摘 要:根據(jù)輥道窯的特點(diǎn)及常規(guī)PID控制器的局限性,,采用基于繼電反饋的整定方法確定PID控制參數(shù),,在此基礎(chǔ)上,采用模糊控制理論,,根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的偏差絕對值及偏差的積累絕對值,,對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時校正,當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時,,逐步調(diào)整PID參數(shù)值,,使系統(tǒng)控制性能處于最優(yōu)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的在線智能校正,,并以RS-485串行通信方式組成分布式智能控制系統(tǒng)對輥道窯溫度進(jìn)行集中監(jiān)控,。該系統(tǒng)已在現(xiàn)場長期連續(xù)運(yùn)行,性能穩(wěn)定,,可靠性高,,具有良好的控制性能,。
關(guān)鍵詞:分布式控制系統(tǒng);智能控制,;PID參數(shù)自整定,;輥道窯。
1 引言
陶瓷生產(chǎn)是一門古老,、歷史悠久的傳統(tǒng)工業(yè),,陶瓷輥道窯的生產(chǎn)過程均采用傳統(tǒng)的手工操作,爐溫波動幅度大,,造成瓷磚質(zhì)量不高,,甚至出現(xiàn)產(chǎn)品不合格的情況,再加上現(xiàn)場環(huán)境條件差,,工人的勞動強(qiáng)度大,操作員工增加,,對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響較大,。為了提高陶瓷生產(chǎn)水平,根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求和工廠提出的工藝要求,,我們研制了一套分布式智能控制系統(tǒng)對輥道窯爐溫度進(jìn)行集中監(jiān)控,,保證爐溫的誤差在工藝要求之內(nèi),從而提高瓷磚的質(zhì)量與產(chǎn)量,,改善工人的勞動條件,,提高生產(chǎn)效率。
2 輥道窯溫度分布式控制系統(tǒng)的組成及原理
該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分組成,,上位機(jī)與下位機(jī)通過RS-485通訊協(xié)議完成信息的傳遞,,上位機(jī)由586微機(jī)加RS232C/RS485轉(zhuǎn)換器構(gòu)成,位于集中控制室,,完成向下位機(jī)(現(xiàn)場控制器)發(fā)送命令,、接收現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析、存儲,、報表打印,、顯示等功能。下位機(jī)由現(xiàn)場溫度智能控制器,、溫度傳感器,,電動比例調(diào)節(jié)閥等組成,主要完成對輥道窯爐各點(diǎn)溫度的測量,、控制及向上位機(jī)發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)等,。6個控制器通過電動比例調(diào)節(jié)閥調(diào)整噴油量達(dá)到分別控制窯爐內(nèi)6點(diǎn)溫度,從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定,,該系統(tǒng)特別適合于象輥道窯這樣的小規(guī)模DCS系統(tǒng),。
3 智能溫度控制器的設(shè)計(jì)
3.1 概述
常規(guī)PID控制器由于具有原理簡單,,穩(wěn)定性好,易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),,因而在過程控制中得到廣泛應(yīng)用,,但在輥道窯溫度控制系統(tǒng)中,常規(guī)PID控制器也暴露出其局限性,。首先常規(guī)PID控制器的設(shè)計(jì)是基于對象的數(shù)學(xué)模型,,而輥道窯爐難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,故系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期的控制品質(zhì),。其次當(dāng)輥道窯的工況發(fā)生變化時(例如,,油壓波動,油的品質(zhì)變化時),,在某一工況下整定的PID參數(shù)不能滿足性能指標(biāo)要求,。為此,在PID控制器設(shè)計(jì)時,,首先采用基于繼電反饋的整定方法,,確定PID調(diào)節(jié)器參數(shù),再對PID參數(shù)實(shí)行實(shí)時Fuzzy校正,,使其具有自適應(yīng)功能,,從而滿足系統(tǒng)變工況的要求。
3.2 溫控器的控制策略
3.2.1 PID參數(shù)自整定
根據(jù)繼電振蕩原理,,繼電反饋系統(tǒng)框圖如圖1所示,。若繼電器輸出幅度為b,則根據(jù)非線性理論,,繼電器的描述函數(shù)為 ,,其中誤差信號的幅度為不斷調(diào)整繼電特性的幅值,使系統(tǒng)發(fā)生自振蕩,,然后測取振蕩周期與幅度,,便可得出臨界增益 與臨界周期 。利用這兩個參數(shù),,根據(jù)Ziegler-Nichols方法,,可得出PID參數(shù) , ,, ,。PID參數(shù)整定完畢后,此參數(shù)作為PID控制器Fuzzy校正的初值,,并自動轉(zhuǎn)入PID參數(shù)Fuzzy校正控制,。一般在系統(tǒng)初次投入時整定,并把整定值存入EEPROM中。
其中 Kp為比例系數(shù),;Ti為積分時間常數(shù),;Td為微分時間常數(shù)。
3.2.2 PID參數(shù)實(shí)時Fuzzy校正
根據(jù)上述自整定得出的PID參數(shù),,當(dāng)輥道窯爐參數(shù)或工況發(fā)生變化時,,系統(tǒng)的性能將下降,甚至無法滿足工藝要求,,所以必須對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,。目前較多地采用自校正PID算法,但這種方法是基于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型,,為此,,我們采用模糊控制技術(shù),根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的偏差絕對值 及偏差的積累絕對值 ,,對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時校正,,當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時,逐步調(diào)整 值,,使系統(tǒng)控制性能處于最優(yōu)狀態(tài),。 的修正規(guī)則如下:
(1)比例系數(shù) 增大,系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,,穩(wěn)態(tài)誤差減小,因此在偏差大的情況下,,要增大 值,。但是 過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào),甚至不穩(wěn)定,,因此在偏差小的情況下,,要減小 值。將偏差絕對值 的模糊子集取為很大(VB),、大(B),、中(M)、?。⊿)和很?。╒S), 的模糊子集取為PB,、PS,、O、NS,、NB,,則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表1所示。其中, 的基本論域?yàn)閇0,,10],,分為11個量化等級,即 ={0,,1,,2,3,,4,,5,6,,7,,8,9,,10},, 的基本論域?yàn)閇-0.5,+0.5],,分為11個等級即 ={-0.5,,-0.4,-0.3,,-0.2,,-0.1,0,,0.1,,0.2,0.3,,0.4,,0.5}。
(2)在PID控制器中,,積分作用是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,,加強(qiáng)積分作用(減小 )有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差,但過強(qiáng)的積分作用會引起積分飽和,,使系統(tǒng)超調(diào)加大,,甚至引起振蕩。因此,,在調(diào)節(jié)過程中的初期,,即誤差的積累 較小時,應(yīng)減弱積分的作用(加大 ),。而在調(diào)節(jié)過程的后期,,即誤差累積 較大時,,應(yīng)加強(qiáng)積分作用(減小 )。將誤差累積絕對值 的模糊子集取為VB,、B,、M、S和VS,, 的模糊子集取為PB,、PS、O,、NS,、NB,則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示,。其中,, 的基本論域?yàn)閇0,10],,分為11個量化等級,,即 ={0,1,,2,,3,4,,5,,6,7,,8,,9,10},, 的基本論域?yàn)閇-5,+5],,分為11個量化等級即 ={-5,,-4,-3,,-2,,-1,0,,1,,2,3,,4,,5}。
(3)微分在PID控制中的作用主要是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,控制超調(diào),。對于變工況且不確定系統(tǒng),,在調(diào)節(jié)過程的初期,即誤差的累積絕對值 較小時,,應(yīng)加強(qiáng)微分的作用(即增大 ),,而在調(diào)節(jié)過程的后期,即誤差累積的絕對值 較大時,,應(yīng)減弱微分的作用(即減小 ),,將 的模糊子集取為PB、PS,、O,、NS、NB,,則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示,。其中, 的的基本論域?yàn)閇-1,,1],,分為11個量化等級即 ={-1,-0.8,,-0.6,,-0.4,-0.2,,0,,0.2,0.4,,0.6,,0.8,1},。
智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,,當(dāng)要整定參數(shù)時把開關(guān)打在T,參數(shù)整定完畢,,切換到自動位置A,,參數(shù)自調(diào)整控制器對控制對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4 智能控制器的實(shí)現(xiàn)
4.1 控制器的硬件系統(tǒng)
控制器的硬件主要由微處理機(jī)系統(tǒng),,輸入通道,,輸出通道,鍵盤及顯示等部分組成,。
(1)微處理機(jī)系統(tǒng):由8031單片機(jī),,2764 EPROM(用于存放監(jiān)控及控制程序),,2816EEPROM(用于存放自整定的參數(shù)及溫度設(shè)定值),譯碼電路與鎖存器等組成,。
(2)輸入通道:由熱電偶冷端補(bǔ)償電路,,放大電路(OP07,741),,V/F,,光電耦合,計(jì)數(shù)器,,定時器等組成,。熱電偶冷端補(bǔ)償電路利用PN結(jié)電壓隨溫度上升而線性下降的特性進(jìn)行補(bǔ)償。采用兩級放大器可將毫伏級信號放大到需要幅度0~5V,,由上V/F轉(zhuǎn)換成頻率量,,再通過軟件的定時,計(jì)數(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換工作,。
(3)輸出通道:由D/A轉(zhuǎn)換器,,V/I轉(zhuǎn)換器,輸出鎖存器和光電隔離電路組成,。D/A轉(zhuǎn)換器將輸出轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號,,經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器輸出0~10mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。
(4)鍵盤及顯示部分:由8279,,4個鍵與4個LED組成,。
4.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)
控制器的軟件主要由監(jiān)控軟件與控制軟件組成,其軟件框圖如圖3所示
4.3 調(diào)度與應(yīng)用
為了不影響窯爐的正常生產(chǎn),,在PID參數(shù)整定前,,先手動調(diào)節(jié)爐溫到正常工作點(diǎn)(1200℃)附近,并設(shè)定電動比例調(diào)節(jié)閥的開度在工作點(diǎn)附近±10% 范圍內(nèi)變化,,使PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時,,爐溫變化幅度較小,如圖4所示,,其中前10 min為參數(shù)整定時間,。溫度的變化情況,采樣周期t=15s,。
該系統(tǒng)已在現(xiàn)場長期連續(xù)運(yùn)行,性能穩(wěn)定,,可靠性高,,采用溫度智能控制后,在設(shè)定溫度1200℃時,,溫度波動范圍從原來手動控制時的 ℃降為 ℃,,(見圖4),,說明該系統(tǒng)具有良好的控制性能。
5 結(jié)論
(1)由于采用分布式控制系統(tǒng),,上位機(jī)為586微機(jī),,軟件資源豐富,可進(jìn)行集中監(jiān)控,、畫面顯示,、參數(shù)設(shè)定等工作,下位機(jī)能方便地與上位機(jī)交換信息,,也可以單獨(dú)運(yùn)行,,對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時控制,系統(tǒng)可靠性高,,且價格低廉,。
(2)溫度控制器采用PID參數(shù)自整定技術(shù),可以大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時間,,特別適合于缺乏自動化工程技術(shù)人員的工廠,。
(3)對于無法確定精確數(shù)學(xué)模型及變工況(象燃油爐)控制對象,采用PID控制時,,先采用自整定技術(shù)確定PID參數(shù)的初值,,然后根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù),對PID參數(shù)進(jìn)行在線Fuzzy調(diào)整,,是一種非常實(shí)用且有效的控制策略,。
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