限幅模糊串級控制系統在熱風循環干燥設備中的應用

摘 要：熱風循環干燥設備在干燥變壓器器身過程中出現非線性、大慣性、大滯后等問題，傳統PID很難實現線圈按照預定升溫速率升溫的工藝要求。本文提出了一種以模糊控制為主控制器，以常規PID為副控制器的串級控制系統，并用限幅算法進行優化。

關鍵詞：串級控制；模糊控制；限幅控制；PID；熱風循環干燥設備；加熱系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.020

0 引言

熱風循環真空干燥設備是配電變壓器器身干燥的較為常見的干燥設備之一。熱風循環加熱有一定的升溫速率限制，如果器身在干燥過程升溫過快，絕緣表面很快干燥收縮，而內層水分仍蒸發不出去，往往造成厚層絕緣件開裂。但如果升溫過慢，將會延長處理時間，增加成本。行業內一般以10～15℃/h的線圈升溫速率進行加熱。

由于線圈中含有大量的銅，升溫較慢，存在時滯嚴重、加熱慣性大，不易調節等問題。如果控制算法局限于常規的簡單PID控制方法，系統響應速度和超調量之間的矛盾不能得到解決。

為了保證控制對象的穩定性，解決非線性、大慣性、大滯后等問題，本文采用了控制效果較好的串級控制[1]。主控制器采用模糊控制，副控制器采用傳統PID控制，并結合實際情況采用限幅控制進行優化，優化后超調量更小、更平穩。

1 系統組成

加熱系統由導熱油加熱系統和熱風循環系統組成[2]，如圖1所示。油泵驅動導熱油進入電加熱器進行加熱，并送入導熱排管，熱風循環系統產生循環氣流，導熱排管對氣流加熱，加熱后的氣流對器身進行加熱干燥，另配有真空系統抽出水汽。

2 串級控制系統設計

2.1 串級系統的總體設計

本文采用主控制器和副控制器串接，實時測量導熱油溫度T3、器身溫度T2和器身升溫速率V2，形成串級控制系統，如圖2所示。

主控制器采用模糊控制+限幅控制，是目標升溫速率的定值控制，將升溫速率設定值V1和實測器身升溫速率V2比較，經過模糊算法計算得到溫度調整量△T2，然后結合當前理想溫度設定值T4計算得到溫度設定值T5，經過限幅控制后得到最終導熱油溫度設定值T6作為副控制器的輸入，其中T4經過目標溫度設定值T1計算得到。副控制器采用傳統的PID控制，是隨動控制，直接控制電加熱器加熱導熱油，結合熱風循環系統間接加熱變壓器器身。

2.2 PID控制器

副控制器采用PID控制器，PID控制算法的數字表達式為：

式中KP，KI，KD為調節器的比例系數、積分系數和微分系數。PID控制器將主控制器的溫度設定值T6和實際導熱油溫度值T3進行比較，并經過PID算法計算得出晶閘管控制模塊的電壓值，由其驅動電加熱管加熱導熱油，通過PID的閉環控制實現導熱油的相對恒溫控制，導熱油溫度值跟隨主控制器溫度設定值變化而變化。

2.3 模糊控制器

由于工藝要求器身溫度需要按照預定的升溫速率V1進行加熱，所以副控制器的給定值也需要按照一定的速率遞增。由于導熱油升溫較快，而通過熱風加熱的器身滯后較為嚴重，所以副控制器的給定值按照目標升溫速率V1進行設定將存在嚴重滯后的問題；而如果按照通過目標溫度設定值T1計算出來的當前理想油溫設定值T4來設定，依然存在較大的偏差。在這個非線性、大慣性、大滯后系統中，特別適合使用模糊控制，基于經驗和領域專家知識，建立模糊控制規則表，如圖3所示。

由器身實際升溫速率差值△V、導熱油溫度T3和器身實時溫度T2之間的差值△T1構成二維模糊控制規則表，輸入和輸出的語言變量采用NB（負大）、NM（負中）、NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）進行標示[3]。△V的取值范圍在[-4，4]之間，△T1在[0，4]之間取值，△T2取值范圍在[-2，3]之間。

2.4 限幅控制

為了減少實時升溫速率的波動并使實時溫升速率更貼近目標值，本系統在模糊控制的基礎上增加了限幅控制，油溫設定值被限定在T6上限和T6下限之間，導熱油溫度設定值在T6理想曲線附件游動，被限制在陰影區域內，這樣很好地解決了大超調的問題。

3 調試

調試時先將PID進行自整定，使油溫能快速平穩地進行定制控制，然后再對模糊控制規則表進行驗證和優化。測試時需采用不同等級的變壓器進行對比校正，形成可靠的專家經驗。保溫階段溫度設定值限定算法要有所提前，否則造成保溫階段超調。實際運行效果良好，升溫速率穩定、波動較小，超調較小，運行曲線如圖5所示。

4 結束語

本文將二維模糊控制器和常規PID控制器組成串級系統，結合限幅控制應用到熱風循環干燥中，達到減小超調量和穩態誤差效果，并成功應用于奧地利某變壓器廠，得到廠家的高度好評。本控制系統特別適用于非線性、大慣性、大滯后的加熱系統。

參考文獻：

[1]金以慧.過程控制[M].北京：清華大學出版社，2003：103-122.

[2]中山凱旋真空技術工程有限公司.干燥設備的升溫控制系統及干燥設備[P].中國： 201621133653，2017-09-22.

[3]馬玉，谷立臣.限幅模糊與帶閾值設置PID補償的變轉速液壓源流量控制方法研究[C].武漢：中國機械工程，2015，26（16）：2199.

作者簡介：吳標平（1977-），男，廣東中山人，本科，研究方向：真空設備自動控制系統的開發與應用。