輥道窯溫度分布式智能控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用
時間：2014-04-10來源：湖南新天力
1、輥道窯溫度分布式控制系統(tǒng)的組成及原理
該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分組成，上位機(jī)與下位機(jī)通過RS-485通訊協(xié)議完成信息的傳遞，上位機(jī)由586微機(jī)加RS232C/RS485轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，位于集中控制室，完成向下位機(jī)（現(xiàn)場控制器）發(fā)送命令、接收現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析、存儲、報表打印、顯示等功能。下位機(jī)由現(xiàn)場溫度智能控制器、溫度傳感器，電動比例調(diào)節(jié)閥等組成，主要完成對輥道窯爐各點溫度的測量、控制及向上位機(jī)發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)等。6個控制器通過電動比例調(diào)節(jié)閥調(diào)整噴油量達(dá)到分別控制窯爐內(nèi)6點溫度，從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定，該系統(tǒng)特別適合于象輥道窯這樣的小規(guī)模DCS系統(tǒng)。
2、智能溫度控制器的設(shè)計
2.1概述
常規(guī)PID控制器由于具有原理簡單，穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，因而在過程控制中得到廣泛應(yīng)用，但在輥道窯溫度控制系統(tǒng)中，常規(guī)PID控制器也暴露出其局限性。首先常規(guī)PID控制器的設(shè)計是基于對象的數(shù)學(xué)模型，而輥道窯爐難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，故系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期的控制品質(zhì)。其次當(dāng)輥道窯的工況發(fā)生變化時（例如，油壓波動，油的品質(zhì)變化時），在某一工況下整定的PID參數(shù)不能滿足性能指標(biāo)要求。為此，在PID控制器設(shè)計時，首先采用基于繼電反饋的整定方法，確定PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，再對PID參數(shù)實行實時Fuzzy校正，使其具有自適應(yīng)功能，從而滿足系統(tǒng)變工況的要求。
2.2溫控器的控制策略
2.2.1PID參數(shù)自整定
根據(jù)繼電振蕩原理，繼電反饋系統(tǒng)框圖如圖1所示。若繼電器輸出幅度為b，則根據(jù)非線性理論，繼電器的描述函數(shù)為，其中誤差信號的幅度為不斷調(diào)整繼電特性的幅值，使系統(tǒng)發(fā)生自振蕩，然后測取振蕩周期與幅度，便可得出臨界增益與臨界周期。利用這兩個參數(shù)，根據(jù)Ziegler-Nichols方法，可得出PID參數(shù)，PID參數(shù)整定完畢后，此參數(shù)作為PID控制器Fuzzy校正的初值，并自動轉(zhuǎn)入PID參數(shù)Fuzzy校正控制。一般在系統(tǒng)初次投入時整定，并把整定值存入EEPROM中。
其中Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。
2.2.2PID參數(shù)實時Fuzzy校正
根據(jù)上述自整定得出的PID參數(shù)，當(dāng)輥道窯爐參數(shù)或工況發(fā)生變化時，系統(tǒng)的性能將下降，甚至無法滿足工藝要求，所以必須對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。目前較多地采用自校正PID算法，但這種方法是基于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，為此，我們采用模糊控制技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運行過程中的偏差絕對值及偏差的積累絕對值，對PID參數(shù)進(jìn)行實時校正，當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時，逐步調(diào)整值，使系統(tǒng)控制性能處于最優(yōu)狀態(tài)。的修正規(guī)則如下： （1）比例系數(shù)增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，因此在偏差大的情況下，要增大值。但是過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至不穩(wěn)定，因此在偏差小的情況下，要減小值。將偏差絕對值的模糊子集取為很大（VB）、大（B）、中（M）、小（S）和很?。╒S），的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則的修正量的Fuzzy控制規(guī)則如表1所示。其中，的基本論域為[0，10]，分為11個量化等級，即=｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝，的基本論域為[-0.5，+0.5]，分為11個等級即=｛-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，積分作用是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，加強(qiáng)積分作用（減?。┯欣跍p小穩(wěn)態(tài)誤差，但過強(qiáng)的積分作用會引起積分飽和，使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起振蕩。因此，在調(diào)節(jié)過程中的初期，即誤差的積累較小時，應(yīng)減弱積分的作用（加大）。而在調(diào)節(jié)過程的后期，即誤差累積較大時，應(yīng)加強(qiáng)積分作用（減小）。將誤差累積絕對值的模糊子集取為VB、B、M、S和VS，的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則的修正量的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示。其中，的基本論域為[0，10]，分為11個量化等級，即=｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝，的基本論域為[-5，+5]，分為11個量化等級即=｛-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統(tǒng)的動態(tài)性能，控制超調(diào)。對于變工況且不確定系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程的初期，即誤差的累積絕對值較小時，應(yīng)加強(qiáng)微分的作用（即增大），而在調(diào)節(jié)過程的后期，即誤差累積的絕對值較大時，應(yīng)減弱微分的作用（即減?。瑢⒌哪：蛹镻B、PS、O、NS、NB，則的修正量的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示。其中，的的基本論域為[-1，1]，分為11個量化等級即=｛-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。
智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，當(dāng)要整定參數(shù)時把開關(guān)打在T，參數(shù)整定完畢，切換到自動位置A，參數(shù)自調(diào)整控制器對控制對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。
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