-5],其具有的簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)也具有較高的性?xún)r(jià)比。該傳感器在溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程中,能夠正常工作的溫度范圍為-37～71 ℃,能夠反映出的溫度最小變化范圍為0.2 ℃。該傳感器在電爐的多點(diǎn)布置中,能夠省略MCU的IO接口,因此在同一電爐內(nèi)的傳感器可以構(gòu)建小型網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)采集結(jié)果的通信,在采集任務(wù)結(jié)束之后,各個(gè)傳感器可以保持空閑狀態(tài)來(lái)降低功耗。

傳感器的采集讀取過(guò)程為:將傳感器的數(shù)據(jù)線通過(guò)復(fù)位的方式進(jìn)行拉低,在經(jīng)過(guò)360～840 μs后,對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行釋放,同時(shí),發(fā)送命令跳過(guò)從ROM讀取地址,隨后在轉(zhuǎn)換命令中收到發(fā)送過(guò)來(lái)的指令,在完成溫度測(cè)量任務(wù)之后,發(fā)送命令來(lái)讀取存儲(chǔ)器,傳感器則將測(cè)量的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)的形式完成讀取和返回[6-8]。該傳感器在單一的IO口處可以掛載的數(shù)量很多,共同形成單總線式的多點(diǎn)分布溫度采集網(wǎng)絡(luò)。在測(cè)量時(shí)可以指定并獲取到傳感器的唯一光刻ROM地址,可將其視為傳感器的地址序列碼。核心單片機(jī)在完成測(cè)溫命令的發(fā)送后,可以限定命令的相關(guān)對(duì)象。在電爐中存在數(shù)量較多的溫度傳感器時(shí),可以使用二叉樹(shù)遍歷法經(jīng)過(guò)一次遍歷搜索,來(lái)讀取總線掛載的傳感器地址,根據(jù)傳感器記錄的地址,來(lái)完成指定溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集[9-11]。在具體搜索過(guò)程中,由主機(jī)完成搜索命令的發(fā)送,電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感器會(huì)先后完成地址第一數(shù)據(jù)反碼的回復(fù),主機(jī)會(huì)根據(jù)總網(wǎng)絡(luò)中的電平完成判斷。

1.2 單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

想要實(shí)現(xiàn)電爐內(nèi)的多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制,實(shí)際上就是自適應(yīng)系統(tǒng)所具有的一定適應(yīng)能力的表現(xiàn)[12-15]。能夠認(rèn)識(shí)到電爐中溫度條件的變化,并自動(dòng)完成電爐內(nèi)的溫度校正。在自適應(yīng)控制的過(guò)程中,溫度自動(dòng)控制方法需要不斷地進(jìn)行電爐內(nèi)溫度信息的檢測(cè)和處理,了解電爐內(nèi)的溫度變化情況。主要在于控制過(guò)程中能夠?qū)囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和處理,對(duì)電爐內(nèi)的溫度狀態(tài)有全方位的了解。這種自適應(yīng)控制的是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而發(fā)展起來(lái)的具有學(xué)習(xí)能力的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[16-18]。對(duì)于電爐加熱來(lái)說(shuō),需要有精準(zhǔn)的溫度控制能力。本文是基于單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的控制要求的,單神經(jīng)元模型如圖1所示。

圖1 單神經(jīng)元模型

圖1中,xi和ωi分別表示單神經(jīng)元中第i個(gè)輸入以及相對(duì)應(yīng)的連接權(quán)值。K表示神經(jīng)元的相關(guān)比例增益系數(shù),影響整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力[19-21]。用式(1)可以表示為

(1)

式中:X為輸入向量;W為X的權(quán)值。如何運(yùn)用單神經(jīng)元PID控制,則需要經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)改正單神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度和加權(quán)系數(shù)[22-23]。在學(xué)習(xí)單神經(jīng)元控制器的算法中,連接權(quán)值是需要不斷調(diào)整的,才能體現(xiàn)出控制器的學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)算法為

ωi(k+1)=ωi(k)+ηiri(k)

(2)

式中:ri(k)的學(xué)習(xí)信號(hào)是通過(guò)程遞減來(lái)體現(xiàn)的;ηi為學(xué)習(xí)速度,其常數(shù)值是大于0的[24-25]。這種學(xué)習(xí)算法能夠讓神經(jīng)元通過(guò)一些關(guān)聯(lián)規(guī)則完成搜索,并對(duì)電爐內(nèi)部的反應(yīng)來(lái)體現(xiàn)溫度變化的,通過(guò)不斷努力學(xué)習(xí)信號(hào)的情況下,要相應(yīng)地對(duì)環(huán)境信息做出加強(qiáng)或減少的改動(dòng)。由于使用的神經(jīng)元具有一定的自學(xué)功能,因此權(quán)值的初始值對(duì)于電爐整體的控制效果影響不大。

1.3 溫度傳輸通信方案設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的溫度控制方法中,經(jīng)過(guò)各方面條件的綜合考慮之后,通信方案采用的是無(wú)線通訊。在通信方面采用了ZigBee技術(shù),其低功耗、低速率的無(wú)線傳輸能夠使其穩(wěn)定地在多個(gè)電磁波頻率段工作[26-27]。在這種技術(shù)中,標(biāo)準(zhǔn)定義是取決于對(duì)物理層和媒體訪問(wèn)控制層來(lái)定義的。本文是由ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建的,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,設(shè)備之間存在一定的層次關(guān)系,例如終端節(jié)點(diǎn),只能夠與路由設(shè)備進(jìn)行通信。但是在通常情況下,網(wǎng)絡(luò)中任意相鄰層次之間的兩個(gè)設(shè)備中都會(huì)存在兩條以及兩條以上的通信鏈路,這就保證了在大環(huán)境下,當(dāng)某條鏈路無(wú)法完成通信要求時(shí),設(shè)備可以自動(dòng)切換到另一條可以正常使用的鏈路,替代原有的路徑保證通信的正常進(jìn)行,這對(duì)于整體的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性[28-30]。為了保證大型電爐能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)死角通信,多個(gè)路由器可以安排在電爐周?chē)?這樣就不用擔(dān)心超出終端節(jié)點(diǎn)的通信范圍[31]。至此完成了基于單神經(jīng)元PID的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法的設(shè)計(jì)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于單神經(jīng)元PID的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法具有一定的有效性,需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于電爐來(lái)說(shuō),其機(jī)理建模在實(shí)際條件下受到客觀條件的限制很難做到精準(zhǔn)。在將要進(jìn)行額實(shí)驗(yàn)?zāi)M的過(guò)程中,將實(shí)驗(yàn)的電爐比作黑箱,利用輸入信號(hào)來(lái)研究對(duì)象的輸出響應(yīng)信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)之間的關(guān)系,能夠較好地模擬電爐內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和機(jī)理?？紤]到電爐的復(fù)雜結(jié)構(gòu),且其中之間的變量只存在一些相關(guān)的關(guān)系,因此采用實(shí)驗(yàn)建模獲取電爐的系統(tǒng)模型。

從宏觀上看,電爐是一個(gè)具有一定熱容量的對(duì)象,電爐加熱的多點(diǎn)溫度控制設(shè)備通電之后,設(shè)備中的傳感器之間相互作用,對(duì)電爐內(nèi)部的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制的過(guò)程中,電爐內(nèi)的溫度會(huì)隨著設(shè)備的控制而發(fā)生變化,電爐有一定的容量滯后。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電爐進(jìn)行建模時(shí),首先要進(jìn)行電爐的參數(shù)測(cè)定。電爐在不同溫度控制情況下的階躍響應(yīng)曲線之間差別不大,本文實(shí)驗(yàn)中取實(shí)驗(yàn)當(dāng)天溫控情況的曲線進(jìn)行研究,來(lái)得到電爐的近似特征參數(shù)。階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 電爐階躍響應(yīng)曲線

通過(guò)上述中的階躍響應(yīng)曲線,協(xié)同下式來(lái)測(cè)定電爐建模的內(nèi)部參數(shù):

(3)

式中:T為電爐的時(shí)間常數(shù);τ為發(fā)生滯后的純常數(shù);t0.26、t0.73分別為電爐階躍響應(yīng)曲線為0.26y和0.73y所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前,需要斷開(kāi)設(shè)備的反饋通道,對(duì)于電爐內(nèi)部的溫度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié),使電爐處于初穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電爐內(nèi)溫度穩(wěn)定后,記錄下此時(shí)的數(shù)據(jù)為17.5 ℃,計(jì)算出建模的參數(shù),T值為2 355,τ為227,得到電爐的近似模型為

(4)

在得到電爐模型后,需要對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.2 溫度自動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)主要是在Matlab軟件上實(shí)現(xiàn)的,基于單神經(jīng)元PID的電爐多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法的控制流程如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元PID控制流程

對(duì)于單神經(jīng)元PID控制流程來(lái)說(shuō),其比例P、積分I和微分D在自適應(yīng)權(quán)值學(xué)習(xí)公式中有不同的學(xué)習(xí)率,這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)它們各自權(quán)系數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。除此之外,在學(xué)習(xí)過(guò)程中采用不同的學(xué)習(xí)率,不會(huì)因?yàn)槟承╉?xiàng)由于相差太大的原因而被淹沒(méi)。在本文設(shè)計(jì)的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法中,控制過(guò)程屬于一個(gè)閉環(huán)回路,將單神經(jīng)元PID控制器運(yùn)行到控制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫之后,做一段時(shí)間的權(quán)值修正,直到將神經(jīng)元權(quán)值訓(xùn)練到滿意的調(diào)節(jié)效果,否則會(huì)影響控制器在整個(gè)控制過(guò)程中的效果。

因此需要制定神經(jīng)元權(quán)值的訓(xùn)練結(jié)果的選取規(guī)則:對(duì)于電爐產(chǎn)生的階躍響應(yīng)曲線來(lái)說(shuō),如果輸出的部分存在較大的超調(diào),并伴隨著正弦衰減的情況,應(yīng)該減少電爐的放大系數(shù),保證比例P、積分I和微分D的學(xué)習(xí)效率不變;當(dāng)階躍曲線上升情況下保持的時(shí)間長(zhǎng),且不存在超調(diào)的情況下,要增大電爐的放大系數(shù),同時(shí)保持三個(gè)學(xué)習(xí)效率不變;在階躍的輸入過(guò)程中如果溫度不斷產(chǎn)生正弦衰減現(xiàn)象,只需要調(diào)整比例P的學(xué)習(xí)效率,減少其值,其他參數(shù)保證不變。綜上所述,在訓(xùn)練單神經(jīng)元權(quán)值的過(guò)程中,主要是根據(jù)電爐內(nèi)的多點(diǎn)被控溫度的階躍曲線上升情況,對(duì)三個(gè)學(xué)習(xí)效率進(jìn)行調(diào)整,得到相應(yīng)的權(quán)值后,將其帶入到函數(shù)當(dāng)中去,根據(jù)曲線情況完成調(diào)節(jié),得到最終的參數(shù)。隨后將得到的參數(shù)帶入,分別使用常規(guī)的PID控制方法和本文設(shè)計(jì)的單神經(jīng)元PID算法對(duì)電爐中的多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試。

2.3 糧倉(cāng)自動(dòng)控溫實(shí)驗(yàn)

在上述的實(shí)驗(yàn)條件下,分別得到兩種控制方法的相關(guān)參數(shù),帶入到電爐中對(duì)其進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。由于實(shí)際的電爐模型與環(huán)境與仿真軟件中會(huì)存在一定的差異,因此在經(jīng)過(guò)多次的參數(shù)調(diào)整之后,得到兩種方法的電爐溫度曲線如圖4、圖5所示。

圖4 常規(guī)PID控制方法的電爐自動(dòng)控溫曲線

圖5 本文單神經(jīng)元PID控制方法的電爐自動(dòng)控溫曲線

根據(jù)以圖4和圖5可以進(jìn)行分析,常規(guī)方法中的調(diào)節(jié)時(shí)間為112 min,超調(diào)量為7.33%,并在電爐的溫度保持30 min左右時(shí),對(duì)電爐內(nèi)的溫度施加一定的外界干擾,其回到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為21 min;使用本文設(shè)計(jì)的溫度自動(dòng)控制方法的電爐中,調(diào)節(jié)時(shí)間為91 min,超調(diào)量為2.1%,并在電爐的溫度保持30 min左右時(shí),對(duì)電爐的溫度施加一定的外界干擾,其回到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為13 min,并且其超調(diào)程度可以忽略。

綜上所述,從電爐內(nèi)多點(diǎn)溫度控制的實(shí)際情況來(lái)看,本文單神經(jīng)元PID的控制方法的動(dòng)態(tài)特性要好于傳統(tǒng)方法,維持、穩(wěn)定電爐內(nèi)溫度的速度、降低超調(diào)量等方面有明顯的優(yōu)勢(shì),且穩(wěn)態(tài)過(guò)程沒(méi)有振蕩,對(duì)于溫度的控制精度保持在±1 ℃內(nèi)。因此可以得到結(jié)論,使用本文設(shè)計(jì)的基于單神經(jīng)元PID的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法的應(yīng)用效果要明顯好于常規(guī)方法。

2.4 溫度數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法在溫度數(shù)據(jù)傳輸方面的性能,以丟包率作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo),其是指?jìng)鬏斨兴鶃G失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率,丟包率越小說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸越完整,更利于電爐溫度的控制?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)條件,在不同的節(jié)點(diǎn)距離下均發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包,對(duì)比本文方法與常規(guī)PID控制方法,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 溫度數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

由表1可知,節(jié)點(diǎn)距離在50 m以?xún)?nèi)是兩種方法的丟包率相差較小,但隨著節(jié)點(diǎn)距離的增大,兩種方法的丟包率相差越大,但本文方法可以保證100 m節(jié)點(diǎn)距離內(nèi)丟包率低于2.0 %,證明本文方法可以在100 m以?xún)?nèi)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)電爐溫度控制方法中的弊端,設(shè)計(jì)了一種基于單神經(jīng)元PID的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法。為了實(shí)現(xiàn)電爐加熱多點(diǎn)溫度控制,首先要采集溫度,在電爐不同位置布置大量溫度數(shù)字傳感器,采集讀取過(guò)程中得到傳感器地址,使用二叉樹(shù)遍歷法搜索到總線掛載的傳感器地址,完成溫度采集,根據(jù)單神經(jīng)元模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法,完成單神經(jīng)元PID控制器的設(shè)計(jì),最后利用ZigBee技術(shù)搭建通信網(wǎng)絡(luò),搭建多備用鏈路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),完成基于單神經(jīng)元PID的電爐加熱多點(diǎn)溫度自動(dòng)控制方法的設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的控制方法在加快溫度控制速度、降低超調(diào)量以及干擾的方面,具有一定的優(yōu)越性。