馬祥興 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

電阻爐常用來進(jìn)行熱加工、熱處理，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力等行業(yè)。電阻爐是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)的系統(tǒng)，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)控制對(duì)象的這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者不僅要關(guān)注溫控系統(tǒng)采用何種控制模式，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，也要考慮系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保和性價(jià)比。隨著國(guó)家對(duì)城市環(huán)保和節(jié)能減排工作的重視，熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無公害方向發(fā)展。電阻爐是熱處理的主要設(shè)備，其加熱的過程控制是關(guān)鍵，促使許多學(xué)者去研究控制加熱過程的方法。目前的電阻爐溫控系統(tǒng)很多達(dá)不到理想的控制效果，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上融合先進(jìn)的控制理論是解決該類問題的有效途徑，如近年來出現(xiàn)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。本文結(jié)合在某鋁箔加工企業(yè)退火爐的技術(shù)改造，分析Fuzzy-PID復(fù)合控制在電阻爐溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 控制策略的比較與選取

常規(guī)的PID控制由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性好、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，它對(duì)可建立精確數(shù)學(xué)模型的定常系統(tǒng)具有很好的控制效果。但由于實(shí)際的溫控系統(tǒng)工況復(fù)雜，被控過程經(jīng)常存在時(shí)變不確定性的特點(diǎn)，尤其在參數(shù)多變、大慣性、大滯后的工況下，常規(guī)的PID控制表現(xiàn)出明顯的不足，魯棒性能不理想，且不能滿足快速升溫和超調(diào)要求小的場(chǎng)合。

智能控制理論中出現(xiàn)的模糊控制，其魯棒性強(qiáng)，不依賴于數(shù)學(xué)模型，憑借操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。非常適用于非線性、時(shí)變和滯后系統(tǒng)，在快速性和保持小的超調(diào)量方面具有優(yōu)勢(shì)。但由于簡(jiǎn)單的模糊控制不具有積分環(huán)節(jié)，其靜態(tài)性能較差，應(yīng)用范圍仍受到限制。

比較上述兩種控制的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用一種復(fù)合控制的策略，將常規(guī)PID控制與模糊控制相結(jié)合，構(gòu)成一種智能型的Fuzzy-PID控制。Fuzzy-PID控制是以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，它既具有PID控制器穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，又具有模糊控制魯棒性強(qiáng)、自適應(yīng)能力高、快速性好、超調(diào)小的特點(diǎn)。是一種無需建模、操作方便、開發(fā)成本低、控制效果好的控制技術(shù)，實(shí)踐證明該控制技術(shù)明顯優(yōu)于常規(guī)的PID控制器。

2 Fuzzy-PID溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將帶有參數(shù)自整定功能的模糊控制引入到常規(guī)PID控制器，就能構(gòu)成一種智能模糊溫控系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由系統(tǒng)主控制模塊、溫度采樣、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行、人機(jī)對(duì)話和接口擴(kuò)展模塊等組成見圖l所示。電阻爐溫度由熱電偶檢測(cè)并輸出溫度信號(hào)，經(jīng)變送器、電壓放大器，進(jìn)行電壓放大和非線性校正，再由A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，該數(shù)字量經(jīng)濾波、誤差校正、標(biāo)度變換、查表等環(huán)節(jié)后送給單片機(jī)處理，單片機(jī)將該數(shù)字量代表的實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)控制誤差e和誤差變化率ec，經(jīng)模糊PID自整定控制算法，得出輸出"控制量"信息。將"控制字"信息與各相過零脈沖同時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)出現(xiàn)過零脈沖、且主機(jī)I/O口輸出"控制字"的高電平信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路向晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖使其觸發(fā)導(dǎo)通。如輸出是"控制字"的低電平信號(hào)時(shí)，晶閘管不能導(dǎo)通。晶閘管的導(dǎo)通次數(shù)由PID的運(yùn)算結(jié)果確定，導(dǎo)通次數(shù)增多，晶閘管輸出功率增大，電阻爐加溫。

圖l溫控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主控制模塊

系統(tǒng)主控制模塊以ADUC845單片機(jī)為控制核心，構(gòu)成一個(gè)智能控制器，單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能控制，既可作獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，又可與微機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)。ADUC845配有640 KB的非易失RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用以存放溫度設(shè)定參數(shù)、系統(tǒng)整定參數(shù)、控制誤差和誤差變量等信息。系統(tǒng)在定時(shí)中斷下完成對(duì)溫度的采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送主機(jī)進(jìn)行模糊PID運(yùn)算，主機(jī)響應(yīng)觸發(fā)中斷后，則PID的運(yùn)算結(jié)果經(jīng)相關(guān)I/O口輸出"控制字"信息，確定晶閘管的"開"與"關(guān)"。

2.1.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊由熱電偶、變送器、電壓放大器、A／D轉(zhuǎn)換器等組成。為了和ADUC845的A／D轉(zhuǎn)換器相匹配，用ACl226和1B51構(gòu)成熱電偶冷端溫度補(bǔ)償及信號(hào)調(diào)理器電路。傳感器選用鎳鉻-鎳硅熱電偶，用于室溫到1200°C的溫度測(cè)量，輸出信號(hào)在0～45.119 mV。多路模擬開關(guān)為CD4051，由ABC端控制分時(shí)接通各引腳，分別用于零點(diǎn)校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)、分時(shí)輸出各熱電偶所對(duì)應(yīng)的電壓。多路模擬開關(guān)和溫度采集過程在單片機(jī)協(xié)調(diào)下工作。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊由過零檢測(cè)與同步觸發(fā)電路、驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管調(diào)功電路等組成。采用過零脈沖觸發(fā)方式，可避免大電流工況下高次諧波產(chǎn)生電磁輻射。過零檢測(cè)選用KC08，在交流電壓的每個(gè)過零點(diǎn)均向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出過零脈沖，并向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。為保證過零脈沖與主電路電壓同步，采用同步變壓器。驅(qū)動(dòng)電路由光電耦合器TIL117組成，PID運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生的"控制字"信息與各相過零脈沖信號(hào)同時(shí)輸入TIL117。晶閘管調(diào)功器由雙向晶閘管KS200/900組成，如設(shè)定中斷數(shù)100次為一控制周期，則工頻時(shí)的控制周期為1 s，在控制周期內(nèi)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通次數(shù)，就可調(diào)節(jié)晶閘管的輸出功率。

2.1.4 人機(jī)對(duì)話模塊和接口擴(kuò)展模塊

人機(jī)對(duì)話模塊由鍵盤、圖形液晶顯示器LCD、報(bào)警電路等組成。接口擴(kuò)展模塊由打印機(jī)接口、RS232串行接口等組成。預(yù)留打印機(jī)接口，可以現(xiàn)場(chǎng)打印輸出結(jié)果。預(yù)留RS232串行接口可和PC機(jī)聯(lián)機(jī)，將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)來進(jìn)一步處理、顯示、打印和存檔。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在控制程序的控制下運(yùn)行，控制程序主要有主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、溫度采集程序、標(biāo)度變換程序、模糊控制PID算法程序、INT1中斷服務(wù)程序、鍵盤及顯示程序、顯示設(shè)定和操作界面管理程序、PC機(jī)通信等組成。顯示設(shè)定和操作界面用INT0中斷完成。

2.2.1 主程序

主程序中安排系統(tǒng)初始化賦值、INT1中斷計(jì)數(shù)賦值、定時(shí)中斷方式和時(shí)間常數(shù)設(shè)定、鍵盤及顯示調(diào)用程序等。一旦中斷，首先判斷中斷源。若是定時(shí)中斷，則調(diào)用定時(shí)中斷程序完成定時(shí)服務(wù)；若是INT1中斷，則調(diào)用INT1中斷服務(wù)程序，完成晶閘管觸發(fā)服務(wù)；若是人機(jī)面板的按鍵中斷，則在識(shí)別按鍵后，調(diào)用相應(yīng)的鍵盤及顯示處理服務(wù)程序。主程序流程圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

2.2.2 定時(shí)中斷服務(wù)程序

定時(shí)中斷服務(wù)程序用來定時(shí)進(jìn)行溫度采集，由T0計(jì)數(shù)器定時(shí)產(chǎn)生中斷，包括數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、顯示刷新等，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理及人機(jī)交互，中斷允許后控制就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。定時(shí)器計(jì)數(shù)的時(shí)間常數(shù)設(shè)定為50 ms，定時(shí)中斷循環(huán)次數(shù)為200，則定時(shí)采集周期為10 s。在定時(shí)采集等待時(shí)，調(diào)用顯示程序，以及時(shí)反映溫度值。主機(jī)每隔10 s讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果一次、模糊控制PID運(yùn)算結(jié)果一次，即在定時(shí)周期結(jié)束后，完成對(duì)溫度采集、模糊控制PID運(yùn)算等。

2.2.3 溫度采集子程序

在定時(shí)中斷服務(wù)程序下，調(diào)用溫度采集子程序，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，重復(fù)輸出同一轉(zhuǎn)換結(jié)果200次，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器不斷輸出新的轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時(shí)轉(zhuǎn)入新的轉(zhuǎn)換周期。

2.2.4 模糊控制PID算法程序

模糊控制PID算法程序包括數(shù)學(xué)運(yùn)算程序和模糊自整定PID算法程序兩部分，而模糊自整定PID算法程序的設(shè)計(jì)流程是：先進(jìn)行模糊整定，后根據(jù)誤差和誤差變化率對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，將經(jīng)過模糊整定后的PID參數(shù)作為現(xiàn)行的控制參數(shù)進(jìn)行PID控制。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮控制誤差e和誤差變化率ec的最壞情況，由此建立起控制誤差e和誤差變化率ec的基本論域，確定數(shù)字量化e（k）的論域區(qū)間。要對(duì)控制誤差和誤差變化率超過最壞值變換后的e和ec的動(dòng)態(tài)范圍限幅壓縮，使控制誤差和誤差變化率在整個(gè)調(diào)控溫度變化范圍內(nèi)，控制量都可起作用。

2.2.5 INT1中斷服務(wù)程序

INT1中斷服務(wù)程序嵌套在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，用來控制晶閘管的觸發(fā)脈沖，由過零脈沖產(chǎn)生INT1中斷，在中斷程序開始時(shí)送出上次中斷時(shí)所確定的"控制字"，然后根據(jù)模糊控制PID運(yùn)算結(jié)果確定下次中斷時(shí)應(yīng)輸出的"控制字"，以控制晶閘管的觸發(fā)與否。INT1中斷控制周期設(shè)為1 s，采用T1計(jì)數(shù)，中斷計(jì)數(shù)100次為一循環(huán)。

3 Fuzzy-PID控制器參數(shù)自整定的實(shí)現(xiàn)

Fuzzy-PID控制策略的核心是模糊自整定PID控制器參數(shù)。Fuzzy-PID控制器的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是模糊自整定控制算法的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)先確定PID參數(shù)與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，以便模糊控制算法的執(zhí)行，運(yùn)行中不斷檢測(cè)誤差e和誤差變化率ec的值，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)值利用模糊規(guī)則對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以滿足不同工況不同時(shí)刻對(duì)PID參數(shù)的不同要求，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。由于Fuzzy-PID控制器能實(shí)現(xiàn)在線修改及實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)，使溫控系統(tǒng)具有較高的控制品質(zhì)，改善了系統(tǒng)的控制效果。

3.1 Fuzzy-PID控制器的組成

Fuzzy-PID控制器由模糊化、知識(shí)庫、模糊推理和去模糊化4個(gè)模塊組成，控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。模糊化是把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，將基本論域轉(zhuǎn)化到模糊集合論域；知識(shí)庫由數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫兩部分組成，數(shù)據(jù)庫主要包括尺度變換因子、模糊空間分割、模糊集合的隸屬函數(shù)等；規(guī)則庫包括用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)；模糊推理是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及模糊控制規(guī)則，推斷出應(yīng)施加的輸出控制量；去模糊化是將模糊推理得出的模糊量轉(zhuǎn)換為用于控制的清晰量，即新的 KP、Ki、Kd，最后由決策結(jié)果確定晶閘管導(dǎo)通與否。

圖3 Fuzzy-PID控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制規(guī)則設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入量為控制誤差e和誤差變化率ec、輸出量為PID參數(shù)的調(diào)整量△KP、△Ki、△Kd時(shí)，選擇模糊集 E 及 EC為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，論域?yàn)椋?6，6］。為保證模糊集能較好地覆蓋論域避免失控現(xiàn)象，設(shè)計(jì)將［-6，6］離散成［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6］13個(gè)等級(jí)?！鱇P?。鸑B，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，論域?yàn)椋?3，3］；△Ki取為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝， 論 域 為［-0.6，0.6］；△Kd?。鸑B，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，論域?yàn)椋?3，3］。選擇 E、EC、△KP、△Ki、△Kd的隸屬函數(shù)曲線為正態(tài)型。

PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互間的關(guān)聯(lián)影響。根據(jù)KP、Ki和Kd對(duì)系統(tǒng)控制的影響，并總結(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可歸納出在不同的|e|和|ec|時(shí)，被控過程對(duì)參數(shù) KP、Ki和 Kd的自整定要求：當(dāng)|e|較大時(shí)，KP應(yīng)較大而Kd應(yīng)較小，使系統(tǒng)響應(yīng)加快，并使Ki=0以免大的超調(diào)；當(dāng)|e|中等時(shí)，KP應(yīng)較小使超調(diào)較小，Ki、Kd應(yīng)適當(dāng)，并關(guān)注Kd對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)；當(dāng)|e|較小時(shí)，KP和Ki應(yīng)較大，使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能，Kd應(yīng)適當(dāng)避免出現(xiàn)振蕩。原則是：當(dāng)|ec|較小時(shí)，Kd可大些，當(dāng)|ec|較大時(shí)，Kd應(yīng)小些。

根據(jù)上述PID參數(shù)的作用和|e|和|ec|的不同組合，結(jié)合實(shí)際工況下對(duì)PID參數(shù)的要求，可獲得KP、Ki和Kd的模糊控制規(guī)則表。下面結(jié)合KP控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，分析模糊控制規(guī)則表的建立。在調(diào)節(jié)初期應(yīng)取較大的KP值以提高響應(yīng)速度，在調(diào)節(jié)中期取較小的KP值，使系統(tǒng)有較小超調(diào)并有一定的響應(yīng)速度；而在后期再將KP值調(diào)到較大值以減小靜差，提高控制精度。KP的控制規(guī)則表設(shè)計(jì)如表1所示。對(duì)于Ki和Kd的控制規(guī)則表，可結(jié)合各自的調(diào)節(jié)要求仿照KP進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 KP控制規(guī)則表

根據(jù)模糊控制規(guī)則和輸入量可求出模糊控制器的輸出。將采樣得到的誤差e和誤差變化率ec經(jīng)模糊處理后，代入模糊控制規(guī)則表，得出PID參數(shù)的調(diào)整量，再經(jīng)過PID算法的計(jì)算就得出了最后的輸出量，這樣就構(gòu)成了模糊控制表。因PID有3個(gè)參數(shù)，所以有3個(gè)模糊控制表。根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，對(duì)量化因子和比例因子再進(jìn)行調(diào)整就能達(dá)到理想的控制效果。模糊PID的參數(shù)調(diào)整算式為：

式中 KP0、Ki0、Kd0是 KP、Ki和 Kd的初始值，可通過常規(guī)的方法得到，△KP、△Ki、△Kd是模糊控制器的輸出，即PID參數(shù)的調(diào)整量。通過常規(guī)PID控制器獲得新的 KP、Ki、Kd后，對(duì)控制對(duì)象作出相應(yīng)的控制。

4 結(jié)束語

通過對(duì)鋁箔退火爐溫控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和在線調(diào)試，實(shí)際使用表明，由Fuzzy-PID自整定控制器構(gòu)成的溫控系統(tǒng)，控制效果非常滿意，退火處理后的鋁箔其金屬壓延加工性能明顯提高，成品率大大增加。溫控系統(tǒng)的魯棒性、自適應(yīng)性、快速性、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都非常理想，控制精度達(dá)±1°C，控制性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器。這樣的改造升級(jí)具有較強(qiáng)的典型性，開發(fā)速度快，改造成本低，性價(jià)比高，可靠性強(qiáng)，節(jié)能減排也有新的成效，可推廣到其它溫控場(chǎng)合。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：室溫26℃，進(jìn)爐1.5 t筒卷鋁箔，設(shè)定退火的恒溫溫度為470℃。經(jīng)近2 h的加溫，爐溫進(jìn)入設(shè)定溫度范圍，實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 退火爐實(shí)際輸出響應(yīng)曲線