基于PLC与模糊PID的步进式加热炉温度控制系统

第19卷第1期2009年1月 安徽冶金科技职业学院学报Journal of Anhui V ocational C ollege of Metallurgy and T echnology V ol.19.N o.1Jan.2009基于P LC 与模糊PID 的步进式加热炉温度控制系统张文源[1][2],范　松[1][3],李冬清[1][4]([1]安徽工业大学机械工程学院　安徽马鞍山　243002)　([2]马钢股份公司第四钢轧总厂　安徽马鞍山　243000)([3]梅山钢铁公司技改工程部　江苏南　京　210039)　([4]马钢股份公司第三钢轧总厂　安徽马鞍山　243000)摘　要:根据某步进式加热炉的控制要求,设计出一种PID 控制与模糊控制相结合的智能控制系统。

采用Fuzzy -PID 复合控制算法,实现对数学模型不确定的控制对象的满意控制,具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点,又具有PID 控制精度高的特点,使系统具有可靠性高、使用寿命长等适合实际工业现场的特性。

关键词:可编程控制器;模糊控制;PID 控制;模糊PID中图分类号:TP273　文献标识码:A 文章编号:1672-9994(2009)01-0027-03收稿日期:2008-10-02作者简介:张文源(1973-),男,工程硕士研究生,马钢第四钢轧总厂,高级工程师。

1　研究背景马钢某钢轧厂步进式加热炉是生产主要的耗能设备,加热炉控制的主要任务就是保证炉内具有良好的加热条件,以满足钢坯的轧制要求;同时,最大程度地降低燃料消耗,提高经济效益。

然而,由于炉内钢坯温度分布的不可检测性、加热炉的大热容量和多扰动、时变非线性等特征,构成了一类典型的复杂工业大系统;另一方面,现代大型轧机的高速化、自动化、高精度和多品种对加热炉的操作和控制提出了更高的要求,这些使加热炉热工过程的传统控制难以达到满意的效果。

随着计算机技术的迅速发展和现代控制理论的不断完善,利用计算机进行加热炉温度控制己进入实用阶段,工业过程的自动控制正日益普及。

通过计算机优化组织生产和重要的生产过程参数,可以取得明显的经济效益和节能效果。

为此,建立能够揭示炉子结构参数、操作参数、热工过程参数和生产指标之间相互联系的数学模型[1],实现以数学模型为手段、以直接数字控制为基础的计算机优化控制。

模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术,与神经网络及专家控制并称为智能控制。

由于其简单实用,目前已成功应用于各种控制系统中。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制方法,属于非线性控制方法。

由于引入专家的逻辑思维方式,使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力,因而特别适用于难于用精确数学模型描述的系统,并且有很强的鲁棒性和稳定性。

2　工艺简介本系统的基本功能为:上位机部分可方便、直观、实时地监控炉温,有报警功能,可方便、自由地设定各时间段的温度,对不正常的工作情况有记忆功能;下位机部分通过控制固态继电器的导通时间来实现整个温控过程。

温度控制部分,系统采用PI D 算法,通过控制固态继电器的导通时间来控制温度,使温度随图1所示曲线按一定规律变化。

图1　加热炉温度变化图3　系统硬件构成炉温控制系统核心硬件采用可编程控制器(P LC )。

加热炉共分为预热区、加热区、均热区三个区,每区划分为两区,预热区分成区1与区2,加热区分成区3与区4,均热区分成区5与区6。

测温装置采用热电偶测温,其中预热段两支、炉顶一支、炉底一支。

加热区四支测温热电偶、炉顶两支、炉底两支,均热区八支测温热电偶、炉顶四支、炉底四支。

系统采用了P ROFI BUS-DP现场总线结构。

PROFI BUS-DP主站采用西门子57-400系列P LC,现场的IΠO模块采用ET200M加S7-300模块。

温度显示和参数设定通过人机界面完成。

图2为系统硬件原理框图。

图2　系统控制框图4　系统控制方案加热炉是一个具有自衡能力的对象[2],加热炉温度的控制是该工艺过程的关键,温度控制的好坏关系到钢的质量。

如何实现温度的自动控制是该工业过程自动化的一个难题,因为该系统属于典型的多输入、多输出、参数不稳定、非线形、复杂性、大滞后性[3],难以用精确的数学模型来描述的对象,一般的控制方法很难实现。

模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,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。

模糊控制不需要精确模型,仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用,并且模糊控制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[4],因此,本系统用模糊控制来改进加热炉燃烧控制质量[5]。

在本系统中我们采用对输人偏差和偏差变化率的模糊化处理,通过查询模糊规则表得到PI D控制参数进行整定的方法来设计Fuzzy-PI D控制模块,再结合本系统的温度控制的实际要求,设计模糊PI D参数整定的算法,进而实现加热炉温度的控制。

411　模糊控制器设计图3为模糊控制结构图。

其中E和EE是经过模糊化处理后得到的e和ee的量化输入,而U是模糊控制算法得出的模糊控制输出量,针对单变量温度控制系统,模糊控制器由两个输人和两个输出变量组成,输入变量分别为温度的误差E和误差变化率EE,定义炉温误差,误差变化率、控制量K p,K z,K d的模糊词集为:NB(Negative Big负大),NM(Negative Middle负中),NS(Negative Small负小),O(Z ero零),PS(P ositive Small正大),PM(P osi2tive Middle正中),P B(P ositive Big正大);误差E取值为NB、NS、O、PS、P B,误差变化率EE取值为NB、NS、O、PS、P B,输出语言变量为PI D整定参数K p和K i,K d,系统的模糊规则如表1所示。

图3　系统模糊控制结构图・82・安徽冶金科技职业学院学报 2009年第1期表1　系统的模糊规则表EK pEENB NM NS0PS PM P B NB P B P B PM PM PS00 NM P B P B PM PS PS0NS NS PM PM PM PS0NS NS 0PM PM PS0NS NM NM PS PS PS0NS NS NM NM PM PS0NS NM NM NM NB P B00NM NM NM NB NBEK iEENB NM NS0PS PM P B NB NB NB NB NM NM NS0NM NM NB NB NM NS NS0NS NS NB NM NS NS0PS00NM NM NS0PS PMPS PS NM NS0PS PS PMPM PM00PS PS PM P BP B P B00PS PM PM P BEK dEENB NM NS0PS PM P B NB PS NS NB NB NB NM PSNM PS NS NB NM NM NS0NS0NS NM NM NS NS000NS NS NS NS NS0PS0000000PM P B PS PS PS PS PS P BP B P B P B PM PM PS PS P B 当温度误差E为最大P B,温度误差变化率EE 为最小时,加热炉处于升温过程;当E为NB时,应停止对加热炉加热;当E为P B,EE也为P B,即加热炉温度不高,但加热炉的温升很快时,为防止其温度的超调,采用较缓慢的方式给加热炉加热。

412　PI D参数模糊自整定算法的实现自适应模糊PI D控制器以误差E和误差变化率EE作为输入,可以满足不同时刻的E和EE对PI D参数自整定的要求。

利用模糊规则在线对PI D 参数进行修改,便构成了自适应模糊PI D控制器。

PI D参数模糊自整定是找出PI D三个参数K p、K i、K d与E和EE之间的模糊关系[6],Kp、K i、K d三个参数的模糊规则控制表建立好后,可根据各模糊子集的隶属度,各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型[7],在运行中通过不断检测E和EE,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不同E和EE时对控制参数的不同要求,而使被控对象有良好的动、静态性能。

令y(k)表示离散化的当前温度的实际值,R (k)表示离散化的当前设定值,E(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值,EE(k)表示离散化误差变化率,E(k-1)、E(k-2)分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值,U(k)为Fuzzy一PI D控制器的输出量,则有:E(k)=R(k)-Y(K),EE(K)=E(k) -E(k-1);EE(k-1)=E(k-1)-E(k-2)。

在线运行过程中,控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算,完成对PI D参数的在线自矫正。

其工作流程如图3所示。

图3　参数模糊自整定流程图5　结论本文根据马钢某钢轧厂加热炉的控制要求,设计出一种PI D控制与模糊控制相结合的智能控制系统。

系统采用P LC作为控制系统的核心,利用Fuzzy一PI D复合控制算法,使其既具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点,又具有PI D控制精度高的特点,因而特别适用于难以用精确数学模型描述的温度控制系统,具有较强的稳定性和鲁棒性。

该系统投入运行以来具有可靠性高、控制稳定、使用寿命长等适合实际工业现场的特性。

参考文献[1]　陶永华.新型PI D控制及其应用(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2002(下转第40页)・92・总第43期 张文源,范松,李冬清:基于P LC与模糊PI D的步进式加热炉温度控制系统相轮流升高,为相电压的1.4倍左右,电压表指针作低频摆动。

电压互感器开口三角电压接近单相接地时电压值的85%～95%。

当接入7～9消振电阻后,即可消振。

其示波图示于图3中。

图3　试验③激发的1Π2分频谐振及其消振示波图图4　试验④激发的基波谐振及其消振示波图当产生基波谐振时,电压表读数是两相升高至1.8倍相电压,一相降低,接近于零,互感器开口三角电压近似为100V 。

当接入200Ω的消谐电阻后,即消振,其示波图示于图4中。

3　结语实践表明,应用上述方法判定谐振类型是有效的,具体应用时可根据单位或现场的具体条件进行选择,通常前两种判定方法是较容易做到的。

参考文献[1]　D L ΠT 620-1997,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].[2]　陈化钢.电力设备故障处理手册[M].北京:中国科学技术出版社,2004　Diagnosis Method in T V Ferromagnetic Resonance Overv oltageCHEN Hun -gang Abstract :　C om ponent harm onics and fundamental wave and high harm onics ferromagnetic res onance overroltage by ferro core saturation of electro -magnet type T V ,This paper diagnosis method are put for 2ward ,corresponding exam ple is given. K ey w ords :　T V ;ferromagnetic res onance ;overv oltage ;diagnosis(上接第29页)[2]　梅炽.冶金传递过程原理[M].长沙:中南工业大学出版社,1987.[3]　Astrom KJ.T Hagglund.Automatic tuning of PI D control 2lers 2nd Edn.Instrum S ociety of America.1995.[4]　宋明刚,樊尚春1一种高精度温度控制的复合方法及其应用[J ]1北京航空航天大学学报,2001,27(5):560-563[5]　吕勇哉.工业过程模型化及计算机控制[M].北京:化学工业出版社,1986[6]　王化祥,孙金刚,陈磊.一种新型模糊PI D 调节器的设计.自动化仪表[J ].2000,21(5):8-10[7]　郭代仪,雷闻宇,梁山.模糊控制技术及其在冶金工业中的应用[M].重庆:重庆大学出版社,1999.2Based on the P LC and Fuzzy PIDT em perature C ontrol System of Stepping FurnaceZHANG Wen -Y uan ,FAN S ong ,LI Rui Abstract :　According to a step -furnace control requirements ,design a PI D control with a combina 2tion of fuzzy control intelligent control system.Fuzzy -PI D use of control alg orithms ,mathematical m odel to achieve the targets of the uncertainty of control with control ,a fuzzy control flexible ,fast response ,adapt 2ability ,and other advantages ,but als o has high accuracy PI D control the characteristics of the system with high reliability ,Suitable for long life ,and s o on the actual characteristics of the industrial scene. K ey w ords :　P LC ;fuzzy control ;PI D control ;fuzzy —PI D・04・安徽冶金科技职业学院学报 2009年第1期。