燒結爐溫度的模糊自適應方法研究

北方民族大學電氣信息工程學院 魏玉斌 虎恩典

燒結爐溫度的模糊自適應方法研究

北方民族大學電氣信息工程學院 魏玉斌 虎恩典

由于爐溫控制系統具有大慣性、非線性等特點，實際應用中的被控對象精確數學模型很難建立，為滿足生產需要，提出了一種模糊自適應的研究方法，PLC作為核心控制器，并對傳統PID和模糊自適應控制器進行MATLAB仿真，最終采用模糊自適應PID控制算法，實現爐溫的自動運行。結果表明，很好的解決了系統魯棒性差、自適應能力差等問題，滿足了控制要求。

燒結爐；模糊自適應； PLC

0 引言

硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。其具有高硬度、耐磨、耐腐蝕等性能被廣泛應用于航空航天等各個領域。而燒結爐的溫度控制精度決定了硬質合金的品質，因此提高溫度的控制精度是燒結過程的關鍵。

1 爐溫工作原理

控制系統運行時，當真空度達到控制要求后，加熱器根據實際控制要求進行加熱。K型熱電偶/光學溫度計將檢測的溫度信號經變送器轉化為標準4mA～20mA信號經模擬量輸入模塊送入PLC[1]，PLC根據控制程序進行運算，輸出數字信號經模擬量輸出模塊轉化為4mA～20mA電流信號，此電流信號經可控硅調壓轉化為0V～220V電壓信號，經變壓器作用于石墨加熱電極，實現對燒結爐溫度自動控制。系統結構圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統結構圖

2 溫度控制策略

燒結過程分為三個過程，要求升溫段具有較好的快速性，保溫段具有較好的穩定性和抗干擾性，故傳統PID控制很難達到設計要求。通過對傳統PID、模糊自適應PID進行研究，最終選擇模糊自適應PID控制，它既解決了傳統PID魯棒性差又解決了模糊PID控制精度有限和存在穩態誤差等問題[2]。

2.1 模糊自適應PID控制算法

模糊自適應PID控制[3]策略引入調整系數n對偏差e和偏差變化率ec對應的量化因子ke和ke’及PID控制器輸出u(t)實施在線整定。模糊自適應PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 模糊自適應PID原理圖

根據燒結爐溫度變化實際情況選取誤差e基本論域為e={-10,10}，量化論域為{-2,2}，則量化因子Ke=2/10=0.2；選取誤差變化率ec基本論域為ec={-20,20}，量化論域為{-10,10}，則量化因子Kec=10/20=0.5。Kp、Ki、Kd量化論域為Kp={-3,3}，Ki={-0.006,0.006}和Kd={-6,6}。

當系統運行時，通過查詢設計好的模糊控制規則表對PID控制參數實施實時整定。通過查詢調節因子n模糊控制規則表，對e和ec的量化因子ke和ke’及控制器輸出ku進行調節，提高系統控制精度。調節變量Kp、Ki、Kd的模糊控制規則如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規則表

實際模糊自適應控制器實現時，將觀測器中采樣值模糊化處理后的清晰值編程表格形式存入PLC中，根據溫度信號偏差e的變動情況查表對PID控制器進行實時整定。

3 仿真實驗與分析

采用階躍響應曲線法確定燒結爐近似數學模型為：

采樣時間取1s，仿真時間為1000s。在MATLAB/Simulink[4]

環境下分別建立常規PID、模糊PID、模糊自適應 PID控制器模型對三種策略進行仿真，對控制器輸入單位階躍信號，控制系統的響應輸出圖如圖3所示：

圖3 仿真結果

仿真結果表明，傳統的PID控制超調量和調整時間都很大，模糊PID控制調整時間基本不變，但有超調；模糊自適應PID綜合了傳統PID和模糊PID控制的優勢，基本實現無超調，且調整時間大大縮短。由效果圖可知，具有模糊自適應的PID控制器能很好的達到控制要求。

4 結論

根據燒結自身特點和溫度控制要求，提出多種控制，最終選擇模糊自適應PID控制，與常規PID控制相比大大提高了控制精度，從而提高了燒結產品的質量，改善了系統的動態性能，提高了系統的魯棒性和自適應能力，大大縮短了燒結時間，使生產投放減少，大大提高了了企業的生產效率。

[1]柴瑞娟,孫承志等.西門子PLC高級培訓教程[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]賴壽宏.微型計算機控制技術[M].北京:機械工業出版社,2012,7.

[3]李士勇.模糊控制.神經控制與智能控制理論[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1996.

[4]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業大學出版社,2003.

魏玉斌（1990-），男，山東德州人，碩士研究生，主要從事計算機控制方向的研究。

虎恩典（1956-），男，寧夏銀川人，教授，碩士研究生導師，主要從事檢測、機電控制、計算機控制方向的研究。