江路明，張建榮

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，贛州 341000）

玻璃鋼化爐溫控制策略與Fuzzy-PI模糊控制技術(shù)

江路明，張建榮

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

在鋼化玻璃的生產(chǎn)過程中，溫度是影響平板玻璃鋼化的諸多因素當(dāng)中最為關(guān)鍵的控制量：溫度過低則達(dá)不到鋼化要求，溫度過高會導(dǎo)致角部翹曲，甚至引起炸裂；如果玻璃受熱不均會導(dǎo)致局部波浪變形較大等現(xiàn)象，使鋼化玻璃的成品率大大降低。當(dāng)然，加熱時間也不能過長，否則也會出現(xiàn)以上情況。如何精確快速地檢測溫度并進行有效的控制一直是一個主要的研究課題，不僅要求控制對象的精確性，而且更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，因此有必要就平鋼化控制的特點和要求尋找最優(yōu)控制算法，實現(xiàn)有效控制。

1 玻璃鋼化過程中溫度控制的工藝要求

圖1 溫度點分布圖

平鋼化控制的一個最重要的特點就是具有大量加熱爐溫度檢測和溫度控制調(diào)節(jié)回路。系統(tǒng)通過熱電偶測得當(dāng)前的溫度，利用可控硅改變加在電爐絲上的電壓，從而改變電爐絲的功率，實現(xiàn)對系統(tǒng)的溫度控制。根據(jù)鋼化工藝需要和控制要求，加熱爐中上下各有27個溫度點，如圖1所示。熱電偶和電爐絲都是按此溫度點的分布圖進行安裝。

溫度設(shè)置應(yīng)遵循中間高、兩頭低的原則。因為入口處會因玻璃入片而帶入大量冷空氣，溫度設(shè)置應(yīng)比出口處高10℃～20℃；爐兩側(cè)溫度比中間低10℃～30℃。圖2是6mm白玻璃鋼化時加熱爐各區(qū)上部溫度控制點設(shè)定溫度值。

實際生產(chǎn)中需根據(jù)玻璃大小適當(dāng)調(diào)整邊部溫度降低設(shè)定值，寬度越小，邊部降低越多。另外要根據(jù)爐溫狀況，適當(dāng)降低中部溫度設(shè)置，以免玻璃出爐溫度過高，影響玻璃表面質(zhì)量。

圖2 加熱爐各區(qū)上部溫度控制點設(shè)定溫度值

和常見的溫控系統(tǒng)相比，鋼化爐溫度的控制系統(tǒng)不僅要考慮溫控點數(shù)，而且要考慮到溫度控制的精度和響應(yīng)速度。針對以上要求和具體的加熱爐硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度的高精度快速控制，關(guān)鍵主要在于控制策略本身。

2 玻璃鋼化爐溫度控制策略

鋼化爐一般采用傳統(tǒng)的PID 控制方法，該方法在特定的使用環(huán)境下具有較好的控制效果。但是由于這類爐子具有嚴(yán)重的非線性及較大的時間滯后性， 很難用數(shù)學(xué)方法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，同一組控制參數(shù)很難兼顧不同的控制要求，控制的超調(diào)大，調(diào)節(jié)時間長，控制效果較差。而且，PID參數(shù)由人工現(xiàn)場輸入，調(diào)試很費時間。因此，用傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到上述要求的精度，即便做到了，往往又因為算法復(fù)雜致使控制系統(tǒng)難以得到實時性的保證。

模糊控制是一種通過模糊推理進行判決的高級控制策略。在設(shè)計系統(tǒng)時不需要建立控制對象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求掌握現(xiàn)場操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗、知識或者操作數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用在鋼化爐溫度的檢測和控制當(dāng)中，能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性，有效地抑制模型不定性影響，提高溫度控制的精度。

常規(guī)二維模糊控制器以誤差和誤差變化率為輸入變量，這就相當(dāng)于有了PID控制器中的比例和微分兩個環(huán)節(jié)。比例控制可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；微分控制可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對干擾同樣敏感，會降低抑制干擾的能力。因此它的穩(wěn)態(tài)控制精度較差，控制欠細(xì)膩，難以達(dá)到較高的控制精度。而積分控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，這正是模糊控制器缺少的環(huán)節(jié)。

圖3 控制原理圖

為此，本系統(tǒng)設(shè)計了一種Fuzzy―PI復(fù)合控制器，其控制原理如圖3所示。在輸入信號 之后，設(shè)置了一個帶閥值的模態(tài)轉(zhuǎn)換器，根據(jù)閥值與 的比較結(jié)果確定模態(tài)：當(dāng)e大于閥值時，讓信號傳輸?shù)紽uzzy控制器，以得到良好的瞬態(tài)性能；若e小于閥值，則讓信號傳輸?shù)絇I控制器，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。這種Fuzzy―PI復(fù)合控制器比單個的模糊控制器具有更高的穩(wěn)態(tài)精度，而比經(jīng)典的PI控制器具有更快的動態(tài)響應(yīng)特性[2]。

Fuzzy―PI控制器的主要設(shè)計思想是：當(dāng)溫度偏差較大時采用Fuzzy控制，以加快響應(yīng)速度；當(dāng)溫度偏差較小進入穩(wěn)態(tài)過程后，則由程序切換到PI控制，消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。切換時機由計算機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。這樣，保持了兩種控制方法的優(yōu)點，既改善了常規(guī)控制的動態(tài)特性，又保持了常規(guī)控制的穩(wěn)態(tài)特性。

Fuzzy―PI控制系統(tǒng)的組成如圖4所示。其中，調(diào)壓器為執(zhí)行機構(gòu)、鋼化爐為被控對象（加熱方案為電爐絲吹風(fēng)加熱）、熱電偶為測量與反饋裝置。

圖4 Fuzzy―PI控制系統(tǒng)組成圖

圖中PI為常規(guī)比例積分調(diào)節(jié)器，F(xiàn)LC 為模糊控制器，K為由偏差 控制的軟開關(guān)。電爐絲為被控對象，爐內(nèi)溫度T是被控參數(shù)，T0是溫度給定值，220V交流電通過雙向晶閘管調(diào)壓后向電爐絲供電，同時熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度，檢測出的電信號再經(jīng)溫度變送器、A/D 轉(zhuǎn)換器，送至系統(tǒng)的輸入端與給定溫度相比較，得到溫度偏差e，再根據(jù) 的大小決定使用PI控制或使用FLC控制：當(dāng)e大于閥值時選擇FLC控制；若e小于閥值時選擇PI控制。算出的控制輸出量UC，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量以控制晶閘管觸發(fā)電路的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)爐子的供電電壓的有效值，實現(xiàn)爐溫控制。在鋼化玻璃生產(chǎn)線微機控制系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)器和FLC控制器均通過PLC來實現(xiàn)，這樣可明顯地提高系統(tǒng)的可靠性，獲得良好的控制效果。

3 Fuzzy―PI模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)[3]如圖5所示。輸入為溫度偏差和溫度偏差變化率，輸出為控制量。e和E為溫度偏差（e=T-T0），ec和EC為溫度偏差的變化率(即ec=de/de)，uc和UC為控制量，e、ec、uc均為連續(xù)變量。其中，小寫字母代表精確量，大寫字母代表模糊量。

圖5 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖

3.1 精確量的模糊化處理

這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊量[4]。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過程是：首先對這些輸入量進行處理，使其變成模糊控制器要求的輸入量；再將上述已經(jīng)處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍；最后將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來表示。

這里，E、EC和UC的模糊集均取為{NB，NM，NS、ZE，PS，PM，PB}。各量的含義分別為：NB-負(fù)大，NM-負(fù)中，NM-負(fù)小，ZE-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。下面建立輸入語言變量溫度偏差E、溫度偏差變化率EC和輸出語言變量控制量UC的賦值表。

溫度偏差e的基本論域[-20，20]變換到離散論域 [-4，-3，-2，-1， 0，1，2，3，4]，則得偏差e的量化因子ke=1/5。語言變量 選取7個語言值：PB，溫度偏差E的賦值表如表1所示。EC和UC方法類同。

表1 溫度偏差E的賦值表

利用MATLAB進行系統(tǒng)仿真，溫度偏差E的隸屬函數(shù)如圖6所示。

圖6 溫度偏差E的隸屬函數(shù)

3.2 模糊控制規(guī)則庫的建立

表2 控制規(guī)則表

規(guī)則庫是通過分析系統(tǒng)的偏差及偏差變化率之間的內(nèi)在機理， 以及它們對系統(tǒng)輸出影響的程度，結(jié)合操作者的經(jīng)驗而得到的。它包括用模糊語言變量表示的一系列反映了控制專家的經(jīng)驗和知識的模糊控制規(guī)則[4]。

模糊控制規(guī)則是人的經(jīng)驗知識的一種體現(xiàn)，由若干條結(jié)構(gòu)相同而模糊語言變量取值不同的模糊條件語句（“IF-THEN”型）組成。每一條模糊條件語句只代表了一種情況下的一個控制策略。根據(jù)模糊條件語句得整理得出如表2所示。

3.3 模糊推理

在模糊控制中，已建立的模糊控制規(guī)則要經(jīng)過模糊推理才能決策出控制變量的一個模糊子集。模糊推理是模糊控制器的核心，具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關(guān)系及推理規(guī)則來進行的。a、b和u間的模糊蘊含關(guān)系。選擇用Mamdani算法計算這種模糊蘊含關(guān)系，則

3.4 解模糊化

以上通過模糊推理得到的是模糊量，而對于實際的控制則必須為清晰量，因此將模糊量轉(zhuǎn)換成清晰量，這就是解模糊化所要完成的任務(wù)。

解模糊化[5]可以采用很多方法，其中較常用的三種是最大隸屬度法（maximum），中位數(shù)法（也叫面積平分法，bisector）和面積中心（重心）法（centroid）。本文選用面積中心（重心）法。

面積中心（重心）法對模糊推理結(jié)果的所有元素求取重心元素，這個重心元素就作為解模糊化之后得到的精確值。其計算公式為：

4 鋼化爐溫度控制的測試結(jié)果及結(jié)論

加熱爐本身由上下兩組電爐絲加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐內(nèi)溫度，加熱爐為一雙輸入雙輸出的被控對象。溫度控制系統(tǒng)為典型的二階滯后系統(tǒng)， 設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為：

控制系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)溫度相應(yīng)曲線

從圖7中可以看出：傳統(tǒng)的PID控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是超調(diào)量大且過渡時間較長；而采用模糊Fuzzy-PI算法， 則使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快， 調(diào)節(jié)精度提高， 穩(wěn)定性能變好， 而且超調(diào)量微小，最顯著的特點是過渡時間變短。這些都是單純PID 控制難以實現(xiàn)的。通過以上分析可知，本系統(tǒng)設(shè)計的Fuzzy-PI控制器，積分參數(shù)可以幫助控制器克服控制過程中的穩(wěn)定誤差，并對系統(tǒng)性能進行監(jiān)測，使控制器不斷地對控制量進行校正。當(dāng)控制偏差較大時采用模糊控制以加快響應(yīng)速度；當(dāng)控制偏差較小進入穩(wěn)態(tài)過程時，由程序切換到PI控制。這樣，既可以在升溫階段獲得快速、超調(diào)小的模糊控制的優(yōu)點，又可以在恒溫階段獲得PID控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點。因此，F(xiàn)uzzy―PI控制比單純的PID控制具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性。

[1]姜美琴.加強品質(zhì)管理提高鋼化玻璃質(zhì)量.玻璃,2007,2.

[2]李士勇.模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1990.

[3]湯兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]Mauer,G.F.A fuzzy logic controller for an ABS braking system.Fuzzy Systems.IEEE Transactions on,1995,3.

[5]李國勇.智能控制及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

Control strategy and fuzzy-PI control technology of glass toughening furnace temperature

JIANG Lu-ming, ZHANG Jian-rong

本系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)PID算法，設(shè)計Fuzzy-PI控制器，從而實現(xiàn)加熱段溫度的自動控制。以溫度偏差和溫度偏差變化率為輸入，控制量為輸出，經(jīng)模糊化、模糊控制規(guī)則庫的建立、模糊推理、解模糊化，完成模糊控制器的設(shè)計并進行了測試，結(jié)果表明Fuzzy-PI制比單純的PID控制具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性。

爐溫；模糊控制；Fuzzy-PI控制器；仿真

江路明（1963－），男，江西遂川人，副教授，研究方向為電子信息及自動化技術(shù)。

TF355.3+

B

1009-0134(2010)06-0144-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.48

2010-03-15