模糊PID控制在粉末冶金真空爐溫度控制系統的應用*

路 勇，王毅峰

（深圳職業技術學院 電子與通信學院，廣東 深圳 518055）

模糊PID控制在粉末冶金真空爐溫度控制系統的應用*

路 勇，王毅峰

（深圳職業技術學院 電子與通信學院，廣東 深圳 518055）

在分析燒結爐加熱機構特點及爐溫控制系統的多種技術方案的基礎上，采用工業控制計算機作為控制核心，RS-485遠程控制模塊作為輸入輸出接口，組態軟件作為開發平臺，設計并編制了基于模糊控制的PID控制算法，實際系統在高溫（700～1200℃之間的某個設定溫度）保溫階段，穩態誤差小于1℃，滿足了企業對加熱系統控制效果的要求．

粉末冶金；PID；模糊控制；組態軟件；RS-485

隨著粉末冶金技術的迅速發展，對合金材料加工工藝的技術要求越來越高，用戶不僅希望能夠精確控制真空爐的燒結溫度，而且能夠希望按照產品所需的升溫曲線對溫度進行控制[1]．因此，對粉末材料燒結溫度的計算機控制算法要求越來越高，對燒結過程中溫度的穩定性也提出了更高的要求，同時對靜態跟蹤誤差及超調量都有更加嚴格的技術要求．為了避免高溫狀態下空氣中的氧氣等元素與金屬粉末發生化學反應，粉末冶金的工藝要求粉末金屬材料要在真空環境下進行燒結．由于加熱過程中，爐內溫度要從室溫升高到最高1700℃左右[2]，隨著爐內溫度大范圍的變化，被控對象的參數具有非線性、時變的特點，因此真空燒結爐溫度的準確控制一直是一個難題．

由于市場上購買的溫度控制器不能滿足企業的要求，與我校合作的企業一直都采用人工觀察溫度，手動調節加熱電流的方法進行控制．操作人員在加熱、保溫的幾個小時內，不能離開操作現場，要不停的觀察溫度，調節控制量，誤差范圍在20℃左右，并且每次生產的溫度曲線都不一致，難以保證產品的質量和一致性．本文從實際真空燒結爐溫度控制系統的需要出發，通過反復實踐，設計了基于模糊控制的PID控制算法，對模糊PID控制器參數整定方法在真空燒結爐的應用研究進行了有效的嘗試．

1 系統硬件設計

本文在PID和模糊控制算法研究及在現場反復測試被控對象的基礎上，采用工業控制計算機作為核心運算控制器，多種RS485遠程控制模塊作為溫度檢測和接口電路，熱電偶作為傳感器，配合真空度測試儀獲得真空度參數，共同構成真空燒結爐的溫度自動控制系統[3]，見圖1系統硬件結構圖．由溫度傳感器檢測溫度值與設定溫度比較，然后經過工控機的數據運算處理后，向D/A轉換模塊發出相應的控制信號，D/A轉換模塊輸出0～10V的電壓信號給加熱電源系統，控制加熱系統的電流，從而達到自動控制真空燒結爐爐內溫度的目的．

本系統選用 RS485遠程控制模塊作為接口器件，可以獲得比較高的系統穩定性．在實際應用中把溫度檢測模塊就近安裝在真空爐爐體上，靠近熱電偶引出線法蘭的附近，既減少了熱電偶補償導線的長度，降低成本，又減少數據傳遞過程中外界對熱電偶檢測電壓的干擾，提高了控制精度，如圖2所示．

根據燒結材料的溫度特性，可以選配不同的熱電偶，K型熱電偶的測量范圍是0～1200℃；B型熱電偶的測量范圍是600～1700℃．如果燒結材料的熔點在1200℃以下，建議采用K型熱電偶，如果燒結材料的熔點高于1200℃，低于1700℃，建議采用B型熱電偶，但是需要對RS485模擬量輸入模塊進行與之對應的設置，設為與實際熱電偶對應的參數．

由于真空爐內外壓力差比較大，對爐體密封性要求比較高，熱電偶從爐內的引出線可以采用法蘭連接，但需要在法蘭內外側都增加隔熱棉，用于消除由于法蘭內外溫差帶來的測量誤差．

圖1 系統硬件結構圖

圖2 實際系統硬件結構圖

2 模糊控制算法

由于粉末冶金燒結爐的溫度范圍從室溫狀態下升溫開始，最高溫度可以接近1700℃，在不同的溫度段，被控對象的熱慣性和時間常數都有較大的變化．如果采用傳統PID控制技術，只有一組PID控制參數，溫度控制效果會有較大的偏差．因此，需要采用模糊控制，在不同的溫度階段采用不同的PID參數，以達到在整個溫度區間都具有理想的溫度控制效果[4]．真空燒結爐溫度控制最關鍵的環節是加熱過程的高溫保溫階段，在此階段工藝要求溫度長時間保持穩定，以實現恒溫加熱的要求，所以對此階段超調和穩態誤差要求都比較高．由于真空燒結爐在各個溫度階段的特性參數都不相同，在低溫階段，升溫很快，降溫很慢；在高溫環節，升溫很慢，降溫很快．如果在整個階段都采用一套PID參數進行控制，達不到加工工藝要求的超調量和穩態誤差的要求[1]．因此，我們以100℃為間隔進行多次加熱實驗，獲得各個溫度段最佳的PID控制參數．并且在設定溫度值的-20℃，-10℃，-5℃，-2℃，+2℃，+5℃，+10℃，+20℃各個范圍對PID控制參數進行微調，并且考慮即使是同一溫度時，溫度上升時和溫度下降時需要采用不同參數的控制策略．根據以上原則，得到模糊控制的比例Kp參數列表見表1．“E”表示溫度差，例如：“-20”表示溫度低于設定值20℃，“+20”表示溫度高于設定值20℃，依此類推；“E’”表示溫度變化趨勢，例如：“+”表示升溫階段，“-”表示降溫階段．

與此對應，還要確定在各個溫度階段相應的Ti、Td參數列表，在此不再一一列舉．以上參數確定后，依據確定的參數進行編程，即可實現模糊PID控制．程序編制完成后，需要在真空爐上進行實際調試工作，在調試過程中實時監控各個溫度階段的控制效果，對Kp、Ti、Td等參數進行微調，以達到最優的溫控效果．

在保溫階段參數確定后，無論是高溫保溫階段還是低溫保溫階段的參數其實都可以通過查詢參數表獲得．而升溫與降溫階段可以視為給定溫度按照一定斜率變化的保溫階段，由程序來自動選擇相應的參數．經過實驗檢驗，只要溫度變化的斜率在允許范圍內，升溫階段和降溫階段的溫度控制精度都可以滿足工藝要求．

3 軟件設計

軟件系統整體設計主要是遵循文獻[1]的溫控工藝曲線要求來進行的．由于金屬粉末需要在高溫下進入熔融狀態，但是在高溫狀態下金屬粉末容易與空氣中的多種化學成分產生反應，因此，必須要保證在一定真空度的狀態下才能夠加熱到金屬的熔點溫度[5]．同時需要把金屬粉末放到模具里，并加上一定的壓力以保證金屬粉末在加熱融化后按照要求成型，同時，在加熱過程中會有氣體從粉末金屬混合體內析出，所以在整個加熱過程中要對真空爐的真空度和加熱過程中對模具施加的壓力同時監測和控制．根據工藝要求繪制了如圖3所示的軟件流程圖，根據流程圖設計主控程序．

軟件采用組態軟件編程，由于溫度控制過程比較慢，采樣周期設為3s，每個周期首先對當前溫度進行采集，然后進入主程序，判斷系統現在所處的階段，例如是升溫階段，還是保溫階段，據此算出當前的溫度期望值．期望值和當前溫度的偏差就是我們進行模糊PID控制的數據來源，根據當前溫度值和溫度偏差的大小，通過查表獲得相應參數，進行PID算法計算，從而得出當前的控制量．只要模糊控制表的參數設計合理，就可以保證從室溫到 1700℃范圍內取得理想的控制效果．

表1 模糊控制PID參數表

4 控制效果

1）采用自動控制后升溫時間比以前減少了約0.5 h，并且基本不需要工作人員監控，完全自動控制，減輕了勞動強度，提高了工作效率．

圖3 軟件流程圖

2）以前降溫過程比較長，基本上完成一次加熱過程后開始降溫，到可以打開爐門的溫度時都到深夜了，基本上都是下班后一直開著真空泵等設備降溫，第二天上班時關閉真空泵，能源浪費嚴重．實行自動控制后，等到降到設定溫度時，系統就可以自動關閉真空泵，停止一切電氣設備和冷卻設備，不僅節約資源，還減少了很多安全隱患．

3）系統可以按照設定時間間隔自動記錄各個時間點的溫度和控制參數，減少了人工記錄的工作負擔和人工記錄的不確定性，并且可以自動生成圖表和詳細記錄表，便于隨時查詢分析．

系統經過調試投入運行后，通過2個月約30次的實際運行，系統穩態超調低于2℃，穩態誤差＜1℃，效果超過用戶期望和設計預期．

[1] 張麗萍，馬立新，金珍珍．模糊自適應PID爐溫控制系統的設計[J]．熱加工工藝，2012，41（14）： 234-236．

[2] 陳焰，張礦偉，趙曉俠，等．模糊參數自整定PID控制算法在真空冶煉中的應用[J]．真空科學與技術學報，2014，34（5）：528-532．

[3] Esfandyari M， Fanaei MA，Zohreie H. Adaptive Fuzzy Tuning of PID Controllers[J]. Neural Computing and Applications, 2013，23（1）：19-28．

[4] 張強，梁秀霞，趙羽佳，等．基于模糊自整定PID的連續退火爐溫度控制系統[J]．自動化技術與應用，2014（8）：29-31．

[5] 代強．基于模糊PID的電鍋爐溫度控制系統[J]．工業控制計算機，2014（11）：72-73．

Abstract: After analyzing the structure of the sintering furnace heating system and various technical schemes of the furnace temperature control system, the paper introduces a control method which uses industrial personal computer as control unit, RS-485 remote-control module as the input and output interface devices, and SCADA( Supervisory Control and Data Acquisition) as HMI(Human Machine Interface ) programming software. PID control algorithm based on fuzzy control is designed and programmed. In the high temperature preservation stage (setting temperature between 700-1200℃), the steady-state error of actual system is less than 1℃ centigrade, which satisfies the requirement of heating system control.

Key words: powder metallurgy; PID; fuzzy control system; SCADA; RS-485

Application of Fuzzy PID Algorithm on Powder Metallurgy Vacuum Sintering Furnace Temperature Control System

LU Yong, WANG Yifeng
（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

TP273

A

1672-0318（2017）05-0038-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.05.007

2017-06-12

*項目來源：“佛山市鉅仕泰粉末冶金有限公司”橫向委托項目

路勇（1966-），男，河南省人，碩士，副教授，主要研究方向為工業電氣自動化．