（机械设计及理论专业论文）真空热处理炉智能控制技术的研究及应用.pdf

摘要 摘要 热处理是产品获得所要求的强韧化性能、耐磨性、抗疲劳性能的主 要技术手段。热处理质量则是产品实现性能的可靠性、耐久性、安全性 的重要保障。研究开发真空热处理控制技术、提高其性能，有助于推动 珠三角地区热处理行业设备的更新换代，提高热加工工件的综合力学性 能，提升上游产品的市场竞争力，实现节能降耗减排的目的，以缓解能 源问题，为打造珠三角绿色热处理产业群提供了强有力的技术支持。真 空热处理智能控制是当今珠三角真空热处理设备技术改造及新设备强附 加值的重要保障，是满足我国热处理设备工业自动化需要的必由之路， 是实现热处理效率转化为效益的核心。 本课题来自佛山扬戈炉业有限公司的粤港招标项目。为了满足真空 热处理设备的市场需求，迎合现代化生产的智能化、自动化发展趋势， 以能全面提升热处理设备的生产性能，本文进行基于ip c 及p lc 的真空热 处理炉智能控制系统的研究。通过研究真空热处理设备温度控制系统控 制技术的发展状况并剖解现有的各个温度控制算法，分析真空热处理炉 温度场的影响因素，深刻了解真空热处理炉温度控制系统存在的问题与 不足，本文提出了一种基于i p c 及p lc 的模糊p id 自整定温度控制算法；通 过熟悉真空热处理设备气体流量及真空压力的控制模式和控制技术，研 究真空热处理设备气体流量及真空压力对炉内温度场、气氛场的影响， 总结出温度、流量及压力三者之间的控与被控关系模型，以控与被控的 主次强度为核心，筛选出适用于p l c 控制的条件关系，建立起温度、流量 及压力的多变量耦合概念，并提取耦合条件关系式，最终构建基于i p c 及 p l c 的多变量控制流程。 2 6 0 k w 真空5m 深炉是真空热处理设备的一种类型，由于该炉炉罐深 度为5m ，因此炉内温度场及气氛场的均匀度是设计的重要参数。基于ip c 及p l c 的真空热处理炉智能控制能够有效解决炉内温度场及气氛场的均 匀性问题。本文通过基于i p c 及pl c 对2 6 0 k w 真空5m 深炉的温度控制系 广东一1 ：业大学硕士学位论文 统、流量及压力控制系统的设计、开发，通过ip c 组态监控环境与p l c 进 行数据的人机交互，在线参数设计及调整，经由p l c 梯形图程序实现温度 的模糊p i d 自整定控制及温度、流量和真空压力的多变量耦合控制，解决 了基于多区同时控温、大温度场蕴含小温度场的温度特性问题，缓解了 气体流量及压力的变化对温度场的干扰波动，从而获得温度过程控制获 得升温快、超调小，到达稳态时间短的良好动静态控制性能，使得炉内 温度场、气氛场均匀性高，炉内气体分子扩散度佳，气体分子活性优良 的综合性能，实现了工件无畸变、无热应力集中、无氧化脱碳现象的热 加工性能。 关键词：模糊p id ，自整定，智能控制，耦合，真空 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh e a tt r e a t m e n ti st h em a j o rt e c h n i q u em e t h o dw h i c ht h ep r o d u c t o b t a i n st h ep e r f o r m a n c eofs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，w e a r a b i l i t ya n df a t i g u e r e s i s t a n c e t h eh e a tt r e a t m e n tq u a l i t yi si m p o r t a n ts a f e g u a r do ft h ep r o d u c t w h i c hr e a l i z e st h e p e r f o r m a n c e o f r e l i a b i l i t y ，d u r a b i l i t y a n d s a f e t y r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h ev a c u u mh e a tt r e a t m e n tc o n t r o lt e c h n i q u e e n h a n c i n g i t s p e r f o r m a n c e ，c o n t r i b u t i n g t o u p d a t i n g h e a t t r e a t m e n t e q u i p m e n t si nz h u j i a n gd e l t a ，p r o m o t i n gt h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，r a i s i n gt h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fu p p e rp r o d u c t ，r e a l i z i n g t h ea i mo fe n e r g ys a v i n g ，c o n s u m er e d u c t i o n ，a n de m i s s i o n sr e d u c t i o n ，s oa s t o p r o v i d ep o w e r f u lt e c h n ol o g ys u p p o r tf o rg r e e nh e a t t r e a t m e n ti n d u s t r y g r o u p v a c u u mh e a t - t r e a t m e n ti n t e l l i g e n tc o n t r o li sn o to n l yt h ei m p o r t a n t s a f e g u a r d o fr e f o r m i n gt e c h n o l o g yo fv a c u u mh e a t t r e a t m e n t e q u i p m e n t ( a b b r e v i a t e da sv h t e ) a n dh i g hv a l u e a d d e de q u i p m e n t ，b u ta l s ot h eo n l y s o l u t i o nf o rt h en e e do fi n d u s t r i a la u t o m o t i v eh e a t t r e a t m e n te q u i p m e n ti n o u rc o u n t r ya n dt h ec o r e0 fr e a l i z i n gc h a n g i n ge f f i c i e n c yi n t ob e n e f i tf o r h e a t t r e a t m e n t t h i st o p i cc o m e sf r o mt h ec a r t o n h o n g k o n gb i d d i n gp r o j e c t t om e e t t h em a r k e tr e q u i r e m e n to fv h t ea n dt r e n df o rd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t a n da u t o m o t i v em o d e r np r o d u c t i o na n dc o m p l e t e l yp r o m o t et h ep r o d u c e p e r f o r m a n c eo fv h t e ，t h i sp a p e rr e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo f v a c u u mh e a t t r e a t m e n tf u r n a c e ( a b b r e v i a t e da sv h v ) b a s e do ni p ca n dp l c a c c o r d i n gt os t u d y i n gt h ec o n t r 0 1t e c h n o l o g i cd e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m f o r v h t e ，s o l v i n g c u r r e n tc o n t r 0 1 a l g o r i t h m o fe a c h t e m p e r a t u r e ，a n a l y z i n gi n f l u e n te l e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l df o rv h v ，a n d d e e pu n d e r s t a n d i n gt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n ds h o r t a g e so ft e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mf o rv h v ，af u z z yp i da d a p t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h m i i i 广东工业大学硕十学位论文 i l l b a s e do ni p ca n dp l ci sp r o v i d e d ，b yr e s e a r c ho nk n o w i n gc o n t r o lm o d e a n dt e c h n o l o g y0 fg a sf l o wa n dv a c u u mp r e s s u r ef o rv h v ，c o n t r o lm o d ea n d t e c h n o l o g y0 fg a sf l o wa n dv a c u u mp r e s s u r e f o rv h v h a v i n ga ni m p a c to n t e m p e r a t u r ef i e l da n da t m o s p h e r ef i e l di ss t u d i e d ，t h ec o n t r 0 1a n dc o n t r o l i e d r e l a t i o n s h i pa m o n gt e m p e r a t u r e ，f l o wa n dp r e s s u r e i ss u m m a r i z e d ，c o n t r o1 a n dc o n t r o l l e dm a i n s u bs t r e n g t hi st a k e na sac o r e ，c o n d i t i o nr e l a t i o n s h i p w h i c hi ss u i tf o rp l cc o n t r 0 1i ss e l e c t e d ，m u l t i v a r i a t ec o u p l i n gc o n c e p to f t e m p e r a t u r e ，f l o wa n dp r e s s u r e i se s t a b l i s h e d ，t h er e l a t i o n so fc o u p l i n g c o n d i t i o ni se x t r a c t e d ，m u l t i v a r i a t ec o n t r o l i e df l o wb a s e do ni p ca n dp l c i sf i n a l l yb u i l t 2 6 0 k wv a c u u m5 mf u r n a c ei sat y p eo fv h t e b e c a u s et h ed e p t ho f f u r n a c ep o ti sg r e a tt h a na n de q u a l5 m ，h o m o g e n e i t yo ft e m p e r a t u r ef i e l d a n da t m o s p h e r ef i e l di sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rd e s i g n t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo fv h t eb a s e do ni p ca n dp l cc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h e h o m o g e n e o u sp r o b l e mo ft e m p e r a t u r ef i e l da n da t m os p h e r ef i e l d a c c o r d i n g t ot h ed e s i g na n dd e v e l o p0 ft e m p e r a t u r ec o n t r 0 1s y s t e m ，f l o wa n dp r e s s u r e c o n t r 0 1s y s t e mf o r2 6 0 k wv a c u u m5 mf u r n a c eb a s e do ni p ca n dp l c ，d a t a b y h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o nb e t w e e ni p c c o n f i g u r a t i o n c o n t r 0 1 e n v i r o n m e n ta n dp l c ，a n dt h eo n l i n ep a r a m e t e rd e s i g na n da d j u s t a b i l i t y ，b y w a yo fp l cl a d d e rd i a g r a m ，t h et e m p e r a t u r eo ff u z z yp i da d a p t i v ec o n t r 0 1 s y s t e ma n dm u l t i v a r i a t ec o u p l i n gc o n t r 0 1o ft e m p e r a t u r e ，f l o wa n dv a c u u m p r e s s u r ei sr e a l i z e d ，t h ep r o b l e mo ft e m p e r a t u r ep r o p e r t yb a s e do ns e v e r a l a r e a c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r et h es a m et i m e a n dl a r g et e m p e r a t u r ef i e l d i n c l u d i n gs m a l lt e m p e r a t u r ef i e l di ss o l v e d ，t h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h e c h a n g eo fg a sf l o wa n dp r e s s u r et ot e m p e r a t u r ef i e l di sr e l i e v e d t h u s ，i t m a k e st h e t e m p e r a t u r ep r o c e s s c o n t r 0 1o b t a i n g o o ds t a t i c - d y n a m i c p e r f o r m a n c e ，t h i s c a u s e h i g hh o m o g e n e i t y o f t e m p e r a t u r e f i e l da n d a t m o s p h e r ef i e l d ，g o o dd i f f u s i o no fg a sm o l e c u l e sf r o mf u r n a c e ，e x c e l l e n t c o m p o s i t i v ep e r f o r m a n c e s o fa c t i v a t e d g a s m o l e c u l e s t h e p y r o l o g y p r o c e s s i n gp r o p e r t yo fw o r kp i e c eh a v i n gn od i s t o r t i o n ，n ot h e r m a ls t r e s s a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o n a n dn oo x i d a t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o ni sf i n a l l yr e a l i z e d k e y w o r d s ：f u z z yp i d ，a d a p t i v e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，c o u p l i n g ；v a c u u m v 独创性声明 独创性l 声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 1 0 5 年衫月哆日 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是佛山扬戈炉业有限公司的粤港招标项目，结合珠三角的热 处理行业特点，根据我国经济发展战略，在全球化的大环境下，提出一 种新型实用的控制策略，并付之实现，以适应我国热处理上游产业可持 续发展，优化资源，提高制造业水平，提升企业竞争力的根本目标。 1 1 1 珠三角热处理行业概况 热处理是产品获得所要求的强、韧化性能、耐磨性、抗疲劳性能的 主要技术手段。热处理质量则是产品实现性能的可靠性、耐久性、安全 性的重要保障。 美国能源部工业技术局和金属学会热处理学会以及热处理协会在上 世纪末讨论和提出了美国热处理2 0 20 年设想和目标，该国热处理学会又 于2 0 0 4 年公布了“2 0 0 4 年热处理技术路线图h t s 修订稿”。该路线图 提出了2 0 20 年美国热处理生产技术发展目标，以及为实现路线图目标和 完成众多重点研发项目而采取的措施。体现了美国对作为基础工业领域 中的重要组成部分一一热处理产业的高度重视。美国热处理技术发展路 线图的行动表明，美国等发达国家一直将热处理技术作为重要的核心技 术和市场竞争力要素加以发展和保护，特别是热处理技术领域中以表面 强化技术和以数字化为特征的信息化、智能化技术近几年来获得重大进 展，因而这些国家的热处理技术总是处于领先地位，热处理产业在这些 国家中的产业力量中均占有重要的一席。【l ，2 l 改革开放以来我国经济建设获得迅猛发展，作为制造业产业链上的 关键节点，热处理行业也有长足的进步，为整个大工业的迅速发展做出 广东工业大学硕+ 学位论文 了重大贡献。由于地域上的差异、产业特色的不同、经济发展急缓的差 别，各地热处理行业的发展毕竟各有春秋。 2o 世纪8o 年代中后期，改革开放为广东地区国民经济的迅速发展带 来了前所未有的机遇，尤其是珠江三角洲地区。其时，家用电器、电子 产品、轻工业品、五金制品、装饰材料以及铝和不锈钢型材加工等制造 业在珠江三角洲地区发展尤为迅速。而其上游产业也随之拉动起来。由 于相关制造业发展的需要，大量的模具、工具、五金配件和机械零件等 急需热处理。珠江三角地区市场经济的崛起，既孕育出一个规模彭大、 层次较高的制造业，也培植了一个需求潜力很大的热处理专业化生产市 场，造就了一个热处理产业群。目前珠三角地区热处理企业多数已有相 应规模，设备较齐全，工艺适应性较强，生产质量比较稳定的产业群特 色。广东地区热处理产业群基本上是沿着珠江三角洲地带分布的。大体 可再划分为3 个具有地域性质的产业群。i l ，2 】 第一产业群是在广州地区。以国有企业热处理专业化生产厂家为主， 规模较大，历史稍长，品牌也较响。 第二个产业群是在深圳市、东莞市一带。这十几年来，由于深圳、 东莞一带的地方制造业迅速发展的拉动，形成对热处理加工不断增长的 急切需求，从而导致热处理生产厂点的迅速萌生和发展。在深圳、东莞 一带，基本上形成了民营、港资和台资热处理企业在制造业的生产平台 上同台共舞的格局。 第三个产业群是在佛山一带，主要本土民营企业为主。在这个产业 群中，各厂点规模大小不一，整体发展稍慢。佛山的热处理产业群很大 程度上得益于各区星罗棋布的铝型材制造厂。因为大量消耗的铝型材挤 压模具需要热处理厂为之配套热加工。 要从根本上提升珠三角经济地区热处理行业的硬实力，必须拓展热 处理装备业的水平。热处理专业化生产的工艺优化和新技术应用需要完 善的装备，装备的改造和创新是为了保证工艺的创新和新技术的产业化。 相比于江苏和北京等热处理装备制造大省( 市) ，目前广东热处理装备制造 能力还相当弱，与其热热加工大省的地位很不相称。这种产业发展的不 平衡状况，既影响了热处理行业的产业基础、技术进步和产业提升，也 2 第一章绪论 相当于忽视一个很大的市场空问。 近些年来，由于热处理市场的导向、培育和发展，一个热处理装备 制造基地逐步浮现于佛山地区，为广东热处理行业添了新的一翼。目前， 这个基地拥有约二十来家热处理设备制造厂家，生产的产品包括常规热 处理炉、不锈钢光亮退火炉、可控气氛网带式热处理生产线、底装料立 式多用热处理炉，以及高档实验电炉等等。其中光亮退火炉已成为地方 特色产品，网带式热处理生产线已出口至越南和泰国等地，但在真空热 处理技术，乃至真空多用热处理深炉等高端热处理装备研发方面广东仍 需突破。 真空热处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，但直到2o 世纪6 0 年代才 得到普遍的重视。【l ，2j 进入21 世纪，由于电子计算机技术、空间技术、 核技术等高新技术的发展，对金属材料的要求也越来越高，一般的热处 理技术已经不能满足这些要求，只有通过真空热处理才能实现。在这种 情况下，真空热处理技术迅速发展起来，可以说，在热加工生产中，是 传统的热处理和现代化的真空技术、电子计算机技术、自动化技术相结 合，构成了现在被广泛运用的真空热处理技术。该技术具有无脱碳、无 氧化、可保持零件表面光亮、可使零件脱脂、脱气、变形小、节能且易 于控制等特点，是一种高效、优质、环保的先进热处理技术。 2 0 0 8 年广东热处理新技术研讨会指出，进入2l 世纪以来，珠三角持 续的经济发展潮为热处理行业提供了相当清晰的市场前景，因而珠三角 地区热处理行业面临构建合理的发展模式、发展先进技术和提升竞争力 的迫切要求，以适应珠三角经济向产业结构重型化和高级先进化转变的 需要。而这些产业结构的调整，归根到底是热处理设备的改革更新换代。 总之，随着现代科学技术的快速发展，真空热处理技术越来越重要， 并得到迅速发展。目前，在真空热处理这一领域中，还有许多关键技术 需要进一步研究，如采用计算机微电子技术、网络技术，研制开发智能 控制系统和网络管理系统，实现真空热处理工艺和设备的柔性化和连续 作业；进一步提高自动化程度和控制精度；开发真空等热处理技术、设 备及智能控制系统；开发真空感应加热技术；研发真空脱脂清洗技术与 设备及推广应用；开发和应用真空离子注入、真空离子涂覆技术和设备 广东：l 业大学硕士学位论文 等。 而且必须看到，广东热处理装备制造业中的原创性科技成果还相当 缺位，因而影响了热处理装备制造业的规模扩大和品牌打造，也不利于 本地热处理工艺技术的创新和科技成果的转化。因而，要乘广东发展装 备制造业的东风，借发达国家第五次全球制造业基地转移的机会，大力 发展本地热处理技术装备制造业，加强新型装备的研发和产业化，以提 升行业的整体实力和竞争力，也对广东的装备制造业有所补充。 本研究课题来自佛山扬戈炉业有限公司和广东工业大学机电学院的 合作项目。真空热处理设备控制的智能化技术是该项目的主要研究内容 之一，主要进行真空热处理炉的温度、流量、压力及冷却速度的智能控 制技术的研究，以提高真空设备的自动化程度、控制精度和柔性化连续 作业等能力。 1 1 2 过程智能控制的发展 过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、纺织、制药、建材等 工业生产过程中的自动控制，它是自动化技术的一个极其重要的方面， 它的发展与生产过程自身的发展紧密相关，经历了一个由简单到复杂、 从低级到高级，并正向纵深发展的过程。 从过程控制采用的理论与技术手段来看，可粗略的分为经典控制阶 段和现代控制阶段。经典控制阶段以古典控制理论为主要基础，采用常 规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进 行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、p i d 策略为主，这阶段的主 要任务是稳定系统，实现定值控制。现代控制阶段以现代控制理论为主 要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控 制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而 涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略。这阶段的主要任务是克服 干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。这一阶段的控 制系统综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层 分级的结构形式，按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操 4 第章绪论 作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠 性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得 它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法、较好的人机界面和故障 检测报告功能。【3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 1 在目前的工业控制系统中，应用比较成功的较为成熟的过程控制系 统是各种类型的组态软件。【3 ，4 】其中有如：昆仑通态组态软件。组态软件 是指一类关于数据采集和过程控制的专用软件，它是自动化控制系统监 控层一级的软件平台和开发环境。组态软件是使用灵活的组态方式，为 用户提供快速构建工业自动控制监控功能的通用层次的软件工具。它将 硬件系统上的工程化特点引入到软件设计中来，从而使软件的设计也呈 现出工程化的特点，其软件功能模块化，标准化和通用化。但是，组态 软件的缺点非常明显，首先作为一个通用的组态平台，涉及到的方面相 当多，用户很可能大部分功能都不能用到，但是他们很多时候不得不购 买整个系统，这使得通用组态平台价格偏高且系统臃肿。另外的缺点就 在于组态软件其控制算法的功能比较缺乏，往往只能实现独立的单回路 调节和一些开关量的时序控制，对整个系统多参数的综合优化控制较为 困难。因此组态系统的最大缺陷就在于它们在算法处理上的功能不强， 难于进行二次开发，很多工业现场不能直接简单地用组态系统满足要求。 为满足复杂工业控制需要，模糊控制理论被广泛地应用到了控制系 统中。著名的自动控制权威a u s t r o m 曾经指出：模糊逻辑控制、神经网络 控制与专家系统控制是3 种典型的智能控制方法。由于系统的复杂性、 存在多种不确定性及难以确切描述的非线性，现代工业对过程控制不仅 要求控制精确性，还要求控制的鲁棒性、实时性、容错性及对控制参数 的自适应。传统适应控制存在局限性，传统控制未能从根本上解决控制 问题，所以智能控制得到了迅速发展。模糊控制与自适应控制技术、人 工智能技术、神经网络技术的相结合大大地推动了智能控制的发展。 【3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 】 目前，工业过程智能控制己深入到工业生产的诸多领域如机器制造、 冶金、生化过程、空间技术等。智能控制理论、智能控制方法的快速发 展极大的促进了智能控制系统的发展。另外，计算机技术无论从硬件上 广东t , j k 大学硕十学位论文 还是软件上都为实现复杂的工业过程控制提供了物质条件，成为工业过 程控制不可缺少的工具，它的不断发展同样也会影响工业过程智能控制 的发展。应该看到，未来工业的发展方向是高度的集成化和智能化，因 此，随着计算机软件技术在智能控制方面的研究，智能计算机系统研究 的不断深入，工业过程智能控制必将得到更广泛的应用。 1 2 课题的意义 美国热处理技术发展路线图从全面调查开始，至2 0 0 4 年公布，历时 约10 年。该路线图以美国“未来生产技术计划”为研究背景，以“最优 异的生产技术实践”达到“节约能源和提高劳动生产率的效果”为战略 目标，为2 0 2 0 年美国热处理生产技术定位，其细分目标具体、层次高， 研发项目基本涵盖了热处理和热加工的未来，技术支持系统强大高效， 技术自主创新性强，其对“未来生产技术计划的贡献的确是可以预期 的。【1 ，2 1 建立在2l 世纪珠三角热处理产业群的技术改革和今后发展方向的目 标前提下的真空热处理炉智能化控制技术的研究，将优化珠三角当前热 处理行业的产业结构、构建合理的产业发展模式、发展先进技术和提升 行业竞争力，实现真空热处理设备的突破，以适应珠三角经济向产业结 构重型化和高级化转变的需要。 1 2 1 提升地区热处理产业群综合竞争力 目前，广东珠三角地区的汽车、装备制造、石化、钢铁和造船等重 化产业呈集群发展之势。而在配套的精密模具、涂层刀具、高精度零件、 汽车传动系统制造、大型机械零部件的热加工以及先进热处理技术装备 等高端产品市场，广东热处理行业也未占有一席之地。行业整体存在低 水平的重复建设、投资分散、规模普遍偏小、环境资源浪费大的现象。 目前国内热处理产值在制件产值链中一般仅占l 2 ，1 2 】远无法与制品 6 第。章绪论 的最终价值比拟。产学研结合进行热处理工程技术研发往往变成一种奢 谈，整个行业的原创性科研成果严重缺位。 从“美国热处理技术发展路线图 可以高度概括出未来lo 年，先进 国家热处理行业的发展方向为4 个方面：清洁、精密、节能和质量控制。 【1 】 真空热处理技术是传统的热处理技术和现代化的真空技术、电子计 算机技术、自动化技术相结合而成的一种高效、优质、节能的先进热处 理技术，除了具有无脱碳、无氧化、可保持零件表面光亮、可使零件脱 脂、脱气、变形小、节能且易于控制等优点外，还具有生产清洁，热处 理对象精密，相对节能和拥有较好的质量分布的特点。【l 2 】而根据珠三角 热处理产业特点，可将重点放在真空热处理智能化控制和热处理节能环 保技术的研发方面。这将使企业因自动化控制程度、控制精度、工艺能 力、环保技术和产业能力的提高而具有强的生存能力和发展空间，并提 高本地区的产业群综合实力。 在当前，真空热处理相联系的数学模型和计算机模拟等智能化控制 技术研究现时已成为最具研究价值和活力的领域。【l 】真空热处理智能化建 设的滞后，使真空热处理生产一直无法摆脱生产管理落后、产品质量差、 能耗高以及环境污染严重的落后状态，导致我国热处理技术与国际先进 水平的差距有日益扩大之虞。因此珠三角今后真空热处理长期的发展目 标就是提高热处理技术装备的自动化和智能化程度、保证生产工艺的重 现性、降低产品质量分散度、降耗节能减排以及强化生产管理等方面； 在可能的情况下尽快建立旨在适应现代制造业发展需求的基于智能化的 热处理示范工程和示范基地。 本课题通过对真空热处理设备的智能化控制关键技术的研究，充分采 用当前计算机微电子技术、网络技术，开发具有自主知识产权的设备， 实现真空热处理工艺和设备的柔性化和连续作业；进一步提高自动化程 度和控制精度，为设备投放市场建立强大的技术力量，从而建立起综合 竞争力雄厚的热处理产业群，以面对全球化下的2l 世纪新经济模式所带 来的竞争。 7 广东工业大学硕十学位论文 1 2 2 节能降耗减排 热处理行业平均电耗尽管由“八五期间的15o o k w h t 降到了“九 五”期间的10 0 0 k w h t 以下，【2 】但是和发达国家相比这个远远不够，仍然 属于高能耗低效率的状况。而热处理行业“十五 发展规划纲要和2 015 年发展设想指出，“十五 期间，热处理行业劳动生产率要在2 0 0 0 年实 际水平上翻一番，2 015 年，力争在2 00 0 年基础上实现翻两番；全国主要 工业城市热处理厂点平均电耗降低到5o o k w h t 以下，2 015 年进一步降低 到4 0 0 k w h t 以下；【l 】热处理各种排放的废料必须达到国家相关标准规定， 2 0l5 年力争做到热处理生产对环境污染基本趋近于零。纵观“十五”计 划，以来粗略统计，目前我国在役的热处理设备役龄4 0 年以上的仍然占 全国热处理设备的55 ，【l 】尽管全国主要工业城市热处理厂点平均电耗实 现了目标，但是这些设备依然存在着能耗大，工艺老，工人劳动强度重， 设备温度波动大，产品质量分散度高等缺点。“十五”纲要的提出和实 现，尽管取得了比较理想的成绩，但是与欧洲、日本、美国等发达国家 相比，热处理行业仍然没有从根本上改变落后2 0 30 年的局面。 按照广东省环境保护规划，2010 年全省二氧化硫和化学需氧量必须 分别控制在1 10 万吨和89 9 万吨以内，即在2 0 05 年的基础上削减15 。 【2 】通过产业结构调整，淘汰落后生产能力，强化对污染企业的治理。因而， 根据国家发展的大政方针和当前广东经济发展要求，针对现有热处理生 产现状，必须认真重视对清洁热处理技术的研究，强化对污染环节的管 制，支持环保措施的实施。发展“绿色热处理”，使热处理生产从污染 型变为清洁型，是在行业中实现经济效益、社会效益和环境效益三统一 的有效方法，是加速广东热处理生产从粗放型向集约型技术转化的重要 途径，是建设热处理生产与自然环境成为和谐体系的重大举措，对先进 制造业的发展有着非常积极的意义。 本课题通过对真空热处理设备的智能化控制关键技术的研究，实现 了温度控制系统、流量及压力控制系统的多耦合智能化，从根本上推动 热处理设备往高效、节能、环保和优质方面发展。而目前，真空热处理 第一章绪论 设备技术已经有真空油淬技术、对流加热技术、真空渗碳技术、真空渗 氮技术、真空加压气淬等，但在珠三角产业群中还没有形成规模，通过 本课题的研究可实现该多项真空技术的智能化控制，甚至智能化集成化 控制，最终实现产业的规模化、自动化、智能化，低能耗、少污染的形 成。 1 2 3 促进热处理工业炉生产基地发展 我国热处理设备产业的技术水平、生产质量和产业能力在整体上与 工业发达国家相比还有相当大的差距，更遑论行业发展的产业政策和长 远规划显现出来的综合竞争力了。从美国热处理技术发展路线图”中， 可以提取热处理产业先进规划的设计理念、发展模式、工作目标和适用 措施，并加以借鉴，甚至汲取，这将对我国热处理产业的发展相信具有 重要的现实意义的。 在珠三角现有的热处理装备制造企业的基础上，借鉴“美国热处理 技术发展路线图中提出的发展刚略，通过企业的研究开发投入，发展 新型的节能降耗减排的热处理设备，率先形成热处理工业炉生产基地， 从而强化我国基础制造业的实力，提高下游产业链的市场竞争水平。 v ， 本课题通过对真空热处理设备的智能化控制关键技术的研究，从质 方面提升热处理装备的性能，进而有效地实现热处理产业的优化升级， 为珠三角热处理行业的发展垒实基础，并通过该技术的推广，使之成为 热处理的主要发展方向，产研结合，促进热处理工业炉生产基地的形成， 全面推动我国热处理装备往节能降耗减排的绿色理念发展。 1 3 真空热处理炉控制系统现状分析 国内外现有的真空热处理炉控制系统主要是温度控制系统、压力控 制系统和流量控制系统。各个系统之间控制独立，互不耦合，为单一的 闭环控制系统。 9 广东- r q k 大学硕十学位论文 1 3 1 温度pid 控制技术的现状分析 温度是工业控制对象中的主要被控参数之一。在各行各业中，各种加 热炉、烘房、烘箱、恒温箱等，均需对其温度进行控制，为保证生产过 程正常进行，提高产品的数量与质量，减轻工人的劳动强度以及节约能 源。【6 ，7 ，8 】 自7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和 计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国 内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面 取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生 产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业 广泛应用。但是，在工业过程控制系统中，许多温度控制对象具有纯滞 后性质。纯滞后可引起系统不稳定或降低系统的反馈性能。【io 】这类控制 系统的纯滞后性会使系统的稳定性降低，特别是衡量纯滞后的影响程度 特征参数大于0 6 【3 】时，很多现存的温度控制器及仪器仪表，已经不能适 用。即使采用常规的p i d 的控制算法也会引起大的超调和长时间的振荡， 控制效果不佳。【l o 】 有关纯滞后的控制系统，虽然国内外做过不少研究工作，但在工程上 有效的方法不多。设计一个控制系统时，若控制对象是比较复杂的非线 性、时变、大滞后系统，往往难以获得精确的数学模型，而采用传统的 经典控制方法很难获得良好的动态和静态性能。 从50 年代末以来在纯时滞控制方面先后出现了基于模型的方法和无 模型这两大类方法：基于模型的方法有sm i t h 预估补偿控制、改进的sm i t h 预估控制、多变量的sm i t h 预估控制、最优控制方法、自适应控制、有限 谱配置法、动态矩阵预报控制，预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制 等；无模型方法有模糊sm i t h 、自适应模糊、模糊pid 、模糊自整定、 神经网络预估法、专家控制等。【3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，10 1 纵观这几十年，国内外的学 者与工程技术人员在纯时滞过程控制方法及应用方面均做了大量的研 究，取得了相当的进展。 1 0 第一章绪论 作为纯时滞中的一员的温度，目前，其控制系统的种类较多，它们之 间的主要区别在于温度控制对象、控制范围、控制精度不同，硬件和软 件实现的复杂程度不同，或者附加功能不同等等。根据系统的不同功能 要求，也可以分别采用工控机、温控仪、数字单片机、可编程控制器和 专用微机芯片等进行控制。【lo 】随着对温度控制的深入研究，其控制方法 也已经由传统控制转到了智能控制，或者是两者的结合。本文主要研究 基于p l c 的温度控制系统的策略和方法。 过程控制中采用p id 控制的占9 0 以上。【6 】其优点是原理简单、通用 性强、鲁棒性好并且使用方便。应用p i d 控制的关键技术是p i d 参数的 设置和整定，它应使控制系统达到满意的品质。然而p id 在纯滞后系统 中的应用是有一定限制的，对于滞后较大( 即额定时滞r t 0 6 【3j ) 的系统， 常规p id 控制往往无能为力。 国内外许多学者都提出了多种模糊p id 控制算法，它们的结合方式各 不相同，所得到的性能也不一样。t a g a g i 和s u g e n o 提出了确定性模糊模 型】，有人则构造出基于此类确定性模型的模糊p id 控制器。这种控制 器的输出不是模糊集合而是某个函数的表示，因而设计起来比较简单。 但是，其中的p i d 控制器的性能却由于时间因子的影响大人降低。文献 12 】 于是针对这种控制器进行了改进，得到了与时间无关的确定性模糊- p i d 控制器，并对参数自动调整，形成了参数自适应模糊p id 控制器，使得 系统的控制性能得到了很大的改善。文献【13 基于这基本思想，设计一种 预估控制器可以预测出未来的系统偏差，也就是说让末来系统的输出来 决定当前控制量的大小，这种超前预估作用可以克服时滞的不利影响， 使p i d 控制器可以完全发挥它原来的作用。采用f u z z y p i d 复合控制算 法在缩短过渡过程时间、减小超调量等方面均优于p id 控制算法。采用 复合控制，既具有模糊控制的灵活、响应快、鲁棒性好等优点，又具有 p id 控制精度高的特点。智能p id 和模糊控制对于改善具有纯滞后和非线 性对象的控制性能具有积极作用。 p id 参数整定得是否恰当对于过程控制效果有很大影响，对于有时滞 的过程更是如此。过程参数的不确定性和多变性，要求p i d 控制器的参 数也应与之对应。因此，p i d 参数的自适应就成为一个重要的方法。文献 广东f 业大学硕十学位论文 14 】提出了自适应sm i t h 预估极点配置自校正p i 控制器，就是根据系统 闭环传递函数的分母多项式与根据性能指标设计的多项式相等，从而推 出p id 的参数值。 p i d 控制可以和模糊控制及神经网络结合起来。文献【l5 提出了基于 神经网络的模糊自适应p id 控制方法，作者设计一个控制器，利用模糊 逻辑的抽象和神经网络的自学习能力，寻找到一个p 、i 和d 参数的有机 非线性组合，从而构成的输出既具有模糊控制的简单和有效的非线性控 制，又具有神经网络的自学习、自适应能力，还具有pid 控制的广泛性， 以此来提高控制系统的能力。 上述的p id 温度控制方法，根据系统的不同功能要求，可以分别采用 工控机、温控仪、数字单片机、p lc 和专用微机芯片等进行控制。随着 对温度控制的深入研究，其控制方法也已经由传统控