烘箱溫度模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 杰 張開明 姚 遠

（1.鹽城師范學(xué)院 物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224002；2.鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224002）

烘箱溫度模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 杰1張開明1姚 遠2

（1.鹽城師范學(xué)院 物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224002；2.鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224002）

文章在改造烘箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了烘箱的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了模糊－PID控制器.以組態(tài)軟件作為系統(tǒng)核心，將組態(tài)軟件（MCGS）與模糊－PID控制器結(jié)合起來，將原來分散控制的12臺烘箱設(shè)備集中控制，利用組態(tài)軟件對生產(chǎn)過程進行動態(tài)工藝圖顯示、參數(shù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)采集等操作，通過智能模塊對固態(tài)繼電器進行控制，改以往的移相觸發(fā)方式為過零觸發(fā)，從而達到節(jié)電控溫的目的.

氖泡生產(chǎn)線；溫度控制；模糊PID控制；組態(tài)軟件

0 引言

江蘇伯樂達照明電氣有限公司的氖泡生產(chǎn)車間有24 h運轉(zhuǎn)的氖泡生產(chǎn)線80多條，每條氖泡生產(chǎn)線上都有一臺5.1 k W的開放式電熱烘箱，正常箱內(nèi)溫度為910℃±1℃.由于結(jié)構(gòu)和控制的原因，烘箱表面溫升達120℃及開口處的熱量損耗較大，使企業(yè)承擔(dān)很大的電費負擔(dān).其烘箱的溫度控制由PID控制器和可控硅移相調(diào)壓裝置來實現(xiàn).PID控制有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、容易實現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點，但其性能取決于參數(shù)的整定，其快速性和超調(diào)性之間的矛盾使它較難滿足被控對象的技術(shù)要求.模糊控制事先不需要獲知對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是基于人類的思維以及生產(chǎn)經(jīng)驗，用語言描述控制過程，并可根據(jù)規(guī)則去調(diào)整控制算法或控制參數(shù).模糊控制具有快速性的特點，而且還可以保持較小的超調(diào)量，但是其控制過程會存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差［1］.本文在改造烘箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來，形成模糊PID控制器，充分發(fā)揮模糊控制的快速性和PID控制幾乎沒有穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點［3］，并結(jié)合組態(tài)軟件將其應(yīng)用于氖泡生產(chǎn)線烘箱溫度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對烘箱溫度的快速和精確控制.

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 烘箱結(jié)構(gòu)的改造

氖泡生產(chǎn)線上的烘箱都是開放式電熱烘箱，其外表形狀與圖1類似，但其用一層較厚的礦棉作為保溫層，效果不好.為此，在不改變其尺寸的前提下，在其中間加一層金屬內(nèi)殼，很好地解決了散熱嚴(yán)重的問題.改造后其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示.這種烘箱結(jié)構(gòu)已獲得國家實用新型專利，專利號：ZL200920152793.3.

1.2 控制系統(tǒng)的硬件組成

電熱烘箱控制系統(tǒng)是由被控對象（12臺烘箱）、溫度傳感器（熱電偶）、執(zhí)行器（固態(tài)繼電器）和控制計算機等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖3所示.圖中電熱烘箱作為被控對象，用熱電偶檢測烘箱出口溫度，其溫度值直接傳送到智能數(shù)據(jù)采集模塊RM410并由通訊線經(jīng)RS485／RS232轉(zhuǎn)換后和計算機的串行口相連，計算機對送來的測量值和設(shè)定值進行比較，得到偏差e；并按相應(yīng)的控制規(guī)律進行運算，結(jié)果由RM441輸出模塊直接輸出觸發(fā)脈沖，驅(qū)動固態(tài)繼電器通斷對電熱絲供電，從而實現(xiàn)對烘箱溫度的控制.

圖1 改造后烘箱效果圖

圖2 烘箱橫截面圖

系統(tǒng)中的智能模塊分別采用北京中泰公司產(chǎn)品RM441，RM410和RM450，控制距離遠達1 200 m，抗干擾能力強，可靠性高.其中，RM410是十四通道熱電偶溫度采集模塊，可通過WRN－120型熱電偶直接將現(xiàn)場溫度采集到計算機中；RM441是路遠端模擬量輸出驅(qū)動模塊；RM450是RS485／RS232轉(zhuǎn)換模塊.

1.3 控制系統(tǒng)的主電路

烘箱都是額定電壓為220 V的單相電阻性負載，車間多臺烘箱按功率分三組平均分配到各相電源上.各組負載均采用電熱烘箱的電熱絲串固態(tài)繼電器輸出后，并聯(lián)到220 V電源.其主電路圖如圖4所示.固態(tài)繼電器的通斷觸發(fā)信號控制.

圖3 電熱烘箱控制系統(tǒng)硬件接線示意圖

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 電熱烘箱數(shù)學(xué)模型的建立

由于烘箱內(nèi)容積很小，又采用高性能絕熱材料，故系統(tǒng)的時間常數(shù)和熱慣性較小.經(jīng)實驗確定，K＝2.4，T＝280 s，τ＝20 s.為簡單起見，設(shè)烘箱壁絕熱，氖泡很小其吸熱近似為0，令環(huán)境溫度為0，則烘箱的傳遞函數(shù)為：

考慮到烘箱加熱系統(tǒng)是純滯后系統(tǒng)，則傳遞函數(shù)可表示為：

圖4 氖泡車間烘箱控制主電路圖（單相）

可見，烘箱加熱系統(tǒng)是一階純滯后系統(tǒng).

當(dāng)PID控制器的三個參數(shù)分別為：KP＝1.8，KI＝0.015，KD＝1.0時，PID控制的穩(wěn)態(tài)偏差最小且過渡時間合適.

2.2 模糊控制算法的設(shè)計

模糊PID控制規(guī)律通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)，這樣充分運用計算機高速運算及復(fù)雜邏輯判斷功能，不僅便于控制、監(jiān)督和操作，還便于對控制算法進行修改調(diào)整.腳本程序流程圖如圖5、圖6所示.

設(shè)定烘箱穩(wěn)態(tài)工作溫度為910℃，加熱之初，由于采樣值與設(shè)定值相差很大，系統(tǒng)進入模糊控制狀態(tài)，此時烘箱全壓進行，溫度迅速上升，當(dāng)溫度上升至設(shè)定值 的96%（約880℃）時，自動轉(zhuǎn)入PID控制狀態(tài)，系統(tǒng)由PID控制，直到系統(tǒng)穩(wěn)定.

圖5 控制流程圖

圖6 模糊控制流程圖

2.3 模糊PID控制器的設(shè)計

模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，特點是在大偏差范圍內(nèi)利用模糊推理的方法調(diào)整系統(tǒng)的控制量U，而在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)，正適合電熱烘箱啟動時溫度調(diào)節(jié)范圍大，穩(wěn)定后溫度調(diào)節(jié)范圍小的特點［4］.

圖7 調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

總結(jié)電熱烘箱加熱經(jīng)驗得到模糊控制規(guī)則如表1所示.表中U為模糊控制輸出量，E為經(jīng)模糊化的輸入偏差，Ec為經(jīng)模糊化的輸入偏差變化率.

表1 模糊控制規(guī)則表

3 組態(tài)設(shè)置

利用組態(tài)軟件設(shè)計出交互方便的人機界面，這樣不僅可直觀地監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場，而且可以設(shè)置不同的工作方式和系統(tǒng)參數(shù).同時還可在人機界面上設(shè)置具有工程應(yīng)用價值的實時報表和歷史報表，更加直觀地實時曲線和歷史曲線，用戶還可以選擇要監(jiān)督顯示的內(nèi)容.人機交互界面一般包括現(xiàn)場連線畫面、實時曲線、歷史報表、現(xiàn)場數(shù)據(jù)瀏覽、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和報警查詢等.人機交互界面的功能如圖8所示.

3.1 MCGS與設(shè)備間的通訊設(shè)置

MCGS通過設(shè)備驅(qū)動程序與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換.設(shè)計中選用智能數(shù)據(jù)采集模塊RM441和RM410，用RS485通訊線經(jīng)RS485／RS232轉(zhuǎn)換器RM450轉(zhuǎn)換后和計算機的串行口相連，完成裝置與計算機之間的數(shù)據(jù)通訊.在設(shè)備窗口中設(shè)置通用串口父設(shè)備為設(shè)備0，子設(shè)備分別為RM441／410.

3.2 系統(tǒng)主畫面設(shè)計

利用MCGS提供的現(xiàn)成圖形、圖庫分別設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和各設(shè)備主控畫面［5］.系統(tǒng)分布圖如圖9所示.用類似的方法可以設(shè)置出各個烘箱的主控界面、歷史曲線界面、報警界面及實時數(shù)據(jù)界面等.指定In01－In12數(shù)據(jù)對象和設(shè)備RM410的模擬量對應(yīng)的輸入通道建立連接，指定Out01－Out12數(shù)據(jù)對象和設(shè)備RM441的開關(guān)量對應(yīng)的輸出通道建立連接.

圖8 氖泡生產(chǎn)線溫度系統(tǒng)人機界面功能框圖

圖9 氖泡車間溫控系統(tǒng)分布圖

3.3 腳本程序的編寫

模糊PID控制規(guī)律通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)，這樣充分運用計算機高速運算及復(fù)雜邏輯判斷功能，不僅便于控制、監(jiān)督和操作，還便于對控制算法進行修改調(diào)整.腳本程序流程圖如圖6、7所示.

在循環(huán)策略塊中創(chuàng)建一個策略行.在策略行的條件部分可以控制該算法是否啟動，設(shè)置循環(huán)策略的定時時間為1 s，在策略行的功能部分放置腳本程序構(gòu)件.在組態(tài)中控制規(guī)則用“if…then…”條件語句表述.如“ifE＝1 andEc＝0.2 ThenU＝0.7”經(jīng)反模糊化確定其對應(yīng)的輸出值.而PID控制程序可應(yīng)用組態(tài)提供的參考程序.

3.4 實驗驗證

改造后，對系統(tǒng)進行了運行試驗，測得每小時平均耗電4.5度，比改造前節(jié)約0.5 k W，改造前后實時溫度曲線如圖9和圖10相比，明顯可見，改造后系統(tǒng)的溫度超調(diào)只有3℃，明顯減小，過渡時間減少了近2 min，控制效果比原PID控制有明顯提高.說明模糊－PID控制中模糊控制規(guī)則合理，PID參數(shù)設(shè)置正確，將模糊－PID控制器應(yīng)用于烘箱加熱系統(tǒng)完全可行.

4 結(jié)束語

本文在烘箱結(jié)構(gòu)改造的基礎(chǔ)上，在常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)中加入模糊控制單元，構(gòu)成模糊PID控制器.通過MCGS軟件及應(yīng)用，不僅設(shè)計、開發(fā)出控制性能優(yōu)于常規(guī)模擬控制儀表的烘箱控制系統(tǒng)，而且操作及人機交互更加方便.本控制系統(tǒng)在江蘇伯樂達照明電器有限公司經(jīng)約十個月試運行，表明采用MCGS工控組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)的電熱烘箱溫度控制系統(tǒng)不僅具有較好的節(jié)電效果，而且控制效果好，正在進行工程應(yīng)用推廣.

圖10 改造前烘箱溫度曲線

圖11 改造后烘箱溫度曲線

［1］文定都.基于模糊控制算法的爐溫控制系統(tǒng)［J］.工業(yè)爐，2007，29（3）：30-32

［2］白美卿，高富強.電阻爐溫控制中的可控硅觸發(fā)技術(shù)［J］.自動化儀表，1996，17（2）：28-31

［3］王 鳴.基于模糊控制理論的一種PID參數(shù)自整定控制器的設(shè)計與仿真［J］.自動化與儀器儀表，2000，1：14-17

［4］姚婭川.模糊控制算法在組態(tài)軟件中的應(yīng)用與研究［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報，2008，34（4）：3 124-3 137

［5］曹立學(xué).基于組態(tài)軟件的溫度 DDC系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29（19）：5 125-5 138

Design and Realization of Fuzzy PID Control for Oven Temperature Control System

Chen Jie1Zhang Kaiming1Yao Yuan2
（1.Physics and Electrical Technology School，Yancheng Teachers Collage；2.Yancheng Power Company，Yancheng 224002，China）

Based on rebuilding the oven structure，the mathematical model of oven is established and Fuzzy-PID controller rules are designed in this paper.With the core of MCGS，F(xiàn)uzzy－PID controller combines with MCGS，twelve ovens that dispersed before are controlled in concentrated.By the use of MCGS，the dynamic technics maps of process are showed，PID parameters are setting，real time data are collecting.After replacing Zero-Crossing Trigger-Based with phase transfer，in the control of intelligence model，the aim of saving electricity and temperature controlling are realized.

Ne-lamp product line；temperature control；fuzzy-PID control；MCGS

王映苗】

1672-2027（2011）03-0090-05

T M463

A

2011-03-14

陳 杰（1965-），男，江蘇鹽城人，碩士，鹽城師范學(xué)院物電學(xué)院高級工程師，主要從事工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的研究和相關(guān)教學(xué)工作.