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1、第27卷第4期湘潭师范学院学报(自然科学版)Vol.27No.42005年12月JournalofXiangtanNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Dec.2005FUZZY-PID控制器在网带式加热炉中的应用X吴亮红,周少武,刘祖润,刘晓莉(湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201)摘 要:网带式加热炉具有非线性、时变参数、大时滞等特点,常规PID或FUZZY控制都难以满足工艺的要求。针对网带式加热炉系统本身的复杂性,提出了FUZZY-PID复合控制策略。
2、以AT89C51单片机为核心,设计了完善的I/O接口电路、人机接口电路和系统软件。实践表明,该系统的控制品质能满足生产工艺要求,产品质量、合格率和生产效益有了较大提高,产品能耗得到了降低。关键词:网带式加热炉;FUZZY-PID复合控制;单片机中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1671-0231(2005)04-0061-04在工业链条生产过程中,其中一道工序是对链条进行热处理,热处理过程中加热炉内的温度直接影响着链条的性能和质量,如链条的强度、韧性、抗拉能力等。而且不同的用户对链条的性能
3、要求也各不相同。因此,对加热炉温度的控制,是链条热处理的核心,链条生产过程当中的重要环节,也是决定链条性能的关键所在。链条热处理过程当中的加热炉通常采用网带式加热炉,或称作淬火炉。网带式加热炉从外表看是一个大长方形的铁箱体,加热炉长5m多,加热区长4.7m,高1.5m,宽1.8m。整个网带式加热炉由炉体、网带、网带拖动直流电机、加热电阻炉、搅拌器及传动机构组成。炉内又分为4个温区,每个温区有一个单独的电阻炉,待加热的工件通过网带由直流电机拖动从加热炉入口依次经过1#、2#、3#、4#温区进行加热,工件一边加热一边
4、向出口慢慢移动。1 控制系统总体方案设计本系统是对原有常规仪表系统的基础上对网带式加热炉控制进行改进。原有仪表控制系统的控制精度低,要实现各种热处理温度曲线较难,且故障率高。为了克服这些缺点,采用了单片微型计算机取代原有的仪表控制系统。由于网带式加热炉具有大滞后、非线性的特性,难以获得精确的数学模型。模糊控制以人们的操作经验为控制规则,不依赖于被控对象的精确模型,具有抗干扰能力强,响应速度快,并对系统参数的变化有较[1]强的鲁棒性,近年来得到了长足的发展。实践证明,模糊控制器对时变、非线性和复杂的被控过程具有良好
5、的效果。针对系统的特点,采用FUZZY+PID的复合式控制方式,实现对加热炉的高精度、高可靠性和高效率的控制,从而达到系统用户对工艺的各种要求。2 控制系统硬件设计根据系统的主要任务和系统的实际构成与特点,采用了图1所示的控制方案。整个系统包括4个温度检测器(4支分度号为K的镍铬-镍硅热电偶)、4个前置放大器AD521、一个多路模拟选择开关CD4051、A/D转换器AD574、输入I/O接口、输出I/O接口、输出控制电路、4路可控硅功率放大电路、单片X收稿日期:2005-01-17作者简介:吴亮红(1978-),
6、男,湖南宁乡人,硕士生,助教,研究方向:智能控制、计算智能等。61微型计算机AT89C51及键盘、显示器和声光报警器等组成。其中单片微型计算机是控制核心,根据输入的信号和设定的温度曲线进行判断和运算,产生相应的输出控制信号,以调节双向可控硅,控制电阻炉的输出功率,从而达到温控的目的。在这个方案中,我们没有采用移相触发方式,而采用过零触发方式。因为过零方式输出的是一个个完整的正弦波,没有高次谐波,因而没有电网公害和射频电磁干扰,而且控制方法简单可靠,也不需要附加的变压器,可以节约成本。图1 系统硬件结构图3FUZZ
7、Y-PID复合控制3.1FUZZY-PID控制策略常规的二维模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量,因此,一般认为这种控制器具有模糊比例-微分控制作用,但缺少模糊积分控制作用。这种模糊控制系统的稳定性能不能令人满意。积分控制作用能消除稳态误差,但动态响应慢,比例控制作用动态响应快,而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度,又具有较快的动态响应。因此,把PI控制策略引入模糊控制器,构成FUZZY—PID复合控制(如图2所示),是改善模糊控制稳态性能的一种途径。图2PID加FUZZY控制框图这种复合控制策略是在大偏
8、差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转换成PID控制,二者的转换由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制本身消[4]除其系统稳态误差能力比较差,难以达到较高控制精度。尤其是在离散有限论域设计时,更为明显。3.2 模糊控制器设计网带式加热炉模糊控制器的设计包括五个步骤,这五个步骤分别为下列5点:(1)输入/输出变量的确定;(2)
