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辊道窑温度分布式智能控制系统的研究及应用

来源:神华热工  时间:2011年05月16日

  1、引言

  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,甚至出现欧冠竞猜平台不合格的情况,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。

  3、智能温度控制器的设计

  3.1概述

  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,因而在过程控制中得到广泛应用,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。

  3.2温控器的控制策略

  3.2.1PID参数自整定

  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}。


  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,2764EPROM(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10min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。

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