漆包機烘爐的熱平衡控制方法研究*

王俊影，李 揚，袁浩期

（廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

漆包機是用于生產漆包線的專用設備。目前漆包機存在溫度控制精度不高、不環保以及高耗能等問題，主要原因是漆包機各加熱區的溫度受大氣溫度與大氣氣壓變化的影響，同時控制策略也對調溫效果產生了較大影響，使得烘爐內部各溫區的溫度波動范圍大（20～30℃以上）。例如，當烘爐內部的熱能過剩或不足時，對烘爐內部各溫區分別采用獨立溫控表進行溫度調節將產生較大困難，就會出現“顧此失彼”的嚴重問題。此外，烘爐的熱能過剩就浪費了電能，熱能不足又容易出現控溫不準，也就造成催化燃燒不充分和廢氣排放超標。因此，漆包機烘爐的熱平衡控制方法對于保證漆包線加工質量、節約能源和環保都具有重要的意義。

高建文等[1]提出了利用熱能平衡控制、模糊控制和PID控制相結合的方法，對現有的漆包機爐溫控制系統做出改善。張曉棟等[2]提出了一種漆包機烘爐的熱能平衡模糊控制系統，使烘爐的溫控能夠自適應環境溫度的變化，節約電能，提高了產能比。本文對臥式漆包機爐膛的內部結構進行了分析，結合熱平衡原理實現對漆包機烘爐整體系統的熱能模糊控制。對PID控制方法與模糊控制方法進行了仿真對比，并搭建了模擬試驗裝置進行了實驗研究。

1 漆包機烘爐熱能計算

1.1 漆包機爐膛結構

目前我國以采用多層催化燃燒熱風循環結構的低速臥式漆包機為主，該烘爐內部構造復雜，需要調整的閥門多，各加熱區的溫度調節比較難[3]；另外各加熱區之間由于熱量的傳遞，導致不同溫區相互影響。漆包機的烘爐結構主要分為：前爐加熱區、中爐加熱區、后爐加熱區、催化區和循環區。漆包機烘爐結構如圖1所示。

圖1 漆包機烘爐結構圖

1.2 熱能平衡模型

烘爐的熱平衡模型如圖2所示。絕緣漆在烘爐中催化燃燒放出大量的熱能，再加上加熱管放出的熱能與排廢時的熱量損失，烘干暖風的利用熱輸出，以及漆包機的熱能泄漏，在烘爐運行過程中達到動態的熱能平衡，稱之為烘爐熱能平衡。烘爐的熱平衡式的模型為：

圖2 烘爐的熱平衡模型

式中：Q1為烘爐內的電加熱能，kJ/h；Q2為烘爐內有機溶劑蒸氣經過催化燃燒后釋放的化學能，kJ/h；Q3為烘爐排放煙氣帶走的熱能，kJ/h；Q4為導線上聚酯漆固化吸收的熱能，kJ/h；Q5為爐體散熱，kJ/h；Q6為爐膛出口處逸出蒸氣的熱能，kJ/h[2]。

1.3 熱能的計算

系統的熱能主要指熱量，熱量Q的計算式簡化為：

式中，CV為爐膛熱蒸氣的比熱，dT為爐內外的溫差，即dT=t-t0，t為爐內溫度，t0為大氣溫度[4-5]。

可得：式中：V1、V2、V3為前爐、中爐和后爐的容積，V1=V2=V3=VH/3，VH為烘爐的容積；V4為催化前爐腔的容積；V5為催化室和催化后爐腔的容積；t0為大氣溫度；t1、t2、t3為前爐、中爐和后爐的溫度；t4為催化前爐腔的溫度；t5為催化后爐腔的溫度；取比熱為相對值，C1=C2=C3=C4=1.0，取C5=2.0。

因此可得到爐膛熱量（相對值）的計算式為：

2 熱能模糊控制

2.1 模糊控制原理

模糊控制器主要分為3個部分：模糊化輸入、模糊推理和解模糊，對于二維模糊控制器，需要同時將偏差E和偏差變化率EC作為輸入量。本文將E、EC和U這3個論域均 分 為7級{- 3，-2，-1，0，1，2，3} ， 用 符 號{NB,NM,NS,ZO,PS,P M,PB} 來表示[6-7]。

2.2 輸入量量化

輸入量量化等級如表1所示，實驗環境按照控制精度在±1℃要求，定義E的論域為[-6，+6]，EC的論域為[-0.9，+0.9]。E代表熱能誤差，通過上文所述的熱能方程，利用熱電偶檢測到的溫度以及設定的溫度計算熱能值Qr（檢測計算熱能值）和Qt（設定熱能值），熱能誤差E=Qr-Qt，E＞0表示系統熱能高于設定值，E＜0表示系統熱能低于設定值。

表1 輸入量量化等級表

EC代表熱能誤差變化率，用當前誤差與前一時刻采樣熱能誤差的差值變化率EC=E n-E n-1來代替。若EC＞0，表明系統熱能在增加，系統正進行的是升溫過程，若EC＜0表明系統熱能在減少。

2.3 模糊推理

E和EC對應的模糊規則為：

IF E is NB and EC is NB

Then U is PB

該規則可歸納為IF A and B then C，其中A為論域U上的一個模糊子集，B是論域V上的一個模糊子集，根據人工調節的經驗，可給出其控制決策表R，R是笛卡爾乘積集的一個模糊子集，則某一時刻其控制量由下式給出：

模糊推理采用最小最大的方法，由于MCGS控制器腳本程序的模糊運算能力有限，所以將模糊矩陣運算的運算部分采用離線方式進行求取[8]。根據E和EC查找模糊控制響應表，如表2所示。

表2 模糊控制響應表

2.4 解模糊

U表示模糊控制器的輸出，由于U代表的是電流變送器的輸出，范圍在[4 000，20 000]，輸出量化等級與輸出相應表如表3所示。

表3 輸出量化等級與輸出相應表

3 仿真模擬及實驗驗證

3.1 Simulink仿真

按照前文介紹的模糊控制規則建立模糊推理系統，設置相應的仿真參數。PID控制中Kp=10，Ki=8，Kd=5，而模糊控制器中設置Gain=3.5，Gain1=0.5，Gain2=2，將基本論域與模糊論域對應上；由于漆包機烘爐的傳遞函數可以近似為一個一階環節和遲滯環節，利用Simulink畫出仿真圖進行PID控制與模糊控制的仿真，如圖3所示。

系統響應圖如圖4所示，通過比較PID控制器和模糊控制器，可知兩個系統的波形并沒有太大的區別，都提高了系統的響應速度，相對而言，PID控制一般需要精確建模，然后再用試湊法給出P、I和D參數；而模糊控制則不需要進行精確建模。由于在實際生產實踐中難以確定系統的傳遞函數，因此模糊控制方法就具有較大應用價值。

圖3 Simulink仿真圖

圖4 系統響應圖

3.2 實驗系統設計

使用MCGS觸摸屏、RS485共享器、熱電偶溫度采集模塊、可控硅模塊、遠程IO塊、電源模塊等組成控制系統，搭建了漆包機烘爐模擬實驗裝置，在MCGS組態環境下編寫熱平衡模糊控制程序并下載到嵌入式觸摸屏。實驗結果如表4所示。在達到設定溫度時，熱電偶檢測到的溫度會在一定幅度內上下波動，波動范圍在±2℃左右，控制精度達到3%以內。

表4 溫度測量表

圖5 移動平均及去除偶然誤差的前后對比曲線

在實驗條件下，由于系統回路接觸不良，使熱電偶的檢測溫度易產生跳動。所以在軟件中需要對熱電偶檢測到的溫度值進行移動平均和去除偶然誤差處理平滑曲線。移動平均及去除偶然誤差的前后對比曲線如圖5所示。

4 結束語

本文根據漆包機烘爐的熱能平衡模型，提出了相應的熱平衡模糊控制方法。仿真和模擬實驗結果表明，熱平衡模糊控制方法對烘爐加熱和熱平衡過程中各個溫控點的調溫效果好，穩態精度能滿足實際生產要求。