（机械电子工程专业论文）模糊参数自整定pid温控系统的设计与研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 目前，p i d 控制在工业控制领域的应用仍占9 0 以上。它具有 结构简单，参数调整方便等优点。p i d 控制的性能取决于参数的整 定情况，对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统，具有 很大的局限性，而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不一 定能满足调节时间短、超调小的技术要求。模糊控制鲁棒性好，无需 知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。但模糊 控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。本论文分析了 p i d 控制和模糊控制的优缺点，考虑可以把它们相互结合，实现优势 互补。论文还提出了退火炉温度控制系统的一阶惯性滞后模型，并对 其进行了辨识，在传递函数的基础上，对其进行了常规p i d 仿真研 究。 针对铝箔退火炉温度控制所出现的升温速度慢，超调量大等问 题，本文设计了一套以模糊参数自整定p i d 控制方式为基础的温度 控制系统。同时，该温度控制系统还具有升温和保温阶段炉气温度均 匀以及高效节能等性能。针对控制室与退火炉距离较远，本文设计了 一套p r o f i b u s d p 工业现场总线控制系统，d p 主站、d p 从站、 触摸屏、变频器和智能仪表之间可通过总线直接进行通信，从而使控 制系统便于集中监控，分散处理。在设计了模糊参数自整定p i d 控 制器的同时，提出了通过s 7 3 0 0 p l c 实现控制算法的程序设计方法。 程序中利用s t e p 7 中的指针寻址查表方法实现在线查询功能，使得 控制算法简单明了。在成都华西铝业4 0 吨退火炉半年的工业生产运 行过程中，证明该控制系统运行效果良好，温度超调量小，升温时间 短，控制精度高，温度均匀性好，热效率高。 关键词：退火炉，模糊自整定p i d 控制算法，p r o f i b u s d p ，p l c 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t , i na l lo ft h ec o n t r o lm e t h o d si ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d 。 t h ep i dm e t h o ds t i l la c c o u n t sf o ro v e r9 0p e r c e n t i th a st h ea d v a n t a g eo f s i m p l es t r u c t u r ea n d i se a s yt oa d j u s tp a r a m e t e r s i t se f f i c i e n c yd e p e n d s o ni t sp a r a m e t e r s i nt e r m so ft h o s ec o n t r o lo b j e c t sw h o s ep r e c i s em o d e l s a r ee s t a b l i s h e dd i f f i c u l t l y , t h ep i dm e t h o dh a sv e r yg r e a tl i m i t a t i o n m o r e o v e r , b e c a u s eo ft h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nq u i c k n e s sa n dt h es m a l l o v e r s h o o t , p i dc o n t r o lc a n n o tm e e tc o n t r o ld e m a n d f u z z yc o n t r o lh a s t h ea d v a n t a g e o f q u i c k n e s s ，i th a sas t r o n gr o b u s t n e s s t h e r ei sn o n e e dt o k n o wt h eo b j e c t sm a t h e m a t i c a lm o d e l b u ti tc a nc a u s ee a s i l y s t e a d y - s t a t ee r r o rb e c a u s ei ti sr e s t r i c t e db yl i m i t e dg r a d e so ft h ef u z z y r u l e s t l l i sp a p e ra n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ep i d c o n t r o la n df u z z yc o n t r o la n dc o m e st ot h em e t h o do fc o m b i n i n gt h e m t o g e t h e r t h i sm e t h o dc a nm a k eu s eo ft h ea d v a n t a g e so ft h e ma n da v o i d t h ed i s a d v a n t a g e so ft h e m t 1 1 i sp a p e rp r e s e n taf i r s t - o r d e rt i m ed e l a y m o d e lf o rt h ea n n e a l i n gf u l t l a n c et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n di d e t i f i e s t h ep a r a m e t e r so fi t b a s e e do nt h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h em o d e l a s i m u l a t i o nr e s e a r c hi sc a r r i e do n f o i la n n e a l i n gf u r n a c eh a st h ed i s a d v a n t a g e so ft h es l o w l yh e a t i n g r a t ea n d b i go v e r s h o o t a g a i n s tt h e s ed i s a d v a n t a g e s ，at e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mb a s e do np i dp a r a m e t e r - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o li sd e s i g n e d t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nm a k et h ef l t l a c eo b t a i nt h eu i n f o r m l y d i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r ei nu p r i s i n ga n ds t a b l es t a g ea n dh i g ne f f i c i e n c y a n dl o wc o n s u m p t i o n i nt h el i g h to ft h el o n gd i s t a n c eb e t w e e nc o n t r o l r o o ma n df o i la n n e a l i n gf u r n a c e ，t h ep a p e rd e s i g n e daf i e l d b u ss y s t e mo f p r o f i b u s d p v i af i e l d b u s ，d pm a s t e r , d ps l a v e ，t rt r a n s d u c e ra n dt h e i n t e l l i g e n td e v i c e sc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rd i r e c t l yt om a k et h e c o n t r o ls y s t e me a s yt os u p e r v i s ec o n c e n t r a t i v e l ya n dh a n d l ed i s t r i b u t e d a p i dp a r a m e t e r - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ci sp u tf o r w a r db a s e do n s 7 3 0 0 p l c t h ep a p e rr e a l i z et h ef u n c t i o no fi n q u i r eo n l i n eb yt h e m e t h o do fu s i n gt h ec u r s o rt oa d d r e s st h ef o r mi ns t e p 7 t h a tm a k e s c o n t r o la r i t h m e t i c b r i e f t h ef o i la n n e a l i n gf u r n a c eh a sb e e ni ng o o d 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t o p e r a t i o nf o rh a l fay e a ri nh u a x ia l u m i n u mc o ，l t d t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h ef o i la n n e a l i n gf u r n a c eh a sg o o dp e r f e r m a n c e ，s m a l lo v e r s h o o t , q u i c kh e a t i n gr a t e ，q u a l i t yo fc o n t r o l ，g o o du n i f o r m i t ya n dh i g ht h e r m a l e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：a n n e a l i n gs t o v e ，f u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l i n g ， p r o f i b u s d p ，p l c l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与 我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的 说明。 作者签名： 至遂骘日期：丑年月互日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名奎壁至日期：j 时月三日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生 产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、 压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的 比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。 在我们的工业生产中经常使用淬火炉、渗碳炉等热处理设备，温度与我们息息相 关。可见温度控制广泛应用于工业生产的各个领域，所以对温度控制进行研究是 非常有必要和有意义的。 1 1 课题的来源及意义 1 1 1 铝箔退火工艺及铝箔退火炉 在铝箔的生产过程中，退火是其热处理工艺中最重要的工序之一。铝箔按生 产状态有软硬两种，铝箔大多数是在软化退火后使用，软化退火不仅是为了控制 铝箔的力学性能，而且要消除铝箔表面的残油，获得平整光亮的表面，并能自由 展开【”。高质量的铝箔对退火温度有很高的要求，退火炉温度高于或低于退火工 艺设定温度会造成退火料性能偏软或偏硬，因此，高质量的铝箔对退火炉的温度 特性及控温精度要求很高，一般需达到3 ，以至1 的精确水平。由此可见 保证退火炉温度的稳定和控制精度是生产高质量铝箔一个很重要的课题。 铝箔的生产工艺流程为：铝锭熔炼铸轧冷轧中间退火冷轧 铝箔毛料粗轧中轧精轧分切成品退：j ( 包装【2 】。铝 箔退火的目的是为了得到具有符合标准和满足用户要求的软制品及各种状态制 品的内部组织和机械性能。退火时，必须严格控制退火工艺参数( 加热速度、加 热温度、保温时间等) ，以保证箔材的机械性能及表面除油效果。 4 0 吨铝箔退火炉是以铝箔退火为主，兼顾其它铝合金板带的退火处理，因 此对该退火炉提出了更为苛刻的要求。退火炉最高使用温度：6 4 0 ( 2 ，金属均热 温度：1 8 0 5 4 0 ，保温终了时金属温差3 炉身高6 9 m ，炉膛分为三个区， 炉壁保温材料选用硅酸铝耐火纤维毡，工作室壁为不锈钢材料。设备由箱式炉体、 炉内热风循环系统、导流装置、捧烟系统、加热元件、炉门、炉门升降机构及其 压紧装置、炉门密封、冷却水系统等组成。热风循环系统采用低压大风量轴流风 机，使炉内热风在导流装置的作用下定向循环，用于增强炉内的对流换热，提高 炉内温度升、降速度，保证工作室内温度均匀。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 课题的来源及意义 铝是仅次于钢铁具有广泛用途的金属材料。目前，世界铝的进出口贸易量 约占原铝产量的4 5 【1 1 ，世界主要铝业公司均已实现了国际化生产和经营，并已 进入中国市场。铝箔继承并扩展了铝及铝合金的优点，广泛应用于食品包装、建 筑业、电子业、药品业等国民经济的各个领域，与人们的衣、食、住、行紧密相 关。随着工业生产技术水平的进步，铝箔应用不断增加。中国加入w t o 后，廉 价的劳动力市场、巨大的消费市场和宽松的投资环境将使中国越来越成为主要的 产品加工基地。铝箔市场可预见的增量主要有以下几个方面：装饰箔在建筑行 业的应用会更加普及；汽车热交换器的铝化率不断提高；电解电容器近几年保持 3 0 的年增长率，电解电容器用箔还会快速增加【2 l 。中国已经成为世界的主要 空调器生产基地，空调器产量还会保持快速增长，空调箔需求量会稳步增长。根 据统计，目前中国用于生活消费的铝箔占总量的2 5 左右，主要用于香烟包装， 而糖果、饮料、食品和日用消费品包装所用的铝箔只占总量的7 左右【3 l 。同时 期，日本的烟箔消费只占2 1 ，而用于其它生活消费的铝箔占总量的7 0 以上， 消费比例是中国的l o 倍【4 l 。从这种意义上，中国生活消费用铝箔市场才刚刚起 步。面对一个有1 3 亿入口的消费市场，铝箔消费的普及将会产生巨大的市场空 间。 铝加工中，成品、半成品一般情况下都要经过退火处理以增加其性能( 抗拉 强度、延展性等) 。退火炉用于铝箔的中间及成品退火。随着铝加工技术的发展 铝箔产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火产品力学性能和组织结构符 合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉的设备性能指标降低能耗引起了广 泛的重视。近二三十年来，一些工业发达国家从热处理炉结构、热源、温控系统 以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作；开发了许多新产品，如高温轴流通 风机，卡口式加热元件等等。在提高产品的加热速度、改善炉温均匀性、提高退 火产品质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术性能等方面获得了很好的效果。 铝箔经过合理的热处理可以获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。 高质量的铝箔力学性能不仅与材料有关，而且还与热处理工艺和热处理方法有 关。合理的热处理工艺会使铝箔的性能提高3 0 - 4 0 ，其中退火是铝箔热处理 工艺最重要的一个环节【5 l 。利用计算机技术实现铝箔材料退火过程的自动检测和 全过程自动控制对降低能耗、提高产品质量方面都有着重要的意义。 本课题来源于教育部铝合金强流变技术与装备工程中心开发项目。原有的退 火炉温度控制系统虽然可以达到指定的控制精度，但是由于控制系统所使用的是 常规的p 1 d 控制，对于电阻加热炉这样大滞后、大惯性的温度控制系统，一组 固定的p i d 参数很难降低温度的超调量，同时加热速度也相应的减慢，严重影 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 响铝箔的退火效果，限制了铝箔的生产发展。本课题就是在此情况下提出了模糊 p i d 参数自整定的控制方法，以期对退火炉温度实现计算机自动控制，并达到升 温过程超调低于8 ，保温过程温度控制精度在士l 范围内，同时提高升温速 度，增大退火炉的热效率。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外热处理炉计算机控制系统的发展 综观热处理炉计算机控制的发展，其控制系统由单一分散型向网络型方向发 展，由单一信息处理向多信息综合处理方向发展，系统功能由单一化向集成化、 多功能化方向发展。控制策略由简单性向复杂性和智能化方向发展。控制目的由 单一过程参数控制向最终质量控制方向发展。国内外热处理炉计算机控制近年来 在以下几个方面有较大的发展【6 l ： 1 ) 热处理炉c a d 与热处理炉过程控制相结合，利用数学模型将热处理炉内的 气体流动、化学反应、传热、传质统一考虑，提供炉内温度场、浓度场、介质速 度场等信息的综合描述，并能自动优化热处理工艺过程，同时使工件质量预测与 炉子过程控制有机地结合起来。 2 ) 开发多专家、多黑板和多专家辩论控制系统，弥补单一专家系统对大型 复杂热处理炉及其生产线难以实现最佳控制的不足，最大限度地节能降耗，提高 热处理质量，达到真正的目标控制要求。 3 ) 开发研制完善的热处理炉计算机故障检测和容错系统，保证热处理炉在 恶劣的环境下照常运行，加速对热处理生产过程的传热过程数学模型的研究，并 与实际相结合，将其应用于生产。 在理论知识的指导下，热处理炉计算机控制系统在实践中也得到了广泛的应 用，现将国内外热处理炉计算机控制系统的应用情况介绍如下： 1 ) 国外应用情况 7 0 年代中期以后，国外开始研制并陆续推出微机控制的各类热处理设备， 主要有研： 日本方面，1 9 7 7 年三菱公司成功地研制出微机高频淬火机床，采用 m 5 8 7 1 0 5 s 微处理器，可对淬火电压、感应圈间隙、淬火速度等进行监控，1 9 8 3 年电气兴业( 株) 也开发出配有微机并能进行数控的高频淬火装置，它能控制加热 线圈和工件的相对位置、供应电子( 输入和输出) 、移动速度、回转速度、冷却水 量和水温、加热时间、冷却时间以及原点复位等。 美国方面，1 9 7 8 年研制成功微机控制连续气体渗碳炉系统，从装料、称重 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 到出炉，整个过程实现微机监控。1 9 8 3 年h o l c r o f i 热电子公司将微机用于热处 理与辅助设备程序控制、模拟监测系统以及炉内气氛控制。 在欧洲，1 9 7 9 年意大利采用了微机全自动控制的多室半连续气体渗碳炉生 产线。1 9 8 0 年m o n t e v c c h i 介绍了微机控制的大型气体渗碳炉设备。1 9 8 2 年瑞士 8 0 l o f l o w 公司向市场提供了可用于各种条件下淬火，渗碳、渗氮、炭氮共渗、 退火和清洗的半自动或全自动多用热处理设备及其控制系统。 2 ) 国内应用情况 1 9 8 4 年南京摄山电炉总厂研制出r n - k 系列渗碳炉和k r n - w 系列微机控制 柜。微机主机为t p 8 0 1 单板机，并有数码显示、键盘打字机等，该设备控制精 度高，质量稳定且适用性广明。此乡卜，国内一些单位还相继研制出微机中频感应 淬火控制系统，微机炉温群控系统，z c 3 0 - 1 3 三室式真空热处理炉p i i 微机控制 装置，微机控制z c 系列双室油淬火冷真空热处理炉，密封箱式多用炉通用多功 能微机系统，连续气体渗碳线微机监控系统等。 2 0 0 6 年，中南大学冶金机械研究所在成都成功研制了2 0 吨铝箔低温退火炉。 该退火炉分为两个加热区，采用电加热方式，通过晶闸管模块进行控制，最高使 用温度3 0 0 。生产的铝材退火炉设备为正、负压排气系统在同一设备上同时使 用，根据具体生产工艺情况交替使用【s 】。交付使用后，现场调试的数据分析和实 际运行结果表明：设计的铝箔退火炉控温精度高，退火过程系统运行可靠、稳定， 操作系统易学易用，在冶金行业具有广阔的应用前景。 中南大学唐军等人提出了增量式模糊参数自整定控制方式应用到2 0 吨铝箔 低温退火炉当中的方法。该模糊控制器以通用的偏差和偏差变化率作为模糊控制 器的输入变量，而把p i d 参数的昂、髟和j 0 的增量形式么g 、4 j 0 和么髟作 为输出变量，采用常用的三角形隶属函数，建立了三个参数的模糊控制规则表， 计算出g 、足。和么髟与系统目前的屉、屹和髟相加，得出整定后的p i d 参数。相对于未整定前的情况，经过整定后超调量降低到7 以内。而未整定以 前的超调达到了1 0 左右。并且升温时间也大大缩短嘲。 尽管热处理炉计算机控制系统在2 0 吨铝箔低温退火炉中取得了较成功的应 用，但是针对不同的热处理炉，其炉体特征、炉内空气介质、温度控制精度要求 等各不相同，因此开发一套统一公用的热处理炉计算机控制系统很难满足每个热 处理炉的控制要求。本系统研究的4 0 吨铝箔高温退火炉是热处理设备之一，最 高工作温度为6 4 0 ，其炉体特征、加热方式、控制精度都有特殊的要求，因此， 要设计针对本系统控制要求和特征的热处理炉计算机控制系统，且选择合适的智 能控制算法，来满足本系统的控制要求。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 智能控制算法在温度控制中的应用现状 智能控制算法广泛应用于各种温度控制器的设计之中，这里就最近几年快速 发展的几种智能控制算法做一个综述嘲。 1 ) 神经网络控制 人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，它采用数学模 型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。 它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中 误差反向传播算法( 即b p 算法) 应用最为广泛。 温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而传统的p i d 控制 对于外界环境的变化只能做近似的估算，因此系统控制精度不高。人工神经网络 以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性 系统建模。该方法抗干扰能力强，且易于用软件实现。训练方法实际是网络的自 学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统 各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归纳等目的。在温控系 统中，将对温度影响的因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体 温度等作为网络的输入，将其输出作为p i d 控制器的参数，以实验数据作为样 本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到 自整定p i d 控制器参数的目的。m n n ( m e m o r yn e u r o nn e t w o r k ) 在每个网络节点 增加了记忆神经元，在学习动态非线性系统时，不需知道实际系统太多的结构知 识，当系统滞后比较大时也不会造成网络庞大难以训练。 2 ) 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程控制算法，主要嵌入操作人员的经 验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变 化的对象。温度控制系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数变 化的问题。p i d 控制虽然简单、方便，但难以解决非线性和参数变化等问题。模 糊控制不需要对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直观判断，非常容易 应用。模糊控制对温度控制的实现一般分如下几步：( 1 ) 将温控对象的偏差和偏 差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，例如，腰温度太高o r 温 度正在上升，t h e n 减少控制量将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊 模型。( 2 ) 根据控制查询表，形成模糊算法。( 3 ) 对温度误差采样的精确量模糊化， 经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应 的控制量，变成精确量去驱动执行机构，达到调节温度，使之稳定的目的。同传 统的p i d 控制比较，模糊控制响应快、超调量小、对参数变化不敏感。 3 ) 模糊控制与p i d 结合( f u z z yp i d ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点 是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对 象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局 限性在于模糊规则库的建立缺乏完整性，没有明确的控制结构，存在较大稳态误 差等。p i d 控制器结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制要求。但p i d 本质 是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与p i d 结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态( 温度偏差及温度变化率) 确定p i d 控制器参数，用p i d 控制算法确定控制作用。主要的问题是合理地获得p i d 参数的 模糊校正规则，其实质是一种以模糊规则调节p i d 参数的自适应控制，即在一般 p i d 控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。文献 4 4 给出了不同实时状 态下对p i d 参数的推理结果，当温差较大时采用f u z z y 控制，响应速度快，动态性 能好：当温差较小时采用p i d 控制，使其静态性能好，满足系统精度要求。因此 f u z z yp i d 复合控制，比单一的模糊控制或p i d 调节器有更好的控制性能。文献 1 0 3 采用模糊自适应p i d 设计方法，根据人们要求的温度曲线，由计算机系统进行监 控，根据模糊推理判断，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其p i d 参 数，使系统的实际温度与要求的温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量 小的统一。 4 ) 模糊控制与神经网络结合 温控系统由于被控过程常常具有严重的非线性时变性以及种类繁多的干扰， 使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。近些年 来模糊逻辑控制取得了巨大成功，但是，模糊控制所基于的专家经验不易获得， 一成不变的控制规则也很难适应被控制系统的非线性、时变性等问题，严重影响 控制效果，因此应使模糊控制向着自适应方向发展，使模糊控制规则隶属函数模 糊量化在控制过程自动地调整和完善。自适应模糊控制提供了一种新的有效途 径，利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数，达到优化模糊 控制器作用，从而进一步改进实时控制效果，以便应用于温度过程控制中，其优 点动态响应快，能达到高精度的快速控制，具有极强的鲁棒性和适应能力。文献 1 1 提出三层前向模糊b p 神经网络，选择温度采样误差值、误差积分和变化值作 为网络输入，用模糊控制理论赋予隐层含义，确定神经元个数，用高斯核函数作 为节点激励函数，忽略远离中心的神经元输出，计算隐层输出，通过在线学习， 以调整网络权值，使目标函数最小。 5 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s 简称g a ) 是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰 的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选 择来操作称为染色体的二进制串l 或0 。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求 解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于 遗传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度信号放大，数字化后送入计算 机，计算机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3 个p i d 参数，然后 将控制量输出。具体实现：将3 个p i d 参数串接在一起构成一个完整的染色体， 从而构成遗传空间中的个体，通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体，经 过多次搜索获得最大适应度值的个体即所求。在硬件上可采用单片机控制，具有 调试方便，温控精度高，抗干扰性强等优点；在软件上可采用遗传算法对p i d 参数进行优化控制，具有很高的稳定度，温控精度高。 6 ) 模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合 文献 1 2 提出基于神经网络的方法，将模式辨识、预测最优控制与神经网络 结合，由神经元网络模型预估器辨识系统模型，并实时为控制器提供参考输入， 由最优控制器对数据进行处理、决策，选定最优的控制量，达到温度最佳控制的 目的。神经网络应用广泛的b p 网络，由于其收敛慢和存在局部最小点，因此将遗 传算法和b p 算法结合得到的遗传b p ( g ab p ) 算法作为网络预估器的学习算法。该 系统能使温度随外界干扰条件的变化，实时的调节网络和控制规律，具有良好的 温度跟踪性能和抗干扰能力。近些年来，硬件电路设计的软件化也应用于温控系 统中，文献 1 3 引入y h d l 语言采用自顶向下的设计方法对系统逐步细化，优点是 可提高系统的效率，达到资源共享。由于其屏蔽了具体工艺及器件差异，不会因 工艺及器件变化而变化。 综上所述，无论是神经网络、模糊控制还是遗传算法，都属于人工智能领域， 同p i d 结合以调节p i d 参数，适应温控系统非线性、干扰多、大时延、时变和 热分布不均匀的特点。神经网络采用自适应的方法，具有很强的鲁棒性，动态响 应快，缺点是容易陷入局部最优，采用遗传算法来训练神经网络可以实现结构与 参数的快速全局寻优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的 精确信息，神经网络结合，能向自适应的方向发展。总之，实现温控系统的参数 自调整，将线控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是温控系统的最终 目的。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控 制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。 本系统研究的对象是4 0 吨大型铝箔退火炉，其炉体的数学模型是不能精确 建立的，而模糊控制不需要知道对象的精确数学模型，它依据一些由人们总结出 来的描述各种因素之间相互关系的模糊性语言经验规则，并将这些经验规则上升 为简单的数值运算，便于让机器代替人在相应问题面前具体地实现这些规则。模 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 糊技术不仅能处理精确信息，也能处理模糊信息或其它不明确信息，能实现精确 性联想及映射：神经网络具有自学习能力和大规模并行处理能力，在认知处理、 模式识别方面有很强的优势，但是其结构难以确定，训练样本要求多且准确，训 练周期长，且不能提供一个明确的用于网络知识表达的框架。通过分析系统的特 点和比较各控制算法的优劣，本系统拟采用参数自整定模糊p i d 控制算法算法， 利用技术人员丰富的工作经验和大量的现场数据归纳模糊规则，建立智能的、较 完善模糊控制器，在控制算法上完善对系统的控制。 1 4 课题的研究方法与论文的主要工作 1 4 1 温控系统的设计目标 退火是铝箔、铝合金板带生产过程中的一个关键环节，对于铝箔、铝合金板 带的质量的好坏起着非常重要的作用。华西铝业集团的退火炉装置系9 0 年代初 和2 0 0 0 年初建成并投入使用的热处理设备，都是通过p l c ( 可编程控制器) 来 作温度控制系统的现场控制级。这些温度控制系统在p i d 控温方面选用的是通 过硬件模块来实现p i d 控制，例如比较常用的是西门予公司的f m 3 5 5p i d 模块。 与软件p i d 控制函数相比，控制算法集成于f m 3 5 5 模块中，所有p i d 控制 的计算和信号采样由f m 3 5 5 完成，不占c p u 的扫描时间，c p u 通过专用函数 与f m 3 5 5 模块进行数据交换一发送命令并接收反馈信号。当然通过硬件模块来 实现有它的优越性，比如它的控制精度比较高，超调量很小。当温度快要接近设 定温度时，f m 3 5 5 模块就会输出很小的调节量，使温度上升缓慢，直到一段较 长的时间后，才会进入保温阶段。虽然这种通过硬件来实现p i d 的控制方法能 够使控制精度比较高，降低温度的超调量，能够满足退火工艺的要求，但是厂方 的要求却是在满足退火工艺，超调量尽可能低的情况下，保证退火炉的升温速度， 即在短时间内实现升温过程而迅速转入保温过程，提高退火炉的热效率。 1 4 2 设计过程当中出现的难点 既然硬件p i d 模块来实现温度控制存在着它的局限性，本设计还是决定采 用软件p i d 函数，用软件来实现p i d 控制器对温度的控制。p i d 控制算法在 c p u 内进行，输入和输出接口可以直接指定不同的信号模块，对于编程人员来 说，有很高的灵活性。但是问题又随之而来，对于退火炉这种惯性大，滞后时间 长，控制模型难以精确确定的控制系统，p i d 控制存在很大的局限性。使用一组 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 常规的p i d 参数很难满足调节时间短、超调量小的技术要求。 1 4 3 设计目标 退火炉温控系统的设计着眼于采用新技术，新设备，新的控制方式和新的控 制算法。本论文研究的主要目标包括： 针对4 0 吨铝箔退火炉温度控制过程中存在的主要问题，将将模糊控制技术 与常规p i d 控制算法结合起来，摸索一种模糊参数自整定p i d 控制来提高升温 速度，降低超调量，实现高效节能，保证热处理质量。 具体的技术指标为： ( 1 ) 每个加热区要能实现单独控制温度和记录，温度范围0 6 4 0 ； ( 2 ) 升温时炉内温差不大于l o ，保温时温差不大于3 ； ( 3 ) 控温精度小于l ，能分段设置温控曲线； ( 4 ) 退火炉要高效节能，热效率达到7 0 ； ( 5 ) 操作界面灵活易操作，报警系统灵敏，能够保证退火的正常进行； ( 6 ) 三相电流平衡，无明显偏差 基于以上原因，本文根据铝箔退火工艺的要求，结合模糊控制与p i d 控制 的优点，采用模糊自整定p i d 参数控制策略控制退火炉的温度。本文分析了退 火炉的工作原理，论述了模糊自整定p i d 参数控制器的工作原理及模糊推理的 方法。 1 4 4 论文的主要工作 对于4 0 吨铝箔退火炉温度控制系统来说，如何改善温控系统的动静态性能， 提高控制精度，在超调量尽量小的情况下加快升温速度是采用模糊自整定p i d 参数控制策略的目的。而且关键在于将模糊控制理论和传统p i d 控制理论相结 合，根据本人现场调试的经验和专家知识，编写控制规则。与此同时也要保证炉 气温度的均匀性，料温的均匀性以及提高热效率。 本文开展了对4 0 吨铝箔退火炉模糊自整定p i d 参数控制策略的研究，设计 了一套温度控制系统，论文主要由五大部分组成： 1 通过分析退火炉的结构、特点以及控制要求，提出了温度控制系统硬件设计 和布局，分析了铝箔退火炉内的主要传热形式和采用c y c 输出控制方式的合理 性，且分别介绍了各硬件在系统中的作用，在此基础上进一步说明了控制系统硬 件之间的通讯连接，最后对系统整体设计的优点进行了总结； 2 主要完成4 0 吨铝箔退火炉温度控制系统的整体软件设计。首先建立温度控制 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 系统的硬件组态，将其作为软件设计的基础。并对温度控制系统的几个重要的子 系统进行分析，在为了满足具体的设计目标的前提下，设计相应的子系统； 3 首先提出了退火炉温度系统的一阶惯性滞后模型，并对其进行了辨识，得出 了该温度系统的传递函数。在此传递函数的基础上，对其进行了仿真研究。通过 分析退火炉温度控制的特性研究，指出本系统控制的难点，提出了退火炉温度智 能模糊p i d 控制算法，通过模糊推理推导出屉、乃和乃的模糊查询表，并给出 了智能控制算法的p l c 实现； 4 进行工业实验，通过对退火炉的实际运行报告的分析，来检验此温度控制系 统是否达到了当初设计时的技术指标要求： 5 对本论文所作的工作进行总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 1 0 硕士学位论文第二章退火炉温度控制系统硬件设计 第二章退火炉温度控制系统硬件设计 2 1 退火炉结构 本系统的控制对象是4 0 吨铝箔退火炉，炉身长1 0 m ，炉宽4 6 m ，炉高6 9 m 。 包括箱式炉体、空气循环系统、导流装置、吹洗和排气系统、卡口式加热器、炉 门升降机构及其压紧装置、炉门密封、冷却水系统等。 该退火炉为强制热风循环电阻加热退火炉，从炉门由外向里分为三个区，分 别为一区、二区和三区，炉项上装有三台低压大风量高温轴流可逆风机，使炉内 气体定向循环。炉壁、炉底、炉顶全部采用双层钢板中间填以用铆固件固定的绝 热材料，炉子外壳用钢板和2 5 # 型钢加强，采用连续气密焊缝保证具有足够的强 度、刚度和气密性。炉子绝热材料内层采用硅酸铝纤维针刺毯，外层采用岩棉板 保温。 空气循环系统是保证产品达到工艺要求的加热速度和温度均匀性的关键。为 强化热交换保证产品质量，在炉顶装有3 台低压大风量轴流式风机，风机电机采 用变频器调速。从而使风机的启动和运行更加平稳，提高风机及附件寿命，也降 低了运行费用达到节能目的。采用该系统的炉子，可使风机寿命延长、降低噪音、 热能可控等优点。 导流装置包括水平导流板及垂直导流板，由3 m m 厚的钢板组成。水平导流 板和垂直导流扳之间为4 5 。倒角连接，可改善气流分布情况，提高炉膛特别是 上部区域的温度均匀性。 吹洗和排气系统主要是用来及时排除制品在加热时产生的挥发物( 主要是轧 制油) ，特别是用于铝箔退火，由于铝箔卷表面积大，在高温时就可能变成很小 的炭斑附在铝箔表面影响制品表面质量，该系统还有一个作用是防止炉子爆炸， 确保生产安全。吹洗风机由变频器调节电机转速改变吹洗风机的风量，吹洗风机 的风量可连续调节，风量调节范围可从设置的最小风量到风机额定风量。吹洗风 机吹入的新鲜空气分三路( 每一路都有手动蝶阀可调节风量) 吸入循环风机的吸 风口，可明显改善温度均匀性。 该炉采用新型的卡口式加热器，安装在炉顶，垂直悬挂在炉子两侧，它由 c r 2 0 n i 8 0 电阻带立绕成的螺旋形加热元件和陶瓷耐热绝缘件组成，其特点是： 体积小，安装功率大，安装、维护、检修、拆卸方便，只需松开其相应的螺栓即 可抽出炉外，更换方便、寿命长。 硕士学位论文第二章退火炉温度控制系统硬件设计 炉门提升机构为链传动结构，通过4 个直径为1 2 5 r a m 的带电接点信号的气缸 实现炉门的压紧，炉门导轨为导柱形式，使炉门升降平稳，炉门密封采用硅酸铝 纤维编织带，上下密封槽加宽为4 5 m m ，并且采用双密封刀、双密封条以提高密 封效果，炉门提升机构还装有制动器、安全销，保证生产安全。其炉体结构如图 2 1 所示。 i 龠“y 彳h i l l 卅r 御wl ：m一 车爿。i 婶舟世盘蠼。i 气1 稃 割v y y y y 伦褂辐。 溷1 鬻v1 弹 u 。 ，：，i l 国 | | 弋公i i 】羚 、 、 f u 卜刈 i u f 、 _ ， h川i1l i l f ih u 山山叮山址u j 山ub hhl l ll l ll 州 铝箔退火炉内的主要传热形式如图2 2 所示，炉内的传热包括加热器对炉膛 内空气的加热，空气与铝卷的对流换热和铝卷内部传热，炉壁对铝卷的辐射换热。 在加热阶段，炉内的传热主要是加热器对炉膛炉内空气加热后，空气间的对流换 热以及循环风机对热风的循环利用和炉壁的导热。与此同时，吹洗风机吹入新鲜 空气使炉内产生正压由排烟管道来排除制品在加热时产生的轧制油等挥发物，并 且改善炉内温度均匀性。在退火炉保温和冷却阶段，停止加热器的加热。此时炉 膛内以辐射换热为主，炉内高温气体与铝材间辐射传热，从而热量达到平衡。当 铝卷达到规定的出炉温度时，整个退火过程结束。 1 2 硕士学位论文第二章退火炉温度控制系统硬件设计 图2 - 2 铝材退火过程传热结构示意图 2 2 正、负压排气系统 由于铝板材或铝卷材在多次轧制过程中需使用轧制油作为润滑剂，因此在产 品表面附着了大量的轧制油，这些附着油严重地影响了产品的质量。它们在产品 退火过程中随着温度的升高在产品表面形成油渍，同时大量油挥发物充斥炉膛内 还有爆炸的危险。因此如何使这些附着油快速从产品表面分离并充分排出炉外， 就成为提高产品质量和保证设备安全的关键。经过不断的研制和改进，在铝材退 火炉上配备使用正、负压排气系统，并切换交替使用，能有效地解决上面所述的 问题。 正压排气系统是利用炉气在排气管道中产生的几何力达到自然排气的过程。 为使炉内维持正压和补充新空气，正压排气系统中设置了一台高压离心式风机。 该机可向炉内鼓入新鲜空气，以提高炉内压力，使炉膛压力维持在3 0 0p a ( 膜 盒压力表显示值) 左右。这个系统不仅能满足排气及安全的要求，而且还有利于 产品均热速度，保证炉温均匀度。 负压排气系统是在正压排气系统中，设置了一台高温高压式离心风机，该风 硕士学位论文第二章退火炉温度控制系统硬件设计 机可吸出炉气并将其强制排入气管道，使炉内形成低真空状态。从而使产品表面 附的油污迅速从产品表面分离、挥发。 2 2 1 正压排气系统及运行过程 正压排气系统由高压离心式风机和阀门、管道等组成。 正压排气系统运行过程为铝材退火炉进入工作状态后，高压离心式风机向炉 内鼓入新鲜空气。随炉温的逐步升高，产品表面附着的油污从产品表面分离、挥 发，鼓入的新鲜空气使炉内