模糊控制在燒結(jié)爐溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為提高燒結(jié)質(zhì)量，滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝需求，以先進(jìn)的自動化控制設(shè)備為核心，以基于友好的人機(jī)界面為交流窗口，采用智能控制技術(shù)來控制燒結(jié)爐運行的燒結(jié)工藝正逐步顯示出其優(yōu)良的特性與強大便捷的操作功能。闡述了幾種燒結(jié)爐溫控方式，并在此基礎(chǔ)上提出和設(shè)計了一種基于模糊PID控制的新方法來控制燒結(jié)爐爐溫。
關(guān)鍵詞：PLC；燒結(jié)爐；模糊控制；燒結(jié)溫度

0 引言
    真空脫蠟燒結(jié)一體爐可一次性完成脫膠、燒結(jié)、冷卻和收取成型劑的全套工藝流程。其在傳統(tǒng)燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個石墨內(nèi)膽，并采用低壓載氣脫蠟工藝，經(jīng)收蠟裝置分離出粘結(jié)(成型)劑后，余氣以多種方式排出。由于采用了上述工藝方式，成型劑在爐內(nèi)不會接觸冷的表面及在爐內(nèi)積存，也不會污染保溫層和發(fā)熱體。真空燒結(jié)是硬質(zhì)合金的主要生產(chǎn)工藝，該燒結(jié)工藝要求真空脫蠟燒結(jié)一體爐的爐溫必須按照相應(yīng)需燒結(jié)產(chǎn)品燒結(jié)過程中的升溫曲線進(jìn)行控制，跟蹤誤差和超調(diào)量都有嚴(yán)格的指標(biāo)要求。由于真空爐的動態(tài)特性具有非線性、時變性等特點，如純滯后時間隨爐溫大范圍非線性變化，單爐燒結(jié)的產(chǎn)品重量不等導(dǎo)致熱慣性差別很大等。因此真空爐的溫度控制是個難題。
    模糊理論是在模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。模糊集合理論是由Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的。主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理等方面的內(nèi)容。經(jīng)典控制理論是建立在系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，而模糊控制方法則無需知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，對時變、滯后及多輸入多輸出等復(fù)雜系統(tǒng)都能進(jìn)行有效控制。模糊控制具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，對被控對象的特性變化不敏感，具有極強的魯棒性。為保證控制精度及盡量避免系統(tǒng)的復(fù)雜性，模糊控制器一般采用二維結(jié)構(gòu)，及以偏差e及ec作為控制器的輸入。反模糊化方法主要有最大隸屬度法、重心法(加權(quán)平均法)及取中位數(shù)法。

1 傳統(tǒng)溫控方式
1．1 由PLC、觸摸屏構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)
    這種工業(yè)過程控制系統(tǒng)由PLC執(zhí)行現(xiàn)場控制，微機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的控制計算、提供圖形化的過程控制界面來確保系統(tǒng)的全自動性和可重復(fù)性。電氣設(shè)備操作人員只需關(guān)注設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)界面并控制觸摸屏即可對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作。此方案控制方法先進(jìn)，溫度控制品質(zhì)能得到保障。缺點是技術(shù)改造受現(xiàn)場環(huán)境條件制約，且成本高，不易在中小型企業(yè)推廣。目前該方法主要用在一些大型壓力真空爐上，如德國PVATepla公司的COD真空加壓燒結(jié)爐和AID真空工業(yè)股份公司的過壓真空燒結(jié)爐。
1．2 由智能溫控器組成單回路控制系統(tǒng)
    (1)以日本島電公司高精度FP21、FP23、FP93型PID程序調(diào)節(jié)器，千野KP1000系列程序調(diào)節(jié)儀，日本橫河uP350／550，750溫控儀等為代表，采用多組PID控制的方案，各組PID參數(shù)隨SV(設(shè)定值)自動切換。
    (2)以英國歐陸公司2400系列PID調(diào)節(jié)器和廈門宇電公司AJ-808P人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器等為代表，采用單組PID控制的方案，控制過程中當(dāng)意識到發(fā)生了振蕩和過沖時(誤差值的偏差超出一定標(biāo)準(zhǔn))，儀表會進(jìn)行自適應(yīng)運算，自動調(diào)整并修改PID參數(shù)或修改輸出值來降低誤差。

2 本文提出的智能溫控方式
    為對硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中的燒結(jié)溫度進(jìn)行有效控制，可采用具有一定智能化的自適應(yīng)模糊PID控制器。該控制器采集輸入設(shè)定值與反饋值之間的偏差E及偏差的變化率EC作為模糊控制器的輸入，通過相應(yīng)的模糊規(guī)則將其模糊量化處理，之后再對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊推理與模糊決策，找出PID的三個參數(shù)與E和EC之間的模糊關(guān)系，并進(jìn)行模糊合成及反模糊化，便可產(chǎn)生相應(yīng)的實際控制量Kp、Ki、Kd，在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，便可對控制對象進(jìn)行控制。
    如圖1所示，偏差e可根據(jù)被控系統(tǒng)要求進(jìn)行切換，以滿足不同控制要求。系統(tǒng)可根據(jù)偏差e的偏差變化大小及其變化趨勢對爐溫進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)可據(jù)此采用常規(guī)模糊控制或模糊PID控制。其突出特點是可以對PID的三個參數(shù)進(jìn)行在線預(yù)估，并且可以通過切換來比較控制效果，并據(jù)此采取進(jìn)一步的優(yōu)化措施。由于對偏差e進(jìn)行了切換處理，增強了控制器的適應(yīng)性，這種將PID與模糊控制相融合的方式不僅對燒結(jié)爐的溫控系統(tǒng)有益，而且對其他大滯后、強耦合的控制系統(tǒng)均有很高的參考價值。

3 結(jié)束語
    本文針對真空脫蠟燒結(jié)一體爐在硬質(zhì)合金生產(chǎn)燒結(jié)過程中燒結(jié)溫度難以控制的問題，采用智能化的模糊控制方法，并與傳統(tǒng)的PID控制器相結(jié)合，以偏差切換為控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，提出了一種復(fù)合型的模糊控制器，該模糊控制器不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，可有效地滿足生產(chǎn)工藝要求。實踐證明，此方法控制精度高，控制效果好。