Fuzzy-PID多模控制在金属热处理恒温炉中的应用

控制理论及其应用CONTROLTHEOLTSAPPLICATIONS电气自动化2014年第36卷第3期FUZZYPID多模控制在金属热处理恒温炉中的应用徐锋，郑向军，杨彦青，毛伟文1台州职业技术学院自动化研究所，浙江台州318000；2科伟自动化系统有限公司，浙江温岭318000摘要温控系统具有非线性、大滞后和大惯性，很难用精确的数学语言描述。金属热处理对炉温的调节时间、超调量和静差都有较高的要求，用常规的PID定值算法时，参数选择很难做到最优匹配，从而影响控制效果。提出了一种多模分段控制方法来综合比例控制、模糊控制和比例一积分控制的优点，通过MATLABSIMULINK仿真和实验，证明在动态性能和静态性能等方面均具有良好的表现。关键词恒温控制系统；金属热处理；多模分段控制；模糊控制；仿真与实验DOI103969JISSN10003886201403006中图分类号TM92文献标志码A文章编号10003886201403001304APPLICATIONOFFUZZYPIDMULTIMODECONTROIINTHECONSTANTTEMPERATUREFURNACEFORMETAIHEATTREATMENTXUFENG，ZHENGXIANGJU，YANGYANQIN，MAOWEIWEN1INSTITUTEOFAUTOMATIONOFTAHOUVOCATIONALANDTECHNICALCOLLEGE，TAHOUZHEJIANG318000，CHINA；2KEWEIAUTOMATICSYSTEMCO，LTD，WENLINGZHEJIANG318000，CHINAABSTRACTTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMWITHITSNONLINEARIRY，LONGLAGANDHIGHINERTIAISDIFFICULTTODESCRIBEINANACCURATEMATHEMATICALLANGUAGEASMETALHEATTREATMENTHASHIGHREQUIREMENTSONTHEREGULATIONTIME，OVERSHOOTINGANDSTATICDIFFERENTIALOFFURNACETEMPERATURE，PARAMETERSCANHARDLYBEMATCHEDINTHEOPTIMALWAYWHENTHENORMALPIDFIXEDVALUEALGORITHMISUSEDTHUS，THECONTROLEFFECTISAFFECTEDINTHISPAPER，WEPRESENTAMUHIMODESUBDIVISIONCONTROLMETHODTOCOMBINETHEADVANTAGESOFPROPORTIONALCONTROL，FUZZYCONTROLANDPROPORTIONALINTEGRALCONTRO1MATLABSIMULINKSIMULATIONANDEXPERIMENTDEMONSTRATETHATTHEPROPOSEDMETHODGIVESEXCELLENTDYNAMICANDSTATICPERFORMANCEKEYWORDSCONSTANTTEMPERATURECONTROLSYSTEM；METALHEATTREATMENT；MULTIMODESUBDIVISIONCONTROL；FUZZYCONTROL；SIMULATIONANDEXPERIMENT0引言利用金属固态相变等规律，使金属随温度变化，发生组织结构转变，以改善并控制金属的物理、化学和力学性能的技术学科，简称为热处理。对金属工件进行各种金属热处理的工业炉的统称热处理炉。热处理炉有箱式炉、罩式炉等多种结构，但都要求较严格地控制炉温和炉内气氛等。热处理恒温炉控制系统具有非线性、大滞后和大惯性，且受外界干扰因素较多，加之装置某些器件的参数会随时间发生缓慢变化，因此很难用精确的数学语言描述。由于恒温炉对调节时间、超调量和静差都有较高的要求，采用传统的PID定值算法时，由于、参数相互影响，参数选择无法做到最优匹配，难以克服动态与静态性能、鲁棒性与控制性能等之间的矛盾。模糊控制无需了解对象的数学模型，控制规则依赖专家的实际经验，当参数变化或出现干扰时，具有较强的鲁棒性，能较好地满足温控系统时变及滞后的特点。常用的以偏差和偏差变化率为输入的二维结构模糊控制器的效果类似PD控制，在响应速度和超调量方面优于传统的PID控制，但在稳态精度方面却不及传统的PID控制，且无法消除系统的静态误差。通过对FUZZY和PID特点分析，提出了FUZZYPID多模分段控制来综合比例、模糊和比例一积分控制的优点J，通过MAT一定稿日期20130318LABSIMULINK仿真和实验，证明这种方法较传统的PID控制更具优势。1多模控制原理图1为典型PID定值恒温控制系统的输出曲线。图2为FUZZYPID多模分段控制系统原理图。III图1典型PID温控制系统的输出响应曲线图2FUZZYPID多模分段控制系统原理图ELECTRICAIAUTOMATION13电气自动化2014年第36卷第3期控制理论及其应用CONTROITHEOLTSAPPLICATIOR图2中K根据偏差E的大小分三段对系统进行切换。当偏差大于设定的偏差阀值。时图1的I区，采用比例控制以缩短调节时间；当偏差小于阀值NIEIO时区，K自动切换到FUZZY控制，使系统的阻尼作用增强以减小系统的超调量；当偏差小于O时区，采用PI控制以消除系统的稳态误差。K的具体动作如下R比例控制LEIO1K软开关比例一积分控制IEINLFUZZY控制LEL02切换的阀值N和。选择十分重要，从比例向模糊控制切换时，阀值O选择过大时便会使系统过早进入FUZZY控制阶段而影响调节速度，但对减小系统超调有利；阀值选择过小时可能出现较大的超调；从模糊控制向PI控制切换的阀值O一般选择在偏差语言变量值进入“零”子集的时刻。2控制系统结构以RX32012箱式炉为控制对象。系统主要技术指标电源380V50HZ，T100一1200恒温可调，精度要求1，空载最大调节时间T120MIN。系统用OMRONCVM1系列PLC和FUZZY控制模块C500一FZ001为控制器核心，C500FZ001是一款高性能专用模块。测温元件采用能适应氧化性气氛，线性度好的K型热电偶，测量范围一2001200OC。驱动电路采用I5AT3P40Y三相调压模块，该模块对输入DC05V、DC010V或DC420MA兼容，内部集成三相移相触发电路、双向可控硅等。在输入控制作用下，可实现三相交流电压0380V可调。图3为LSAT3P40Y三相调压模块的结构图。3控制算法设计PLC是CPU和存储器为核心的数控系统，须要对传统的PID算法进行离散化处理。PLC每个扫描周期对输入信号进行采样并进行PID计算，由于PLC强大的编程功能，因此可以灵活地设计出多种数字PID算法以满足不同的控制要求。标准的PID数字算法如下UEEE一EJ一111式也称为位置式，其中，分别为控制器比例、积分和微分系数，K为TKT时的输出。位置式算法在计算时需要计算全部历史偏差的累积E，这样就会产生偏差积累误差。在实际应用中，常常采用增量式PID算法AUEK一EK一1K,EKEK一2EK一1EK一22从2式可知，该算法只需知道EK一1和EK一2两个偏差，就能很方便地计算出增量；这样既避免了偏差积累，省了控制器内存，也简化了计算程序。炉温控制的第1阶段主要是满足快速性要求，无论偏差变化率如何，均要求温度迅速上升，因此比例系数尽可能取大，积分系数和微分系数KV取零。第阶段主要是消除系统振荡和静差，因比例系数与积分系数相互影响，在整定K和时必须兼顾，由于温度是大滞后对象，一般取小些。PID控制器的系数可以通过实验得到。由于通过DCS系统趋势图收集十分方便，通过对实验取得的趋势图分析，也不难得到满意的和K，参数，这里不再繁述。炉温控制的第阶段主要的任务是要尽量减小系统超调，同时确保控制的快速性。通过合理选择FUZZY控制器输人输出变量的隶属度函数和模糊控制规则，较容易协调好快速性和超调之间的矛盾。图4为本装置采用的单变量二维结构FUZZY控制器结构示意图。图4中E和DEDT分别为控制器偏差和偏差变化率，其控制原理为输入信号通过模糊化处理转变成模糊变量E和EC，通过模糊推理得到输出模糊变量U，再通过清晰化处理产生控制信号M用以驱动LSAT3P40Y三相调压模块。在选定模糊控制器的结构后，需确定控制器语言变量值的数量、变量的论域、变量的隶属度函数、制订模糊规则和确立反模糊化方法等。本例中，偏差语言变量用E表示，并划分正大PB、正中PM、正小PS、正零PO、负零NO、负小NS、负中NM、负大NB等八个模糊子集。E的论域元素规定为一6，一5，一4，一0，04，5，6十四个等级，模糊集E的隶属度函数采用三角形不对称分布，其隶属度如表1所示。表1输入语言变量模糊集EC的论域元素与隶属度分布表14ELECTRICAIAUTOMATION控制理论及其应用CONTROITHEOITSAPPLICATIONS电气自动化2014年第36卷第3期表2输入语言变量模糊集EC、U的论域元素与隶属度分布表偏差变化率和输出语言变量模糊集分别用EC和U表示，并统一划分正大PB、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM、负大NB等七个子集。EC和U的论域元素均为一6，一5，一4，04，5，6共L3个等级。表2为变量EC和U的隶属度分布。模糊规则是根据专家和现场操作经验为基础进行设计的，本例模糊控制策略采用“IFTHEN”形式，模糊规则共8X756条，具体描述为IFEISNBANDECISNBTHENUISNB；IFEISNBANDECISNMTHENUISNB等。模糊推理采用MAMDANI法，当AELU，BV，CW时，对每一条模糊规则蕴含的三元模糊关系可写成RAXBXC或者U，AUABAC。模糊控制器总的关系由上述各规则蕴含的三元模糊关系的“并”构成，即RRLVR2VR3VRS6将R代入近似推理合成法则，在给定控制器输入语言变量论域上的模糊子集E和EC后，可得到控制器输出语言变量论域上的模糊集合U，即UXECREXECRV56VEXECR56UEXECR模糊推理输出的是一个模糊集合，本例的模糊判决采用加权平均法，即控制量的精确值由输出的隶属度函数加权平均判决得到J，即UVGJIXJ综合以上内容可知，当已知系统输入E。和EC分别为对应论域的确定元素时，根据已知的模糊关系，通过推理合成规则和选定的模糊判决方法，便可得到输出变量U对应论域的确定元素。对论域E和EC中全部元素的所有组合计算出对应的控制量变量的元素，便可得到如表3所示的箱式金属热处理炉模糊控制状态查询表。表3箱式金属热处理炉模糊控制状态查询表UELECTRICAIAUTOMATION15电气自动化2014年第36卷第3期状态查询表是在离线状态下完成的，并需在实验过程中加以修订以符合客观控制规律。状态查询表存放在PLC控制器内部存储器中。在具体应用时需要编制一个查表子程序，当控制器将采集到的实际偏差E和偏差变化率CE用分别乘以量化因子和控制信号控制理论及其应用CONTROLTHEORYITSAPPLICATIONS图3LSAT3P40Y三相调压模块模糊对象图4二维结构FUZZY控制器示意后取整以获得相应论域中的元素，通过查询模糊控制状态表便可得到控制量输出等级，再乘以比例因子K便得到实际的控制量。4仿真与实验用MATLAB70SIMULINK搭建仿真平台J，取控制器切换阀值A，为08EMAX和。为03E，其中取最大偏差E与温度误差阀值2相对应，取控制第1阶段KP42，第阶段KP38、01，温度设置为1000OC，选用的仿真模型为仿真得到图5曲线1为多模控制响应曲线。图5还给出了PID控制的响应曲线2。可见多模控制在响应速度和超调量等方面明显优于常规PIDGE咖由于该恒温炉的精确模型难以取得，仿真结果只能定性说明品质的优劣。为验证该法的性能，在浙江温岭科伟自动化系统有限公司完成实际检测。RX32012炉膛有效尺寸为650X300250MM，采用20KW电阻丝直接加热。实验的环境温度为28，恒温炉处于空载状态，设定温度1200，重复实验的间隔为4小时。表4是实际测量的两组实验数据。表4RX32O一12实验数据可以看出，实际调节时间均小于100MIN，最后稳定误差均在1以内，实验的结果表明，这种控制方法能较好地满足加热箱的技术要求。5结束语RX32012箱式炉广泛应用金属热处理，也应用于粉末、冶金、医药、化工、金属烧结等。多模分段控制综合了比例控制、比例积分控制和模糊控制的优点，使控制系统的动态性能、稳态性能和鲁棒性等方面明显优于常规PID控制和单一的模糊控制。参考文献1曾光奇，胡均安，王东，等模糊控制控制理论与工程应用M武汉华中科技大学出版社，20062吴波，张静，向勇箱式热处理炉温度控制系统设计J热加工工艺，2007，36147981，863李祖欣，张榆锋，施心陵一种基于模糊规则切换的P