模糊控制在燒結爐溫控系統中的應用

摘要：為提高燒結質(zhì)量，滿(mǎn)足現代工業(yè)生產(chǎn)工藝需求，以先進(jìn)的自動(dòng)化控制設備為核心，以基于友好的人機界面為交流窗口，采用智能控制技術(shù)來(lái)控制燒結爐運行的燒結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。闡述了幾種燒結爐溫控方式，并在此基礎上提出和設計了一種基于模糊PID控制的新方法來(lái)控制燒結爐爐溫。
關(guān)鍵詞：PLC；燒結爐；模糊控制；燒結溫度

0 引言
真空脫蠟燒結一體爐可一次性完成脫膠、燒結、冷卻和收取成型劑的全套工藝流程。其在傳統燒結爐結構的基礎上增加了一個(gè)石墨內膽，并采用低壓載氣脫蠟工藝，經(jīng)收蠟裝置分離出粘結(成型)劑后，余氣以多種方式排出。由于采用了上述工藝方式，成型劑在爐內不會(huì )接觸冷的表面及在爐內積存，也不會(huì )污染保溫層和發(fā)熱體。真空燒結是硬質(zhì)合金的主要生產(chǎn)工藝，該燒結工藝要求真空脫蠟燒結一體爐的爐溫必須按照相應需燒結產(chǎn)品燒結過(guò)程中的升溫曲線(xiàn)進(jìn)行控制，跟蹤誤差和超調量都有嚴格的指標要求。由于真空爐的動(dòng)態(tài)特性具有非線(xiàn)性、時(shí)變性等特點(diǎn)，如純滯后時(shí)間隨爐溫大范圍非線(xiàn)性變化，單爐燒結的產(chǎn)品重量不等導致熱慣性差別很大等。因此真空爐的溫度控制是個(gè)難題。
模糊理論是在模糊集合理論的數學(xué)基礎上發(fā)展起來(lái)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容。經(jīng)典控制理論是建立在系統的精確數學(xué)模型基礎之上，而模糊控制方法則無(wú)需知道被控對象精確的數學(xué)模型，對時(shí)變、滯后及多輸入多輸出等復雜系統都能進(jìn)行有效控制。模糊控制具有內在的并行處理機制，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的復雜性，模糊控制器一般采用二維結構，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(加權平均法)及取中位數法。

1 傳統溫控方式
1．1 由PLC、觸摸屏構成的過(guò)程控制系統
這種工業(yè)過(guò)程控制系統由PLC執行現場(chǎng)控制，微機進(jìn)行復雜的控制計算、提供圖形化的過(guò)程控制界面來(lái)確保系統的全自動(dòng)性和可重復性。電氣設備操作人員只需關(guān)注設備監控系統界面并控制觸摸屏即可對現場(chǎng)設備進(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(diǎn)是技術(shù)改造受現場(chǎng)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真空加壓燒結爐和AID真空工業(yè)股份公司的過(guò)壓真空燒結爐。
1．2 由智能溫控器組成單回路控制系統
(1)以日本島電公司高精度FP21、FP23、FP93型PID程序調節器，千野KP1000系列程序調節儀，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參數隨SV(設定值)自動(dòng)切換。
(2)以英國歐陸公司2400系列PID調節器和廈門(mén)宇電公司AJ-808P人工智能工業(yè)調節器等為代表，采用單組PID控制的方案，控制過(guò)程中當意識到發(fā)生了振蕩和過(guò)沖時(shí)(誤差值的偏差超出一定標準)，儀表會(huì )進(jìn)行自適應運算，自動(dòng)調整并修改PID參數或修改輸出值來(lái)降低誤差。

2 本文提出的智能溫控方式
為對硬質(zhì)合金燒結過(guò)程中的燒結溫度進(jìn)行有效控制，可采用具有一定智能化的自適應模糊PID控制器。該控制器采集輸入設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(guò)相應的模糊規則將其模糊量化處理，之后再對處理后的數據進(jìn)行模糊推理與模糊決策，找出PID的三個(gè)參數與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)生相應的實(shí)際控制量Kp、Ki、Kd，在進(jìn)行PID調節器調節后，便可對控制對象進(jìn)行控制。
如圖1所示，偏差e可根據被控系統要求進(jìn)行切換，以滿(mǎn)足不同控制要求。系統可根據偏差e的偏差變化大小及其變化趨勢對爐溫進(jìn)行控制，控制系統可據此采用常規模糊控制或模糊PID控制。其突出特點(diǎn)是可以對PID的三個(gè)參數進(jìn)行在線(xiàn)預估，并且可以通過(guò)切換來(lái)比較控制效果，并據此采取進(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性，這種將PID與模糊控制相融合的方式不僅對燒結爐的溫控系統有益，而且對其他大滯后、強耦合的控制系統均有很高的參考價(jià)值。

3 結束語(yǔ)
本文針對真空脫蠟燒結一體爐在硬質(zhì)合金生產(chǎn)燒結過(guò)程中燒結溫度難以控制的問(wèn)題，采用智能化的模糊控制方法，并與傳統的PID控制器相結合，以偏差切換為控制方式轉換開(kāi)關(guān)，提出了一種復合型的模糊控制器，該模糊控制器不依賴(lài)于被控對象精確的數學(xué)模型，可有效地滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求。實(shí)踐證明，此方法控制精度高，控制效果好。