火炸藥烘干過程中的溫度控制系統設計*

褚紅偉， 陳友興， 王召巴

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

火炸藥的制造和加工過程主要包括驅水、膠化、壓伸切斷、驅溶、鈍感、光澤等工序，烘干是驅溶工序的一個步驟[1]。現在火炸藥烘干一般以傳熱傳質理論為基礎，借鑒國內外民用干燥技術的先進手段，結合現有的火炸藥干燥技術和經驗，通過熱水和熱風進行烘干。由于火炸藥具有易燃易爆特性[2]，烘干溫度過高會引起安全隱患，溫度過低難以達到烘干效果，因此,烘干過程中熱水和熱風的溫度變化要嚴格遵循一定的工藝曲線。本文以某一火炸藥烘干系統為對象，研究烘干過程中的熱風和熱水溫度控制系統，針對具有非線性、大滯后、時變等特性的熱風系統，提出了自適應模糊PID控制策略，并進行了現場試驗，結果表明:此策略有較好的控制效果，滿足期望控制要求。

1 溫度控制系統設計

1.1 結構原理

火炸藥烘干系統是在傳統烘干技術的基礎上，改變了加熱方式，以水蒸汽為熱源對火炸藥進行烘干，系統主要由烘干機、鼓風機、加熱機、水槽、流量閥、旋振電機、熱風熱水管道及驅動裝置等組成，如圖1。

圖1 火炸藥烘干系統原理示意圖

如圖1所示，火炸藥加入烘干機，隨著旋振電機抖動，過程中利用熱水和熱風對火炸藥進行加熱，從而達到烘干的效果。其中，溫度控制系統包括熱水系統和熱風系統，溫度控制精度要達到±1 ℃。熱水系統是把一定量的水蒸汽灌入大容量水槽內對水進行加熱，由于水槽水量一定且為循環系統，通過控制流量閥開度(即控制水蒸汽流量大小)，可以較好地控制水溫，系統簡單易控，時變性小；熱風系統是用加熱機把一定量的水蒸汽和鼓風機鼓進的冷風相結合形成熱風，鼓風機鼓進均量冷風，通過控制水蒸汽流量閥開度，可以實現控制風溫的效果。

1.2 溫度控制方案

烘干系統的溫控部分主要通過計算機實現，計算機通過傳感器經過A/D采集獲得被控量的精確值，然后將定量與設定值比較得到偏差信號經過控制模塊轉換成精確的數字控制量，再經過D/A卡轉變成精確的模擬量控制流量閥開度，從而控制系統的水溫和風溫，溫度控制方案如圖2所示。其中，調節閥1調節水蒸汽流量控制風溫大小，調節閥2調節水蒸汽流量控制水溫大小。

據1.1節中闡述的熱水和熱風的加熱方式可知，熱水系統結構簡單易控，故可以采取傳統PID控制技術來控制水溫，而熱風系統是具有非線性、大滯后、時變性的復雜控制對象，本文選擇采用模糊—PID控制技術控制風溫。

2 熱水溫度控制系統

根據水循環的系統特性，采用傳統PID控制技術來控制熱水溫度[3,4]。同時，根據PID控制理論和智能閥控制過程特點，設計了以熱水溫度的偏差e和電流u作為輸出量的增量式PID控制器，其根據被控過程的特性和長時間的試驗經驗確定了PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。增量式PID控制算法程序框圖如圖3所示。

圖3 增量式PID控制算法程序框圖

系統的工作原理為：在連續化生產過程中，系統通過傳感器不斷采集熱水溫度值，并與期望的溫度值進行比較，得到溫度偏差值e，然后根據比例系數、積分時間和微分時間參數大小計算出控制量u來調整智能調節閥的開度，從而控制系統溫度穩定在允許的期望值變化范圍內。設定期望溫度為80 ℃，控制精度要達到±1 ℃，其溫度控制曲線如圖4所示。

圖4 傳統PID熱水溫度控制曲線

通過圖4可以看出:傳統PID熱水溫度控制曲線比較平穩，沒有大的波動，系統的超調量和穩定時間都較小，滿足系統控制要求。

3 熱風溫度控制系統

假如將傳統PID控制技術也應用到熱風控制系統中，設定期望溫度為75 ℃，根據理論和操作經驗選擇較合適的KP,TI和TD參數，經過現場多次試驗，經典溫度控制曲線如圖5所示。

圖5 傳統PID熱風溫度控制曲線

通過圖5可以看出：傳統PID溫度控制曲線波動較大，在經過20 min左右才能達到穩定值，系統波動浮動較大，穩定度低。由此本文采用模糊PID控制技術對系統熱風溫度進行控制，以期提高控制品質。

傳統的PID控制器，KP，TI，TD3個參數只能提前設定，且參數一旦設定，在溫度控制過程中無法進行自修正，從而系統難以達到控制要求。而自適應模糊PID算法是模糊控制與PID控制的綜合體，其利用計算機把調節經驗形式化、模型化，根據模糊推理和規則，輸出PID調節參數，實現了自適應PID控制[5,6]。其基本原理如圖6所示。

圖6 模糊PID控制的基本原理框圖

圖中模糊控制器的輸入變量為誤差e和誤差變化量ec，ΔKP,ΔTI和ΔTD為PID控制的3個參數。

根據模糊控制理論，設計了以溫度的偏差e和偏差變化量ec作為模糊控制的輸入量，ΔKP,ΔTI和ΔTD3個參數修正量作為模糊輸出量的模糊控制器。自適應模糊PID控制算法程序框圖如圖7所示。

圖7 模糊PID控制算法程序框圖

在烘干過程中，對于水溫和風溫的控制要求穩定性高，精度達到±1 ℃。e的基本論域為{-1，1}，量化論域為{-3，3}，則量化因子Ke=3/1=3；ec的基本論域為{-0.5，0.5}，即在一個采樣周期內溫度偏差變化控制在1 ℃范圍內，量化論域為{-5，5}，則量化因子Kec=5/0.5=10。

根據經驗選取比例系數ΔKP的基本論域為{-3，3}，其量化論域為{-3，3}，則量化因子為1；積分系數ΔTI的基本論域為{-0.03，0.03}，其量化論域為{3，3}，則量化因子為100；微分ΔTD的基本論域為{-0.01，0.01}，其量化論域為{-3，3}，則量化因子為300。

模糊量e,ec,ΔKP,ΔTI和ΔTD的隸屬函數選用三角形隸屬函數，模糊子集均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，根據模糊控制規則表可以得到自適應PID控制ΔKP,ΔTI和ΔTD[7]。

在連續化生產過程中，系統不斷采集傳感器的溫度值并與期望的溫度值進行比較得到溫度偏差e和溫度偏差變化量ec，根據模糊規則計算ΔKP,ΔTI和ΔTD，然后結合增量式PID算法計算出控制量u來調整智能調節閥的開度，從而控制系統溫度穩定在允許的期望值變化范圍內。為驗證系統的控制效果，傳統PID也進行了現場試驗，期望溫度均設定為75 ℃，溫度控制曲線如圖8所示。

圖8 模糊PID風溫控制曲線

通過傳統PID與模糊PID控制的試驗數據，將圖8和圖5中2種溫度控制曲線進行對比可知：傳統PID控制算法在經過20 min左右才能達到穩定值，而自適應模糊PID經過10 min左右達到穩定；常規PID超調量為3.4 %，而模糊PID超調量為1 %。自適應模糊PID控制超調量小，上升時間快，穩定時間短，系統的穩態性高，對于火炸藥烘干生產過程來說具有較強的適用性，全面改善了控制系統的靜態性能和動態性能。

4 結束語

本文火炸藥烘干過程中的溫度控制系統設計進行了研究，根據理論研究和現場試驗得到如下結論：1)水溫控制系統可以采取傳統PID進行控制，而對于具有非線性、大滯后、時變性的風溫控制系統，采用傳統PID控制技術控制效果不夠理想，而采用模糊PID進行控制，使得該設備在烘干關鍵條件(恒溫)方面取得了明顯的改善；2)該溫控系統控制精度高和穩定時間短，使得烘干效率提高，降低了能源消耗；3)模糊PID實現了參數自調整，從而改善了控制系統的靜態性能和動態性能，也為烘干系統在自動控制設計方面的發展提供了理論依據。

參考文獻:

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