紙機電磁烘缸的模糊控制

周長劍 孟榮愛 王正順

(1.山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南，250353;2.山東輕工業學院電氣工程與自動化學院，山東濟南，250353)

紙機電磁烘缸的模糊控制

周長劍1孟榮愛2王正順1

(1.山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南，250353;2.山東輕工業學院電氣工程與自動化學院，山東濟南，250353)

電磁烘缸應用于紙張干燥，是一種全新的干燥技術。針對其溫度控制具有非線性、時滯性等問題，設計了電磁烘缸模糊控制系統，重點對模糊控制器的設計方法作了較詳細的介紹。仿真實驗表明，電磁烘缸模糊控制器控制精度高、穩態性能好。

電磁烘缸;模糊控制;溫度控制;PID

電磁烘缸替代傳統蒸汽烘缸應用于紙張的干燥，在它的運行控制過程中，最為重要就是溫度控制。烘缸溫度是否穩定是造紙生產的重要指標之一，直接關系到紙張的質量和生產效率。合理地控制烘缸溫度，能顯著縮短生產時間，降低能耗［1］。本課題采用模糊控制技術，設計了電磁烘缸模糊控制系統，實現了加熱線圈模糊控制器分布式控制。在Matlab的Simulink環境中建立電磁烘缸溫度模糊控制系統的仿真模型，驗證模糊控制器的控制效果。

1 電磁烘缸的加熱原理

電磁烘缸加熱主電路主要由L-C振蕩電路、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)構成，如圖1所示。其加熱原理是:電網電壓 (220 V、50 Hz)經整流、濾波后得到直流電壓U(圖1中將這部分省略直接給出U)并把其加到諧振電路和功率開關管IGBT的兩端。IGBT在智能控制器產生的PWM脈沖信號的作用下處于“導通”和“關斷”的工作狀態中，進而產生高頻電流。

圖1 加熱主電路簡化圖

本課題采用的是內置式電磁烘缸。工作時，驅動電機通過傳動系統由轉動臂帶動烘缸轉動，磁通發生器靠近缸壁，磁通發生器產生的磁力線就會穿過烘缸壁。由于磁通發生器產生高頻變化的磁場，因而烘缸壁內各點單位時間內的磁通量不斷發生變化，從而在烘缸壁內產生渦流，由于缸壁本身有電阻因而使缸壁發熱，發熱的烘缸殼體即可用來進行紙張的干燥［2-3］。

2 電磁烘缸溫度控制方法

2.1 紙機用電磁烘缸的控制要求

正常使用時，電磁烘缸的使用過程如下:

(1)首先，開啟電磁烘缸轉動，調節好轉動速度，帶動整個走紙系統運動。

(2)開啟進風、抽風電機，使整個排濕循環系統運行。

(3)開啟電磁烘缸加熱，使烘缸溫度盡快升高到生產溫度。開啟烘箱，使烘箱溫度也達到要求溫度。

(4)進紙開始生產。抬起烘缸罩，停止加熱，引紙，并將紙張卷到收卷輥上。

(5)放下烘缸罩繼續加熱，電磁烘缸都自動控制在設定溫度，直到生產結束。

從上面的操作步驟可以看出，在剛開始啟動時，為了讓冷缸盡快達到生產溫度，一般開大功率，盡量縮短開始生產時間。引紙時，烘缸罩要抬起來，這時候應該停止加熱。正常生產時，需要保持在恒定溫度下，系統進入自動控制狀態。溫度控制得越穩定，成品紙的質量就越好。系統控制中還應該考慮好手動自動切換。另外，根據不同的原料、紙種等，生產時采用不同的工藝參數，要求自動控制時烘箱和烘缸內保持的溫度、烘缸走紙的速度等也不同［4］。

2.2 控制方法

紙張干燥過程中，烘缸表面的溫度對穩定抄造和提高紙張質量都起到重要作用。對烘缸實施準確的溫度檢測與控制，是決定紙張質量的關鍵。目前，國內的造紙企業大多仍采用人工操作，手動控制，即使構成閉環，也大都采用傳統的PID控制模式，對對象的適應性差，控制精度低，不僅影響產品質量，而且往往造成能源浪費。模糊控制是一種智能控制方法，不需要建立相關的數學模型，控制對象的更快反應速度和更小復飛，不敏感工藝參數的變化，具有較強的魯棒性［5-6］。針對電磁烘缸溫控特點，結合經典PID控制和模糊控制，選擇了模糊自適應PID控制策略，應用于電磁烘缸控制系統。

3 模糊控制實現

3.1 模糊自適應PID控制器設計

模糊自適應PID控制器是一種在常規PID調節器的基礎上，應用模糊集合理論，根據控制偏差、偏差變化率在線自動調整比例系數、積分系數和微分系數的模糊控制器［7-8］。模糊自適應PID控制系統的結構如圖2所示。此處的模糊控制器由常規PID和模糊推理控制兩部分組成，采用二輸入三輸出的形式，以溫度偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，ΔKp、ΔKi、ΔKd作為模糊控制器的輸出。

圖2 模糊自適應PID控制器原理圖

模糊自適應PID控制器PID參數自調整的實現思想是先找出PID的3個參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行過程中通過不斷檢測偏差e和偏差變化率ec，再根據模糊控制原理對3個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態性能。該系統實現自調整PID參數按公式 (1)、(2)、(3)計算。

式中:Kp'、Ki'、Kd'為 PID參數的初始值;ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出;Kp、Ki、Kd為最終輸出的控制參數。

3.2 模糊化設計

溫度控制系統將采樣得到的溫度信號與系統的溫度設定值進行比較，得到系統的輸入語言變量溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出語言變量為PID的調節參數的變化Kp、Ki、Kd。設輸入輸出變量均選用三角形隸屬函數曲線，論域為 ［－6，6］，模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，分別對應 {NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。輸入輸出變量的隸屬函數曲線分別如圖3中所示。

圖3 輸入、輸出的隸屬函數曲線

3.3 控制規則

一般情況下，在不同的e和ec下，被控過程對參數Kp，Ki，Kd的整定要求可歸納如下:

(1)當e較大時，為使系統具有較好的快速跟蹤性能，應取較大的Kp和較小的Kd，同時為避免系統響應出現較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取Ki=0。

(2)當e處于中等大小時，為使系統響應具有較小的超調，Kp應取得小些，在這種情況下，Ki和Kd的取值

要大小適中，以保證系統的響應速度，其中Kd的取值對系統響應的影響較大。

(3)當e較小時，為使系統具有較好的穩定性能，Kp和Ki應取得大些，同時為避免系統在設定值附近出現振蕩，并考慮系統的抗干擾性能，當e較小時，Kd值可取得大些，通常取中等大小。

對于模糊自適應PID的參數整定，可根據語言變量偏差e及偏差的變化ec，應用模糊邏輯推理，總結出一套Kp、Ki和Kd的模糊邏輯整定模型［9］。見表1～表3。

表1 Kp的模糊控制規則

表2 Ki的模糊控制規則

圖4 系統仿真模型

表3 Kd的模糊控制規則

4 電磁烘缸模糊控制系統仿真

考慮到以電磁烘缸為控制對象，在系統仿真時，選擇其傳遞函數為:

組建出模糊自適應PID控制系統的Simulink仿真模型如圖4所示。

取量化因子 Ke=0.3、Kec=0.1，取 Kp、Ki、Kd的比例因子分別為K1=0.8、K2=0.005、K3=25，令PID參數的初始值、Kp'=300、Ki'=0.3，Kd'=280，仿真時間設為40 s，加單位階躍信號，并在第10 s加5.0(500%)的干擾，最終得到的常規PID與模糊自適應PID響應曲線分別如圖5和圖6所示。

5 結語

由系統運行曲線可以得出，電磁烘缸控制系統采用的模糊自適應PID控制的各項性能指標均優于常規PID控制，具有響應快，超調小，過渡時間短的特點。顯示出了良好的動態性能和穩態精度，且抗干擾能力較強，實現了對電磁烘缸溫度的有效控制。

［1］ 張開生，李強華，張攀峰．紙機烘缸溫度的仿人智能控制方法研究［J］．中國造紙，2007，26(3):36．

［2］ 王正順，李永寶，楊桂花．內置式電磁烘缸干燥裝置［J］．紙和造紙，2005(增刊):49．

［3］ 張 偉，麻紅昭，張 華．基于IGBT中頻感應加熱造紙烘缸系統的設計與實現［J］．輕工機械，2006(4):11．

［4］ 張 偉，感應加熱造紙烘缸及PLC控制系統的實現［D］．杭州:浙江大學，2006．

［5］ 李虎山，蔣亞軍．可調參數模糊PID控制的實現［J］．化工自動化及儀表，2005(4):58．

［6］ 謝仕宏，姜麗波，劉國棟．模糊自適應PID控制算法在紙機烘缸蒸汽系統中的應用［J］．化工自動化及儀表，2007(1):33．

［7］ 曾光奇，胡均安，王 東．模糊控制工程與工程應用［M］．武漢:華中科技大學出版社，2003．

［8］ TANAKAK，SUGENOM．Stability analysis and design of fuzy control systems［J］．Fuzzy Sets and System，1992，45(2):135．

［9］ Ranganathan R S，Malki H A，Chen G．Fuzzy predictive PID control for processes with large time delays［J］．IEEE Trans on Expert Systems，2002，2(1):21．

Fuzzy Control for Paper Machine Electromagnetic Dryer

ZHOU Chang-jian1，*MENG Rong-ai2WANG Zheng-shun1(1．Key Lab of Paper Science and Technology of Ministry of Education，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong Province，250353;2．School of Electrical and Automation，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong Province，250353)

Electromagnetic dryer used for paper drying is a new drying technology．In view of its temperature control with problems of nonlinear and time lay，a fuzzy control system of the electromagnetic dryer is designed，the design method of fuzzy controller is introduced in detail．Simulation experiments show that the fuzzy controller of electromagnetic dryer has high control precision and good steady-state performance．

electromagnetic dryer;fuzzy control;temperature control method;PID

TS734

B

0254-508X(2011)11-0047-04

周長劍先生，在讀碩士研究生;研究方向:制漿造紙設備與控制、工業控制。

(*E-mail:tianmajian@163．com)

2011-05-30

(責任編輯:馬 忻)