辊道窑炉温度控制系统自动化的应用研究

摘要：
    根据辊道窑的特点及常规PID控制器的局限性，采用基于继电反馈的整定方法确定PID控制参数，在此基础上，采用模糊控制理论，根据系统运行过程中的偏差绝对值及偏差的积累绝对值，对PID参数进行实时校正，当参数或工况发生变化时，逐步调整PID参数值，使系统控制性能处于最优状态，实现对PID参数的在线智能校正，并以RS-485串行通信方式组成分布式智能控制系统对辊道窑温度进行集中监控。该系统已在现场长期连续运行，性能稳定，可靠性高，具有良好的控制性能。 
 

关键词：分布式控制系统;智能控制;PID参数自整定;辊道窑。
 

    陶瓷生产是一门古老、历史悠久的传统工业，陶瓷辊道窑的生产过程均采用传统的手工操作，炉温波动幅度大，造成瓷砖质量不高，甚至出现产品不合格的情况，再加上现场环境条件差，工人的劳动强度大，操作员工增加，对企业的经济效益影响较大。为了提高陶瓷生产水平，根据企业的实际需求和工厂提出的工艺要求，我们研制了一套分布式智能控制系统对辊道窑炉温度进行集中监控，保证炉温的误差在工艺要求之内，从而提高瓷砖的质量与产量，改善工人的劳动条件，提高生产效率。

2辊道窑温度分布式控制系统的组成及原理

    该系统由上位机与下位机两大部分组成，上位机与下位机通过RS-485通讯协议完成信息的传递，上位机由586微机加RS232C/RS485转换器构成，位于集中控制室，完成向下位机（现场控制器）发送命令、接收现场控制器数据及数据分析、存储、报表打印、显示等功能。下位机由现场温度智能控制器、温度传感器，电动比例调节阀等组成，主要完成对辊道窑炉各点温度的测量、控制及向上位机发送有关数据等。6个控制器通过电动比例调节阀调整喷油量达到分别控制窑炉内6点温度，从而保证窑炉烧成带温度的恒定，该系统特别适合于象辊道窑这样的小规模DCS系统。
 

    常规PID控制器由于具有原理简单，稳定性好，易于实现等优点，但在辊道窑温度控制系统中，常规PID控制器也暴露出其局限性。首先常规PID控制器的设计是基于对象的数学模型，而辊道窑炉难以用数学表达式描述，故系统达不到预期的控制品质。其次当辊道窑的工况发生变化时（例如，油压波动，油的品质变化时），在某一工况下整定的PID参数不能满足性能指标要求。为此，在PID控制器设计时，首先采用基于继电反馈的整定方法，确定PID调节器参数，再对PID参数实行实时Fuzzy校正，使其具有自适应功能，从而满足系统变工况的要求。
 

    根据继电振荡原理，继电反馈系统框图如图1所示。若继电器输出幅度为b，则根据非线性理论，继电器的描述函数为，其中误差信号的幅度为不断调整继电特性的幅值，使系统发生自振荡，然后测取振荡周期与幅度，便可得出临界增益与临界周期。利用这两个参数，根据Ziegler-Nichols方法，可得出PID参数，PID参数整定完毕后，此参数作为PID控制器Fuzzy校正的初值，并自动转入PID参数Fuzzy校正控制。一般在系统初次投入时整定，并把整定值存入EEPROM中。
 

 

其中Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。
 

3.2.2PID参数实时Fuzzy校正
 

    根据上述自整定得出的PID参数，当辊道窑炉参数或工况发生变化时，系统的性能将下降，甚至无法满足工艺要求，所以必须对PID参数进行在线调整。目前较多地采用自校正PID算法，但这种方法是基于被控对象精确的数学模型，为此，我们采用模糊控制技术，根据系统运行过程中的偏差绝对值及偏差的积累绝对值，对PID参数进行实时校正，当参数或工况发生变化时，逐步调整值，使系统控制性能处于最优状态。的修正规则如下：
 

（1）比例系数增大，系统响应速度加快，稳态误差减小，因此在偏差大的情况下，要增大值。但是过大会使系统产生超调，甚至不稳定，因此在偏差小的情况下，要减小值。将偏差绝对值的模糊子集取为很大（VB）、大（B）、中（M）、小（S）和很小（VS），的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则的修正量的Fuzzy控制规则如表1所示。其中，的基本论域为[0，10]，分为11个量化等级，即=｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝，的基本论域为[-0.5，+0.5]，分为11个等级即=｛-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5｝。
 

 

    （2）在PID控制器中，积分作用是为了消除稳态误差，加强积分作用（减小）有利于减小稳态误差，但过强的积分作用会引起积分饱和，使系统超调加大，甚至引起振荡。因此，在调节过程中的初期，即误差的积累较小时，应减弱积分的作用（加大）。而在调节过程的后期，即误差累积较大时，应加强积分作用（减小）。将误差累积绝对值的模糊子集取为VB、B、M、S和VS，的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则的修正量的Fuzzy控制规则如表2所示。其中，的基本论域为[0，10]，分为11个量化等级，即=｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝，的基本论域为[-5，+5]，分为11个量化等级即=｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。
 

    （3）微分在PID控制中的作用主要是改善系统的动态性能，控制超调。对于变工况且不确定系统，在调节过程的初期，即误差的累积绝对值较小时，应加强微分的作用（即增大），而在调节过程的后期，即误差累积的绝对值较大时，应减弱微分的作用（即减小），将的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则的修正量的Fuzzy控制规则如表2所示。其中，的的基本论域为[-1，1]，分为11个量化等级即=｛-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。
 

 

    智能温度控制系统结构图如图2所示，当要整定参数时把开关打在T，参数整定完毕，切换到自动位置A，参数自调整控制器对控制对象进行调节。
 

4 智能控制器的实现 

4.1 控制器的硬件系统 

控制器的硬件主要由微处理机系统，输入通道，输出通道，键盘及显示等部分组成。 
 

（1）微处理机系统：由8031单片机，2764 EPROM（用于存放监控及控制程序），2816EEPROM（用于存放自整定的参数及温度设定值），译码电路与锁存器等组成。 

（2）输入通道：由热电偶冷端补偿电路，放大电路（OP07，741），V/F，光电耦合，计数器，定时器等组成。热电偶冷端补偿电路利用PN结电压随温度上升而线性下降的特性进行补偿。采用两级放大器可将毫伏级信号放大到需要幅度0～5V，由上V/F转换成频率量，再通过软件的定时，计数完成A/D转换工作。 

（3）输出通道：由D/A转换器，V/I转换器，输出锁存器和光电隔离电路组成。D/A转换器将输出转换为0～5V的电压信号，经V/I转换器输出0～10mA标准电流信号。 

（4）键盘及显示部分：由8279，4个键与4个LED组成。 4.2 控制器的软件设计 控制器的软件主要由监控软件与控制软件组成，其软件框图如图3所示

 

 

 

4.3 调度与应用 

    为了不影响窑炉的正常生产，在PID参数整定前，先手动调节炉温到正常工作点（1200℃）附近，并设定电动比例调节阀的开度在工作点附近±10% 范围内变化，使PID调节器参数整定时，炉温变化幅度较小，如图4所示，其中前10 min为参数整定时间。温度的变化情况，采样周期t=15s。 该系统已在现场长期连续运行，性能稳定，可靠性高，采用温度智能控制后，在设定温度1200℃时，温度波动范围从原来手动控制时的 ℃降为 ℃，（见图4），说明该系统具有良好的控制性能。 

 

5 结论 

（1）由于采用分布式控制系统，上位机为586微机，软件资源丰富，可进行集中监控、画面显示、参数设定等工作，下位机能方便地与上位机交换信息，也可以单独运行，对现场进行实时控制，系统可靠性高，且价格低廉。 
 

（2）温度控制器采用PID参数自整定技术，可以大大缩短现场调试时间，特别适合于缺乏自动化工程技术人员的工厂。 
 

（3）对于无法确定精确数学模型及变工况（象燃油炉）控制对象，采用PID控制时，先采用自整定技术确定PID参数的初值，然后根据实时数据，对PID参数进行在线Fuzzy调整，是一种非常实用且有效的控制策略。