模糊PID控制在粉末冶金真空爐溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用*

路 勇，王毅峰

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院，廣東 深圳 518055）

模糊PID控制在粉末冶金真空爐溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用*

路 勇，王毅峰

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院，廣東 深圳 518055）

在分析燒結(jié)爐加熱機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及爐溫控制系統(tǒng)的多種技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為控制核心，RS-485遠(yuǎn)程控制模塊作為輸入輸出接口，組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)并編制了基于模糊控制的PID控制算法，實(shí)際系統(tǒng)在高溫（700～1200℃之間的某個(gè)設(shè)定溫度）保溫階段，穩(wěn)態(tài)誤差小于1℃，滿足了企業(yè)對加熱系統(tǒng)控制效果的要求．

粉末冶金；PID；模糊控制；組態(tài)軟件；RS-485

隨著粉末冶金技術(shù)的迅速發(fā)展，對合金材料加工工藝的技術(shù)要求越來越高，用戶不僅希望能夠精確控制真空爐的燒結(jié)溫度，而且能夠希望按照產(chǎn)品所需的升溫曲線對溫度進(jìn)行控制[1]．因此，對粉末材料燒結(jié)溫度的計(jì)算機(jī)控制算法要求越來越高，對燒結(jié)過程中溫度的穩(wěn)定性也提出了更高的要求，同時(shí)對靜態(tài)跟蹤誤差及超調(diào)量都有更加嚴(yán)格的技術(shù)要求．為了避免高溫狀態(tài)下空氣中的氧氣等元素與金屬粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，粉末冶金的工藝要求粉末金屬材料要在真空環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)．由于加熱過程中，爐內(nèi)溫度要從室溫升高到最高1700℃左右[2]，隨著爐內(nèi)溫度大范圍的變化，被控對象的參數(shù)具有非線性、時(shí)變的特點(diǎn)，因此真空燒結(jié)爐溫度的準(zhǔn)確控制一直是一個(gè)難題．

由于市場上購買的溫度控制器不能滿足企業(yè)的要求，與我校合作的企業(yè)一直都采用人工觀察溫度，手動調(diào)節(jié)加熱電流的方法進(jìn)行控制．操作人員在加熱、保溫的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，不能離開操作現(xiàn)場，要不停的觀察溫度，調(diào)節(jié)控制量，誤差范圍在20℃左右，并且每次生產(chǎn)的溫度曲線都不一致，難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性．本文從實(shí)際真空燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的需要出發(fā)，通過反復(fù)實(shí)踐，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的PID控制算法，對模糊PID控制器參數(shù)整定方法在真空燒結(jié)爐的應(yīng)用研究進(jìn)行了有效的嘗試．

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文在PID和模糊控制算法研究及在現(xiàn)場反復(fù)測試被控對象的基礎(chǔ)上，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為核心運(yùn)算控制器，多種RS485遠(yuǎn)程控制模塊作為溫度檢測和接口電路，熱電偶作為傳感器，配合真空度測試儀獲得真空度參數(shù)，共同構(gòu)成真空燒結(jié)爐的溫度自動控制系統(tǒng)[3]，見圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖．由溫度傳感器檢測溫度值與設(shè)定溫度比較，然后經(jīng)過工控機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后，向D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出相應(yīng)的控制信號，D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出0～10V的電壓信號給加熱電源系統(tǒng)，控制加熱系統(tǒng)的電流，從而達(dá)到自動控制真空燒結(jié)爐爐內(nèi)溫度的目的．

本系統(tǒng)選用 RS485遠(yuǎn)程控制模塊作為接口器件，可以獲得比較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性．在實(shí)際應(yīng)用中把溫度檢測模塊就近安裝在真空爐爐體上，靠近熱電偶引出線法蘭的附近，既減少了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的長度，降低成本，又減少數(shù)據(jù)傳遞過程中外界對熱電偶檢測電壓的干擾，提高了控制精度，如圖2所示．

根據(jù)燒結(jié)材料的溫度特性，可以選配不同的熱電偶，K型熱電偶的測量范圍是0～1200℃；B型熱電偶的測量范圍是600～1700℃．如果燒結(jié)材料的熔點(diǎn)在1200℃以下，建議采用K型熱電偶，如果燒結(jié)材料的熔點(diǎn)高于1200℃，低于1700℃，建議采用B型熱電偶，但是需要對RS485模擬量輸入模塊進(jìn)行與之對應(yīng)的設(shè)置，設(shè)為與實(shí)際熱電偶對應(yīng)的參數(shù)．

由于真空爐內(nèi)外壓力差比較大，對爐體密封性要求比較高，熱電偶從爐內(nèi)的引出線可以采用法蘭連接，但需要在法蘭內(nèi)外側(cè)都增加隔熱棉，用于消除由于法蘭內(nèi)外溫差帶來的測量誤差．

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 實(shí)際系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 模糊控制算法

由于粉末冶金燒結(jié)爐的溫度范圍從室溫狀態(tài)下升溫開始，最高溫度可以接近1700℃，在不同的溫度段，被控對象的熱慣性和時(shí)間常數(shù)都有較大的變化．如果采用傳統(tǒng)PID控制技術(shù)，只有一組PID控制參數(shù)，溫度控制效果會有較大的偏差．因此，需要采用模糊控制，在不同的溫度階段采用不同的PID參數(shù)，以達(dá)到在整個(gè)溫度區(qū)間都具有理想的溫度控制效果[4]．真空燒結(jié)爐溫度控制最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是加熱過程的高溫保溫階段，在此階段工藝要求溫度長時(shí)間保持穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)恒溫加熱的要求，所以對此階段超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差要求都比較高．由于真空燒結(jié)爐在各個(gè)溫度階段的特性參數(shù)都不相同，在低溫階段，升溫很快，降溫很慢；在高溫環(huán)節(jié)，升溫很慢，降溫很快．如果在整個(gè)階段都采用一套PID參數(shù)進(jìn)行控制，達(dá)不到加工工藝要求的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差的要求[1]．因此，我們以100℃為間隔進(jìn)行多次加熱實(shí)驗(yàn)，獲得各個(gè)溫度段最佳的PID控制參數(shù)．并且在設(shè)定溫度值的-20℃，-10℃，-5℃，-2℃，+2℃，+5℃，+10℃，+20℃各個(gè)范圍對PID控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，并且考慮即使是同一溫度時(shí)，溫度上升時(shí)和溫度下降時(shí)需要采用不同參數(shù)的控制策略．根據(jù)以上原則，得到模糊控制的比例Kp參數(shù)列表見表1．“E”表示溫度差，例如：“-20”表示溫度低于設(shè)定值20℃，“+20”表示溫度高于設(shè)定值20℃，依此類推；“E’”表示溫度變化趨勢，例如：“+”表示升溫階段，“-”表示降溫階段．

與此對應(yīng)，還要確定在各個(gè)溫度階段相應(yīng)的Ti、Td參數(shù)列表，在此不再一一列舉．以上參數(shù)確定后，依據(jù)確定的參數(shù)進(jìn)行編程，即可實(shí)現(xiàn)模糊PID控制．程序編制完成后，需要在真空爐上進(jìn)行實(shí)際調(diào)試工作，在調(diào)試過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)溫度階段的控制效果，對Kp、Ti、Td等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最優(yōu)的溫控效果．

在保溫階段參數(shù)確定后，無論是高溫保溫階段還是低溫保溫階段的參數(shù)其實(shí)都可以通過查詢參數(shù)表獲得．而升溫與降溫階段可以視為給定溫度按照一定斜率變化的保溫階段，由程序來自動選擇相應(yīng)的參數(shù)．經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，只要溫度變化的斜率在允許范圍內(nèi)，升溫階段和降溫階段的溫度控制精度都可以滿足工藝要求．

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)主要是遵循文獻(xiàn)[1]的溫控工藝曲線要求來進(jìn)行的．由于金屬粉末需要在高溫下進(jìn)入熔融狀態(tài)，但是在高溫狀態(tài)下金屬粉末容易與空氣中的多種化學(xué)成分產(chǎn)生反應(yīng)，因此，必須要保證在一定真空度的狀態(tài)下才能夠加熱到金屬的熔點(diǎn)溫度[5]．同時(shí)需要把金屬粉末放到模具里，并加上一定的壓力以保證金屬粉末在加熱融化后按照要求成型，同時(shí)，在加熱過程中會有氣體從粉末金屬混合體內(nèi)析出，所以在整個(gè)加熱過程中要對真空爐的真空度和加熱過程中對模具施加的壓力同時(shí)監(jiān)測和控制．根據(jù)工藝要求繪制了如圖3所示的軟件流程圖，根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)主控程序．

軟件采用組態(tài)軟件編程，由于溫度控制過程比較慢，采樣周期設(shè)為3s，每個(gè)周期首先對當(dāng)前溫度進(jìn)行采集，然后進(jìn)入主程序，判斷系統(tǒng)現(xiàn)在所處的階段，例如是升溫階段，還是保溫階段，據(jù)此算出當(dāng)前的溫度期望值．期望值和當(dāng)前溫度的偏差就是我們進(jìn)行模糊PID控制的數(shù)據(jù)來源，根據(jù)當(dāng)前溫度值和溫度偏差的大小，通過查表獲得相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行PID算法計(jì)算，從而得出當(dāng)前的控制量．只要模糊控制表的參數(shù)設(shè)計(jì)合理，就可以保證從室溫到 1700℃范圍內(nèi)取得理想的控制效果．

表1 模糊控制PID參數(shù)表

4 控制效果

1）采用自動控制后升溫時(shí)間比以前減少了約0.5 h，并且基本不需要工作人員監(jiān)控，完全自動控制，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率．

圖3 軟件流程圖

2）以前降溫過程比較長，基本上完成一次加熱過程后開始降溫，到可以打開爐門的溫度時(shí)都到深夜了，基本上都是下班后一直開著真空泵等設(shè)備降溫，第二天上班時(shí)關(guān)閉真空泵，能源浪費(fèi)嚴(yán)重．實(shí)行自動控制后，等到降到設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)就可以自動關(guān)閉真空泵，停止一切電氣設(shè)備和冷卻設(shè)備，不僅節(jié)約資源，還減少了很多安全隱患．

3）系統(tǒng)可以按照設(shè)定時(shí)間間隔自動記錄各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度和控制參數(shù)，減少了人工記錄的工作負(fù)擔(dān)和人工記錄的不確定性，并且可以自動生成圖表和詳細(xì)記錄表，便于隨時(shí)查詢分析．

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試投入運(yùn)行后，通過2個(gè)月約30次的實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)超調(diào)低于2℃，穩(wěn)態(tài)誤差＜1℃，效果超過用戶期望和設(shè)計(jì)預(yù)期．

[1] 張麗萍，馬立新，金珍珍．模糊自適應(yīng)PID爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．熱加工工藝，2012，41（14）： 234-236．

[2] 陳焰，張礦偉，趙曉俠，等．模糊參數(shù)自整定PID控制算法在真空冶煉中的應(yīng)用[J]．真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，34（5）：528-532．

[3] Esfandyari M， Fanaei MA，Zohreie H. Adaptive Fuzzy Tuning of PID Controllers[J]. Neural Computing and Applications, 2013，23（1）：19-28．

[4] 張強(qiáng)，梁秀霞，趙羽佳，等．基于模糊自整定PID的連續(xù)退火爐溫度控制系統(tǒng)[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014（8）：29-31．

[5] 代強(qiáng)．基于模糊PID的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014（11）：72-73．

Abstract: After analyzing the structure of the sintering furnace heating system and various technical schemes of the furnace temperature control system, the paper introduces a control method which uses industrial personal computer as control unit, RS-485 remote-control module as the input and output interface devices, and SCADA( Supervisory Control and Data Acquisition) as HMI(Human Machine Interface ) programming software. PID control algorithm based on fuzzy control is designed and programmed. In the high temperature preservation stage (setting temperature between 700-1200℃), the steady-state error of actual system is less than 1℃ centigrade, which satisfies the requirement of heating system control.

Key words: powder metallurgy; PID; fuzzy control system; SCADA; RS-485

Application of Fuzzy PID Algorithm on Powder Metallurgy Vacuum Sintering Furnace Temperature Control System

LU Yong, WANG Yifeng
（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

TP273

A

1672-0318（2017）05-0038-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.05.007

2017-06-12

*項(xiàng)目來源：“佛山市鉅仕泰粉末冶金有限公司”橫向委托項(xiàng)目

路勇（1966-），男，河南省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)電氣自動化．