楊盛泉,龔 晨,楊洪波,王勁松,羅清道
(1.西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710021;2.黃岡市華窯中興窯爐有限責(zé)任公司,黃岡 438000)
電工陶瓷(簡(jiǎn)稱(chēng)電瓷)是各種電壓等級(jí)的變電站內(nèi)線路、高低壓電器設(shè)備內(nèi)部線路中起壓力支撐和電氣絕緣作用的關(guān)鍵瓷質(zhì)部件,它在現(xiàn)代電力與電器系統(tǒng)中具有非常重要的地位。電瓷的生產(chǎn)燒制主要通過(guò)間歇式的熱工設(shè)備——梭式窯進(jìn)行,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大部分企業(yè)的電瓷梭式窯均采用常規(guī)PID算法控制其溫度、流量與壓力參數(shù)使其動(dòng)態(tài)符合工藝產(chǎn)品曲線[1]。由于動(dòng)態(tài)工藝曲線整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷升溫、保溫、降溫等一系列階段,由若干步Step組成,每一步的溫升速率P不一樣,運(yùn)行時(shí)調(diào)控對(duì)象處于動(dòng)態(tài)非線性滯后跟隨工藝曲線,呈現(xiàn)出大時(shí)變、多耦合、強(qiáng)慣性的多變量運(yùn)行狀態(tài),常規(guī)PID算法一般參數(shù)通過(guò)靜態(tài)自整定獲得,很難適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)非線性大時(shí)滯調(diào)節(jié),因而經(jīng)常出現(xiàn)階段性的溫差大、氣氛不均勻、耗能高及產(chǎn)品合格率低等不良狀況。PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制算法將智能控制理論與常規(guī)的PID控制算法相結(jié)合,其設(shè)計(jì)思想是利用專(zhuān)家系統(tǒng)(Expert System)技術(shù),將人工智能(Artificial Intelligence)以非線性控制方式引入到控制器中,使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下均能得到比常規(guī)PID控制更好的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性能[2]。本文在常規(guī)PID算法的基礎(chǔ)上,研究其改進(jìn)形式,給出了電瓷梭式窯自動(dòng)控制專(zhuān)家PID控制算法的硬件、軟件結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì),并通過(guò)企業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)證明其可行與高效。
電瓷梭式窯是生產(chǎn)電瓷產(chǎn)品的現(xiàn)代復(fù)雜的機(jī)電一體化高溫加熱設(shè)備,它主要由機(jī)械箱式墻體、空氣管道、燃?xì)夤艿馈⑷紵鳌Q熱器、助燃風(fēng)機(jī)、排煙、空氣調(diào)節(jié)閥門(mén)、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥門(mén)以及溫度、壓力、流量傳感器等組成[3],由于不同產(chǎn)量的電瓷梭式窯的體積與燃燒器配置數(shù)量略有差異,但它們的控制工藝原理基本一致,本文以目前國(guó)內(nèi)外使用最多的常見(jiàn)8燒嘴電瓷梭式窯為研究對(duì)象,其控制工藝模型如圖1所示。
圖1 電瓷梭式窯控制工藝模型
電瓷產(chǎn)品燒成是指電瓷坯體在從低溫-高溫-冷卻過(guò)程中發(fā)生一系列復(fù)雜物理化學(xué)的反應(yīng),使坯體化學(xué)組成與物理顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化,最終獲得某種外形尺寸固定、強(qiáng)度提高符合特定使用性能電瓷制品的過(guò)程。不同的產(chǎn)品燒成控制工藝曲線不一樣,某懸式電瓷產(chǎn)品的控制工藝曲線主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 某電瓷產(chǎn)品控制工藝曲線參數(shù)
表1中的參數(shù)反應(yīng)了電瓷梭式窯的控制燒成制度,其需要通過(guò)控制總管支管空燃?xì)馀浔热紵瑢?shí)現(xiàn)不同時(shí)間、不同狀態(tài)(數(shù)值1,2,3,4分別表示氧化、過(guò)渡、還原、冷卻狀態(tài))下的溫度,每一步的溫升速率(P=Temp/Time)均不一樣,同時(shí)在每一步窯壓、總管流量、壓力均具有不同的設(shè)定數(shù)據(jù),這些均需要PID對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)非線性調(diào)控實(shí)現(xiàn),根據(jù)系統(tǒng)的控制模型與燒成控制工藝曲線可以抽象出電瓷梭式窯的PID控制對(duì)象結(jié)構(gòu)組成.其結(jié)構(gòu)如圖2所示,用一個(gè)2元組關(guān)系式表示為KCE=(M,T),進(jìn)一步可以細(xì)化成5元組關(guān)系式 KCE=(MA,MG,MK,MP,Mn),其中n為溫區(qū)編號(hào)。
圖2 電瓷梭式窯的PID控制對(duì)象組成結(jié)構(gòu)
從表1可以看出,圖2中每一個(gè)PID對(duì)象根據(jù)不同的狀態(tài)必須適應(yīng)不同升溫速率進(jìn)行精確調(diào)控,支管PID對(duì)象在氧化狀態(tài)的時(shí)候調(diào)節(jié)燃?xì)庵Ч荛y門(mén),其他狀態(tài)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)空氣支管閥門(mén),顯然用常規(guī)靜態(tài)參數(shù)PID實(shí)現(xiàn)很難得到滿意的控制效果。
電瓷梭式窯PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制方法的實(shí)質(zhì)是基于梭式窯溫度、流量、壓力等按步控制的規(guī)律以及適應(yīng)步狀態(tài)各種知識(shí),結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)推理使用智能知識(shí)參數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)用常規(guī)PID控制器[4]。從本質(zhì)上講專(zhuān)家 PID 控制算法就是專(zhuān)家控制理論與常規(guī)PID 控制算法相合優(yōu)化的復(fù)合控制器。
專(zhuān)家系統(tǒng)(Expert System)是一種基于知識(shí)的推理分析控制系統(tǒng),它主要面向多變量、多狀態(tài)、多環(huán)節(jié)、多耦合復(fù)雜地問(wèn)題[5],同時(shí)具有夠自我修復(fù)完善的自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)。根據(jù)專(zhuān)家系統(tǒng)理論與常規(guī)PID控制要求,結(jié)合梭式窯控制特征,設(shè)計(jì)的梭式窯專(zhuān)家控制原理結(jié)構(gòu)如圖3所示,可根據(jù)實(shí)時(shí)偏差與環(huán)境狀態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)獲取不確定的PID參數(shù)知識(shí)信息,經(jīng)過(guò)特定的啟發(fā)式推理并控制輸出達(dá)到合理控制窯爐被控對(duì)象的任務(wù)目標(biāo)[6-7]。
圖3 梭式窯PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制原理
其控制原理為:
1) 控制器的測(cè)量值為pv(t),實(shí)時(shí)采集于窯爐被控對(duì)象,隨時(shí)間t變化,梭式窯在工藝曲線運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)定值為sp(t),偏差為e(t)=pv(t)-sv(t)。
2) 狀態(tài)控制主要為推理機(jī)提供環(huán)境輸入?yún)?shù):偏差e(t)的范圍、梭式窯運(yùn)行的狀態(tài)、空燃?xì)夥绞娇刂谱值取?/p>
3) 知識(shí)庫(kù)提供梭式窯各種情況下PID控制效果知識(shí),由控制理論、專(zhuān)家知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)人工操作經(jīng)驗(yàn)而形成。其主要由若干條動(dòng)態(tài)產(chǎn)生式規(guī)則組成。
4) 推理機(jī)根據(jù)狀態(tài)控制的提供的輸入條件、系統(tǒng)運(yùn)行工控運(yùn)用知識(shí)庫(kù)里面提供的知識(shí)給PID控制器提供合適的比例系數(shù)FP、積分系數(shù)FI、微分系數(shù)FD以及專(zhuān)家條件限制EV、EK,并調(diào)用PID控制器根據(jù)偏差e(t)進(jìn)行運(yùn)算得到實(shí)際控制輸出參數(shù)mv(t),并將其發(fā)送至窯爐被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。
5) 辨識(shí)評(píng)價(jià)是專(zhuān)家系統(tǒng)的優(yōu)化自學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu),根據(jù)本次調(diào)控輸出后偏差控制效果是否達(dá)標(biāo)給出評(píng)價(jià),根據(jù)需要將優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入知識(shí)庫(kù),或者剔除知識(shí)庫(kù)中調(diào)節(jié)品質(zhì)差的知識(shí)規(guī)則[8]。
控制器運(yùn)行時(shí)每隔一定的時(shí)間間隔計(jì)算偏差,令e(t)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻從被控對(duì)象得到的控制偏差值,則e(t-1)表示前1個(gè)時(shí)間間隔的計(jì)算偏差,Δe(t)為當(dāng)前偏差變化數(shù)據(jù),其表達(dá)式為
Δe(t)=e(t)-e(t-1)
(1)
同理,e(t-2)表示前2個(gè)時(shí)間間隔的計(jì)算偏差,Δe(t-1)為前1個(gè)時(shí)刻的偏差變化數(shù)據(jù),其表達(dá)式為
Δe(t-1)=e(t-1)-e(t-2)
(2)
設(shè)計(jì)的PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制器中算法有若干條產(chǎn)生式規(guī)則組成,其他核心代碼如下:
functionexpertpid( fstate:TState);
begin
Get Envi Para;//獲取狀態(tài)環(huán)境參數(shù)
ComputeEV;//計(jì)算各種偏差數(shù)據(jù)
if R1 then do T1;//規(guī)則1測(cè)試執(zhí)行
if R2 then do T2;//規(guī)則2測(cè)試執(zhí)行
…
if Rnthen do Tn; //規(guī)則n測(cè)試執(zhí)行
Save Envi Para;//保存本次計(jì)算參數(shù)
Device Output;//輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)
end;
算法中主要有以下7種產(chǎn)生式規(guī)則[9-10]:
1) if (|e(t)|≥H1) then式(3)。
mv(t)=Vmax
(3)
當(dāng)|e(t)|≥H1成立時(shí),說(shuō)明偏差的絕對(duì)值已經(jīng)達(dá)到允許設(shè)定的極限偏差常數(shù)H1值,無(wú)論Δe(t)趨勢(shì)如何發(fā)展,控制器的輸出立刻設(shè)置mv上限Vmax,以最快速度達(dá)到調(diào)整偏差,使控制偏差絕對(duì)值以最快速度變小。這種方式相當(dāng)于實(shí)施PID開(kāi)環(huán)模式控制。
2) if (e(t)*Δe(t)>0) and (|e(t)|≥H2) then式(4)。
mv(t)=mv(t-1)+k1{FP[e(t)-e(t-1)]+
FIe(t)+FD[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]}
(4)
當(dāng)e(t)*Δe(t)>0 成立并且|e(t)|≥H2成立時(shí),說(shuō)明控制器的偏差在朝偏差絕對(duì)值變大的方向變化或者偏差比較大且已經(jīng)達(dá)到某一極限偏差常數(shù)H2之上。這時(shí)需要控制器實(shí)施較強(qiáng)扭轉(zhuǎn)偏差絕對(duì)值朝減小方向去變化,輸出執(zhí)行式(4),其目的是實(shí)現(xiàn)加速減小偏差e(t)的絕對(duì)值,式中k1為控制器增益放大系數(shù)且k1>1,H2為設(shè)定的極限偏差常數(shù),且H1>H2。
3) if (e(t)*Δe(t)>0) and (|e(t)|
mv(t)=mv(t-1)+FP[e(t)-e(t-1)]+FIe(t)+FD[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]
(5)
當(dāng)e(t)*Δe(t)>0 成立并且|e(t)|
4) if (e(t)*Δe(t)<0) and (e(t)*Δe(t-1)>0) or (e(t)=0) then式(6)。
mv(t)=mv(t-1)
(6)
當(dāng)出現(xiàn)e(t)*Δe(t)<0且e(t)*Δe(t-1)>0說(shuō)明偏差的絕對(duì)值朝偏差縮小的方向前進(jìn),或者偏差e(t)為0時(shí)說(shuō)明調(diào)控已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài),這兩種情況下控制器輸出mv(t)則需要維持上一時(shí)刻數(shù)據(jù)。
5) if (e(t)*Δe(t)<0) and (e(t)*Δe(t-1)<0) and (|e(t)|≥H2) then式(7)。
mv(t)=mv(t-1)+k1{FP[e(t)-e(t-1)]+FD[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]}
(7)
當(dāng)e(t)*Δe(t)<0 同時(shí)e(t)*Δe(t-1)<0時(shí),并且|e(t)|≥H2成立時(shí),說(shuō)明偏差達(dá)到極值H2狀態(tài)。此時(shí)控制器輸出實(shí)施較強(qiáng)的PD控制作用,其輸出如果式(7)的運(yùn)算值,式中k1為控制器增益放大系數(shù)且k1>1。
6) if (e(t)*Δe(t)<0) and (e(t)*Δe(t-1)<0) and (|e(t)|
mv(t)=mv(t-1)+k2{FP[e(t)-e(t-1)]+FD[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]}
(8)
當(dāng)e(t)*Δe(t)<0 同時(shí)e(t)*Δe(t-1)<0時(shí),并且|e(t)|
7) if (|e(t)|<ε) then式(9)。
mv(t)=mv(t-1)+FIe(t)
(9)
ε為任意較小的實(shí)數(shù),當(dāng) |e(t)|<ε時(shí),說(shuō)明控制器偏差的絕對(duì)值很小,此時(shí)可以適當(dāng)加強(qiáng)積分作用,以減小穩(wěn)態(tài)誤差。
電瓷梭式窯PID專(zhuān)家系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。
根據(jù)電瓷梭式窯的工藝原理與控制要求,可以采用集散控制模式,硬件控制由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、模擬量輸入A/D采集單元與模擬量輸出D/A控制單元、總管電動(dòng)閥、支管電動(dòng)閥、風(fēng)機(jī)變頻器及梭式窯工業(yè)級(jí)控制計(jì)算機(jī)等組成,如圖4所示。
圖4 電瓷梭式窯自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成
溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器將物理量變送轉(zhuǎn)換成4~20 mA送入模擬量A/D采集單元,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)濾波算法獲取梭式窯各個(gè)溫區(qū)的溫度、總管流量和壓力等原始真實(shí)數(shù)字量并根據(jù)工藝量程轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)范圍物理量,為PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制器提供pv值。各個(gè)PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制器根據(jù)工藝程序的sv值進(jìn)行專(zhuān)家推理運(yùn)算,得到mv調(diào)控輸出值數(shù)字量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成4~20 mA模擬量輸出到各溫區(qū)空氣支管電動(dòng)閥、燃?xì)庵Ч茈妱?dòng)閥、空氣總管電動(dòng)閥、燃?xì)饪偣茈妱?dòng)閥以及各個(gè)風(fēng)機(jī)變頻器上去。
控制系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠓椒?Object Oriented Method)進(jìn)行分析設(shè)計(jì),把面向?qū)ο蟮囊詫?duì)象為中心,以類(lèi)和繼承為構(gòu)造機(jī)制思想應(yīng)用于軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了很多類(lèi)(Class),其中最重要的類(lèi)為虛擬專(zhuān)家儀表控制器(TVIExpertPIDGauge),在該類(lèi)中編程封裝實(shí)現(xiàn)了PID專(zhuān)家系統(tǒng),然后用此類(lèi)生成了具體的支管、總管PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制器對(duì)象(Object)。TVIExpertPIDGauge類(lèi)的定義頭部核心代碼如下:
type
TVIExpertPIDGauge = class(TCustomControl)
fPV,fSV,fMV:Real;//定義采集、設(shè)定、輸出
FP,FI,FD,FDEAD:Real;//定義核心PID參數(shù)
EV,EK:Integer;//定義專(zhuān)家條件限制參數(shù)
fPIDRunTime:Integer;//定義PID運(yùn)行周期間隔毫秒
…//其他數(shù)據(jù)域、屬性定義
procedure fExpertPID;//PID內(nèi)部動(dòng)態(tài)運(yùn)算
procedure fDraw3DGauge;//顯示虛擬PID儀器
…//其他方法、事件定義
end;
電瓷梭式窯自動(dòng)控制軟件主要模塊如圖5所示,其結(jié)構(gòu)從功能上看,又可以分為三個(gè)層次。下層為用戶角色管理子系統(tǒng);中層左邊為窯爐數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng),其包含模擬量數(shù)據(jù)采集、模擬量數(shù)據(jù)輸出、人機(jī)工藝畫(huà)面顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理及曲線動(dòng)態(tài)顯示趨勢(shì)等模塊,中層右邊為PID專(zhuān)家控制子系統(tǒng),其包含PID專(zhuān)家系統(tǒng)維護(hù)管理操作模塊;上層為窯爐記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、PID知識(shí)庫(kù)及推理規(guī)則庫(kù)。
圖5 電瓷梭式窯軟件系統(tǒng)模塊組成
使用文中提出的PID專(zhuān)家系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)電瓷公司梭式窯自動(dòng)控制的科研項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)際開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)在Windows 7操作系統(tǒng)中使用國(guó)際流行的Embarcadero RAD Studio XE開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行具體的編程實(shí)現(xiàn)。最終實(shí)現(xiàn)的梭式窯控制系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好,數(shù)據(jù)查詢方便及專(zhuān)家知識(shí)維護(hù)功能完善等優(yōu)點(diǎn),其中PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制群組虛擬儀表運(yùn)行窗口如圖6所示。
圖6 PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制群組虛擬儀表運(yùn)行窗口
為驗(yàn)證PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制算法比常規(guī)PID算法具有優(yōu)越性,選擇中興窯爐公司在國(guó)內(nèi)某電瓷廠建造的ZX-Shuttle-VIII型80 m3燃?xì)馑笫礁G作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,梭式窯裝載產(chǎn)品為懸式高壓電瓷,燒成周期從點(diǎn)火到冷卻出窯經(jīng)歷42.5 h,一共運(yùn)行2窯次進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn):第一窯軟件內(nèi)部所有的PID控制器采用文中提出的PID專(zhuān)家系統(tǒng);第二窯將文中系統(tǒng)內(nèi)部的PID控制器內(nèi)部算法修改成常規(guī)的PID運(yùn)算規(guī)則,這2窯使用相同的工藝設(shè)定程序曲線,其他所有的軟件、硬件相同。第一窯次運(yùn)用PID專(zhuān)家系統(tǒng)運(yùn)行的平均溫度動(dòng)態(tài)跟蹤曲線如圖7所示,第二窯次運(yùn)用常規(guī)PID算法運(yùn)行的平均溫度動(dòng)態(tài)跟蹤曲線如圖8所示。
從圖7與圖8的曲線對(duì)比可以看出,文中PID專(zhuān)家系統(tǒng)在梭式窯上調(diào)控具有非常高的品質(zhì),在氧化狀態(tài)兩種算法調(diào)控的溫差差異不是很大,但在還原狀態(tài)與高火保溫階段,PID專(zhuān)家系統(tǒng)控制使得窯爐溫差相對(duì)小得多,同時(shí)在整個(gè)跟蹤曲線中,在步切換時(shí)PID專(zhuān)家系統(tǒng)擾動(dòng)震蕩波幅明顯減小,在冷卻階段,由于梭式窯保溫效果好,往往降溫速率跟不上設(shè)定曲線,降溫跟蹤曲線都呈現(xiàn)放散狀態(tài),但是專(zhuān)家PID在冷卻狀態(tài)比常規(guī)PID算法跟蹤放散程度明顯縮小很多。因?yàn)镻ID專(zhuān)家控制系統(tǒng)根據(jù)溫差(PV-SV)范圍并依據(jù)知識(shí)庫(kù)中已知的調(diào)控模型進(jìn)行推理,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)選擇合適的P,I,D參數(shù)進(jìn)行控制,從而比常規(guī)PID算法使用靜態(tài)參數(shù)運(yùn)算調(diào)控更符合梭式窯工藝控制要求,因而有著更好的控制品質(zhì)與效果。
圖7 PID專(zhuān)家系統(tǒng)運(yùn)行的平均溫度動(dòng)態(tài)跟蹤曲線
圖8 常規(guī)PID算法運(yùn)行的平均溫度動(dòng)態(tài)跟蹤曲線
文中提出了基于PID專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電瓷梭式窯自動(dòng)控制系統(tǒng),結(jié)合了專(zhuān)家控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)控制環(huán)境參數(shù)的變化動(dòng)態(tài)推理計(jì)算PID輸出值,能夠靈活適應(yīng)梭式窯運(yùn)行曲線步不同溫升斜率的變化,具備很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力。該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用到其他行業(yè)熱工設(shè)備的過(guò)程控制系統(tǒng)中,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。