基于Matlab的電阻爐溫度控制系統(tǒng)仿真

李 艷

(四川工業(yè)科技學(xué)院,四川 德陽 618500)

電阻爐是一種借助電熱體元件通過電流熱效應(yīng)實現(xiàn)加熱的工業(yè)設(shè)備。從20世紀(jì)20年代開始,電阻爐在工業(yè)生產(chǎn)中的使用頻率逐漸增加,可用于金屬熱處理、非晶材料熱處理等,其多出現(xiàn)在機(jī)械制造、冶金等領(lǐng)域。雖然科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,電阻爐不斷經(jīng)過改良,但溫度控制仍然是影響電阻爐工作效率的重要因素之一。傳統(tǒng)的電阻爐溫度控制方法基于PID算法,即基于比例、積分和微分的反饋控制系統(tǒng)。但是,PID控制器的性能受到環(huán)境因素、負(fù)載變化和系統(tǒng)非線性的影響,這可能導(dǎo)致溫度控制的不穩(wěn)定性和誤差。因此,采取更為精細(xì)化的控制方法對于電阻爐的運(yùn)行具有重要的意義。本文基于模糊PID控制原理設(shè)計一種電阻爐溫度控制系統(tǒng),并采用Matlab仿真環(huán)境對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實驗,檢驗其效果,以提升電阻爐的溫度控制效果,為電阻爐的溫控系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 模糊PID算法

傳統(tǒng)PID是一種現(xiàn)行調(diào)節(jié)算法,其將實際值與設(shè)定值之間的偏差作為控制量進(jìn)行連續(xù)性調(diào)整,從而實現(xiàn)對控制對象的連續(xù)性調(diào)整。

模糊PID算法是一種類似于傳統(tǒng)PID的控制系統(tǒng),它使用模糊邏輯來處理輸入和輸出之間的模糊關(guān)系。模糊PID算法使用模糊規(guī)則和模糊推理來計算控制輸出,其中根據(jù)輸入和輸出之間的不確定性和復(fù)雜性,控制器可以產(chǎn)生不同程度的輸出響應(yīng),這對于對非線性系統(tǒng)的控制有很大的幫助[1]。具體來說,模糊PID算法處理大量的不確定的和模糊的信息,將這些信息轉(zhuǎn)換為清晰可理解的規(guī)則和決策。它使用模糊邏輯來處理這些規(guī)則并生成出最終的控制信號,使得系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)[2]。

與傳統(tǒng)PID相比,模糊PID的一個優(yōu)勢是它可以通過修改模糊控制器的規(guī)則或輸入來改善控制效果。電阻爐這種工業(yè)設(shè)備,其溫度的變化具有較大的慣性以及不確定性,在加熱的過程中容易出現(xiàn)時變性、滯后性等問題,因此,對于電阻爐溫度控制,使用模糊PID算法將會是一種更具優(yōu)勢的控制方法[3]。

2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電阻爐模型選擇

選擇北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SX-10-12型號箱式電阻爐作為研究對象。電阻爐溫度適用范圍300～1300 ℃,溫度控制精度±5%。電阻爐模型如圖1所示。

圖1 SX-10-12型號箱式電阻爐

電阻爐采取一體化設(shè)計,結(jié)構(gòu)輕巧緊湊,封閉式硅酸鋁爐膛,輕質(zhì)保溫磚,保證熱量的充分使用。平行側(cè)開式爐門,使熱端遠(yuǎn)離操作。功能鍵實現(xiàn)溫度設(shè)定。輔助菜單,實現(xiàn)過升報警、偏差修正、菜單鎖定。選配排氣裝置,利于灰化。鎳鉻鋁合金加熱絲封閉式嵌入硅酸鋁爐膛,減少揮發(fā)氣體對加熱絲的腐蝕。

2.2 基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案

由于電阻爐的溫度控制具有復(fù)雜性,其常表現(xiàn)為非線性、慣性、強(qiáng)耦合型。因此在進(jìn)行控制過程中擬采用利用爐溫與給定溫度之間的偏差進(jìn)行自動調(diào)節(jié),使得電阻爐的溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi),提升爐溫變動的均勻性[4-5]。

在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中,需要實現(xiàn)輸入端口、輸出端口、模糊控制器和模糊推理機(jī)等模塊功能。具體設(shè)計上可以采取以下方案:輸入端口:溫度傳感器,通過模擬轉(zhuǎn)換進(jìn)行模擬信號處理和噪聲消除[6]。輸出端口:控制電路,通過模擬轉(zhuǎn)換將控制信號轉(zhuǎn)換為電位器的控制信號輸入至電阻絲以控制其加熱速度。模糊控制器:模糊PID控制算法,根據(jù)輸入的溫度信號進(jìn)行計算控制輸出。模糊推理機(jī):基于模糊邏輯進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,確定物理量之間的關(guān)系和定規(guī)則維護(hù)[7]。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 箱式電阻爐溫控系統(tǒng)流程

1)溫度傳感器選擇

電阻爐的溫度檢測元件需要具有安裝方便,能夠適應(yīng)電阻爐高溫、密閉的工作環(huán)境。現(xiàn)有溫度傳感設(shè)備包括熱電阻以及熱電偶兩種。熱電阻傳感設(shè)備具有測量的敏感性,且電路結(jié)構(gòu)簡單,但其容易發(fā)生損壞,不具備經(jīng)濟(jì)性。熱電偶傳感設(shè)備是通過高壓焊接工藝將不同化學(xué)成分的熱電導(dǎo)體端口相連形成的一種傳感回路,具有更為廣泛的測溫范圍(200～1 600 ℃),相較熱電阻溫度傳感設(shè)備,熱電偶的精準(zhǔn)度更高且耐用[8-9]。因此本系統(tǒng)溫度傳感設(shè)備選擇熱電偶,并通過信號采集卡進(jìn)行信號采集和采集信號處理,實現(xiàn)數(shù)字量輸出與傳輸。

2)壓力傳感器選擇

箱式電阻爐在工作過程中爐內(nèi)的溫度較高,壓力傳感設(shè)備是采集高溫壓力的重要設(shè)備。其原理是爐內(nèi)溫度升高時會使得傳感器的膜片發(fā)生位移,作用于傳感設(shè)備電阻增大,從而實現(xiàn)環(huán)境壓力信號的轉(zhuǎn)換。選用擴(kuò)散硅式壓力傳感設(shè)備,其具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)勢[10]。

3)控制電路

由PWM控制電路和電源電路兩部分組成。其中PWM控制電路使用PLC控制器實現(xiàn)高速計算和控制。電源電路將負(fù)載和控制器之間隔離,保護(hù)控制器和負(fù)載,穩(wěn)定工作。

4)控制器

控制器是進(jìn)行電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的核心設(shè)備。常見的控制器種類包括單片機(jī)、PLC控制器以及ARW控制器。單片機(jī)控制器能夠支持C語言匯編,但其硬件的設(shè)計過于復(fù)雜,且容易受到電阻爐工作環(huán)境和磁場變動的影響,運(yùn)行可靠性較差[11]。PLC控制器作為一種工業(yè)數(shù)字計算機(jī)類型,能夠隨時隨地實現(xiàn)內(nèi)存中數(shù)據(jù)的處理以及命令執(zhí)行。且隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高,PLC控制器功能不斷改進(jìn)。現(xiàn)階段PLC控制器具有靈活變動的組態(tài)程序、功能齊全的輸入/輸出模塊,在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用更具優(yōu)勢。ARW控制器體積小,具有快速的數(shù)據(jù)處理功能,但其抗干擾能力差、故障率高[12]。綜合考慮電阻爐控制器的工作環(huán)境,因此選擇PLC控制器作為電阻爐溫控系統(tǒng)控制器元件。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計方案如下:輸入處理:通過采集卡對溫度信號進(jìn)行采樣和處理,得出數(shù)字量輸出后送入控制器。狀態(tài)預(yù)測:基于過去的歷史數(shù)據(jù)和控制規(guī)律,預(yù)測未來溫度趨勢并進(jìn)行調(diào)整。誤差計算:計算當(dāng)前輸出值和實際值之間的誤差,作為模糊控制系統(tǒng)的輸入[13]。模糊控制:基于處理好的溫度誤差信息,采用模糊PID算法控制器來計算控制信號。

模糊控制系統(tǒng)基本原理如圖3所示。

圖3 模糊處理系統(tǒng)設(shè)計原理

如圖3所示,模糊處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫以及規(guī)則庫是進(jìn)行溫度控制模糊PID算法的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫中主要包含以往的歷史處理數(shù)據(jù),規(guī)則庫中為電阻爐溫度模糊控制規(guī)則,包含模糊PID控制算法以及規(guī)則控制表范圍和語句條件。在輸入口,系統(tǒng)將采集到的電阻爐溫度確定值轉(zhuǎn)為模糊值。根據(jù)數(shù)據(jù)庫以及規(guī)則庫中的數(shù)據(jù)完成模糊推理規(guī)程,將輸入量轉(zhuǎn)化為模糊矢量,然后將得到的模糊矢量轉(zhuǎn)化為清晰化的輸入量,從而實現(xiàn)被控過程。

3 電阻爐溫度控制系統(tǒng)Matlab仿真實驗

3.1 仿真環(huán)境

Matlab軟件具有數(shù)字運(yùn)算以及圖像處理等便捷功能,相較于其他設(shè)計軟件,其自身能夠完成統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)的分析,開發(fā)數(shù)值算法,準(zhǔn)確地執(zhí)行多種向量函數(shù)。除此之外,Matlab具有可視化工具,能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。因此Matlab為電阻爐的溫度控制實現(xiàn)提供了較好的仿真環(huán)境。

3.2 構(gòu)建仿真模型

在Matlab軟件中構(gòu)建仿真模型。首先進(jìn)入Simulink界面進(jìn)行系統(tǒng)模型的搭建,設(shè)置電阻爐溫度控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖,進(jìn)行模糊推理系統(tǒng)的編輯界面,完成對輸入、輸出量的命名。將命名文件保存為電阻爐爐溫控制。在編輯器界面根據(jù)電阻爐輸入、輸出量的數(shù)值確定卻只范圍以及數(shù)值分布,得到隸屬函數(shù)類型,保存得到隸屬函數(shù)編輯界面[14]。其次在隸屬函數(shù)編輯界面設(shè)置模糊控制規(guī)則。最后將得到的控制規(guī)則模塊嵌入電阻爐爐溫控制文件中,進(jìn)行程序仿真運(yùn)行。

3.3 仿真運(yùn)行結(jié)果

在仿真測試過程中,將電阻爐的溫度范圍設(shè)置為900 ℃,并設(shè)置溫度波動上下限分別為905 ℃以及895 ℃,電阻爐溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 電阻爐仿真溫度變化曲線

由圖4可知,該電阻爐溫度上升速度較快,能夠在3 min內(nèi)實現(xiàn)預(yù)定溫度的上升,且借助模糊PID控制規(guī)則嫩鞏固將電阻爐的溫度精度控制在±5 ℃內(nèi)。溫度控制過程無超調(diào)量,溫度曲線變化曲線較為平穩(wěn),具有較好的溫度控制效果。這進(jìn)一步說明了基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案擁有多重算法優(yōu)化、多重硬件保護(hù)和多重軟件約束三重優(yōu)勢。在高精、高效、高質(zhì)的控制過程中,保證了整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。

4 結(jié) 語

熱處理是進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的重要流程,熱處理能夠改變部件的性能以及質(zhì)量。箱式電阻爐作為工業(yè)熱處理的重要設(shè)備之一,其存在明顯的溫度變化問題。因此本文提出了一種電阻爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計,并將系統(tǒng)設(shè)計在Matlab仿真環(huán)境下進(jìn)行檢驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的系統(tǒng)能夠提高電阻爐溫度控制精度,提升工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制水平。