佟 欣 徐 申 李志剛

(1.營口理工學院，2.中唯煉焦技術國家工程研究中心有限責任公司，3.鞍山速遠科技有限公司)

基于溫度滯后的爐窯溫度控制一直是研究領域的熱點之一。由于傳統(tǒng)PID控制器具有結(jié)構簡單、控制精度高、不需要建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型和魯棒性強等優(yōu)點，在溫度控制領域得到了廣泛的應用。但PID控制器的控制效果取決于參數(shù)設定情況，參數(shù)設定不恰當會導致溫度波動大或系統(tǒng)控制不穩(wěn)定、失調(diào)等問題[1]。

模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種控制技術[2]。模糊控制非常適用數(shù)學模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握的控制系統(tǒng)。模糊控制的優(yōu)點是魯棒性強，但也存在控制精度低和動態(tài)品質(zhì)差等缺點。

基于上述結(jié)論，文章設計了一種將兩種控制器優(yōu)缺點互補的智能混合型控制器，并應用在焦炭反應性強度測定裝置中，取得了較好的控制效果。

1 智能混合型控制器的設計

文章提出將模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器組成一個新的智能混合型控制器。首先定義溫度偏差值為溫度升溫實際測量值與控制程序升溫目標設定值的差。

e=TPV-TSV

(1)

式中：e為溫度偏差值；TPV為溫度升溫實測值；TSV為控制程序升溫目標設定值。

通過比較溫度偏差值e和切換值u，實現(xiàn)PID控制器和模糊控制器間的切換，使該控制器既能適應溫度大滯后控制，又能具有PID控制器的消除穩(wěn)態(tài)誤差、提高系統(tǒng)的控制精度的優(yōu)點，其結(jié)構如圖1所示[3]。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

當溫度偏差值大于切換設定值時，模糊控制器工作。為了克服溫度大滯后引起的測量溫度變化緩慢，該控制系統(tǒng)引入爐溫偏差值變化率和溫度偏差值作為模糊控制器的輸入變量，模糊控制器的輸出變量作為溫度控制器的控制輸入信號。通過模糊控制加大溫度控制器的輸入量，盡量追趕上目標溫度設定值，減小溫度偏差值，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。當溫度偏差值小于等于切換設定值時，PID控制器工作，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。在此模糊PID控制器的輸出中加入積分器的值，提高模糊PID控制系統(tǒng)精度。

綜上所述，該系統(tǒng)具有抗溫度滯后，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制穩(wěn)定性，防止控制系統(tǒng)超調(diào)和震蕩，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的優(yōu)點。

2 模糊控制器的相關參數(shù)設置

2.1 溫度偏差值隸屬度

依據(jù)焦炭反應性強度測定裝置國標中對加熱工藝控制要求與現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗交流可知，當反應器溫度升高到750 ℃左右，會出現(xiàn)溫度控制超調(diào)的情況。根據(jù)現(xiàn)場設備升溫曲線記錄情況與控制程序升溫目標值，將焦炭反應性強度測定裝置的溫度偏差值的模糊論域設定為[-80，80]，分點差值設定為20，相關公式為[4]：

(2)

式中：Ni為分點值對應的子集{-80，-40，-20，0，20，40，80}；Di為溫度偏差值隸屬度的映射子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

2.2 溫度偏差值變化率隸屬度

根據(jù)焦炭反應性強度測定裝置的實際溫度數(shù)據(jù)采集運行情況，采集2個控制器掃描周期內(nèi)的溫度偏差值的差值做為溫度偏差值變化率。根據(jù)現(xiàn)場設備的升溫曲線記錄情況與系統(tǒng)工作時升溫目標值，將相鄰兩個掃描周期內(nèi)溫度偏差值變化率的模糊論域設定為[-8，8]，分點差值設定為2，相關公式如下：

Tv=Ti-Ti-1

(3)

(4)

式中：Tv為溫度偏差值變化率；Ti為第i個掃描周期內(nèi)的溫度偏差值；Ti-1為第i-1個掃描周期內(nèi)的溫度偏差值；Li為系統(tǒng)分點值對應的子集{-8，-4，-2，0，2，4，8}；Gi為掃描周期內(nèi)溫度偏差值的變化率隸屬度映射子集{NBV，NMV，NSV，ZO，PSV，PMV，PBV}。

2.3 模糊控制量的反模糊化

模糊控制器的運算結(jié)果是一個模糊集合，不是加熱控制系統(tǒng)的輸入精確值，無法驅(qū)動加熱執(zhí)行單元。所以必須將模糊集合結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值，該過程稱為反模糊化。在該控制系統(tǒng)中，反模糊化的解法采用MIN-MAX重心法。

由于模糊控制器的輸入信號由溫度偏差值和溫度偏差值的變化率共同決定，假設溫度偏差值模糊控制量集合A的重心為Z，溫度偏差值變化率模糊控制量集合B的重心為M，公式如下：

(5)

(6)

OZ=OD+OG

(7)

式中：OD為溫度偏差的模糊控制輸出值；OG為溫度偏差變化率的模糊控制輸出值；OZ為溫度模糊控制總輸出值；uA(Zi)為輸出量OD在值為Z的時候?qū)碾`屬度函數(shù)的隸屬度的值；uB(Mi)為輸出量OG在值為Z的時候?qū)碾`屬度函數(shù)的隸屬度的值。當處理連續(xù)數(shù)據(jù)時可將求和符號轉(zhuǎn)變?yōu)榉e分符號。

3 實際應用舉例

根據(jù)上述控制算法編寫溫度控制系統(tǒng)程序，并應用在焦炭反應性強度測定裝置，驗證上述控制系統(tǒng)算法的正確性。

3.1 控制系統(tǒng)簡介

該控制系統(tǒng)設計采用西門子公司的S7-1200PLC為控制器，因為該控制器支持SCL語言編程，方便編寫模糊控制算法語句。SCL編程語言可實現(xiàn)模糊控制算法、反模糊計算等。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)觸摸屏用來實現(xiàn)設備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲[5]。

3.2 控制算法在PLC上的部署

在博圖軟件中，沒有模糊控制算法，可以利用Matlab引入算法到博圖軟件中。在Matlab軟件仿真工具箱中，打開模糊控制器，在控制器屬性中設置相關模糊控制參數(shù)，參數(shù)設置完成后，在仿真界面中選中模糊控制塊，鼠標右鍵選擇轉(zhuǎn)換成SCL語言。然后將語句粘貼到博途軟件編輯軟件FB功能塊中，修改輸入、輸出等相關參數(shù)[6]。

PID控制器相關設定，用SCL語句編寫PID控制程序，這樣可以非常容易設置積分飽和、輸出最大值控制等參數(shù)，最后設定PID控制系統(tǒng)的系統(tǒng)采樣周期為0.5 s；u=30；P=20，I=150，D=15，在這里的比例系數(shù)為正比例。

3.3 焦炭反應性強度測定裝置溫度控制規(guī)則

國標規(guī)定焦炭反應器的升溫速度為8～16 ℃/min。當中層溫度到400 ℃時，延遲20 s通入0.8 L /min的保護氣體N2防止焦炭試樣燒損。當中層溫度到1 050 ℃時，CO2氣瓶降壓閥組中的預熱器開始工作。當中層溫度到1 100 ℃時，通入5 L /min的N2，10 min后改通5 L /min 的CO2，反應器內(nèi)焦炭與CO2開始反應。當系統(tǒng)通入5 L /min的N2后，氣體流量變化導致反應器內(nèi)溫度出現(xiàn)波動，該波動調(diào)整應在5～10 min內(nèi)恢到目標控制溫度1 100 ℃，溫度范圍1 100 ± 3 ℃。反應器通入CO22 h后加熱裝置停止加熱，停止通入CO2氣體，改通2 L /min的N2。反應器溫度降到150 ℃后結(jié)束試驗[7]。

3.4 焦炭反應性強度測定裝置溫度控制要求

焦炭反應性強度測定裝置加熱方法為可控硅模塊控制電爐絲加熱，三段式獨立加熱結(jié)構，爐膛內(nèi)恒溫區(qū)規(guī)定溫度范圍1 100± 3 ℃，三段式獨立加熱結(jié)構每段長度不小于150 mm，三段式加熱爐整體結(jié)構如圖2。

圖2 三段式加熱爐結(jié)構

3.5 控制效果

圖3、圖4分別給出了傳統(tǒng)PID控制器和采用智能混合控制器的焦炭反應性強度測定裝置升溫曲線。

圖3 傳統(tǒng)PID控制器的升溫曲線

圖4 智能混合型控制器的升溫曲線

由圖3與圖4可知，采用傳統(tǒng)的PID控制器的升溫曲線的溫度范圍在780～980 ℃；采用智能混合控制器的溫度控制系統(tǒng)，不僅消除了溫度滯后帶來的溫度波動，而且系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)時間也大幅減少。實際結(jié)果表明，采用智能混合控制器的溫度控制系統(tǒng)，控制精度更高，響應速度更快，而且溫度升溫表現(xiàn)良好，符合焦炭反應性強度測定國標要求。

4 結(jié)論

智能混合型控制器系統(tǒng)具有控制精度高，響應速度快，溫度升溫表現(xiàn)良好等特點。同時還具有節(jié)能降耗的功能，增強了企業(yè)的科技競爭力。但熱爐與冷爐升溫效果不一樣，導致這樣的原因是目標溫度，以往目標溫度都是線性的，但由于工作環(huán)境和溫度滯后等因素，會影響控溫效果，所以還要把目標溫度的控制因素考慮到控制系統(tǒng)中去，這是未來對溫度控制系統(tǒng)的研究重點。