CN101078914A - 熔炉智能控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种熔炉智能控制系统，该控制系统包括温度测量单元、信号处理单元、执行单元以及人机交互界面，所述温度测量单元用于测量熔炉的当前温度值T；所述信号处理单元用于接收所述温度测量单元测得的熔炉当前温度值T并根据该温度向所述执行单元发出控制命令；所述执行单元接收所述信号处理单元的控制命令，并根据该控制命令来控制熔炉加热与否；人机交互界面与所述信号处理单元连接，用于向用户显示熔炉的过程参数，接收用户输入从而改变该智能控制系统的工作参数。该智能控制系统控制精度较高，人机交互性好，环境适应性强，可大幅度提高产品质量。

Description

熔炉智能控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其是涉及一种用于热室压铸机熔炉的智能控制系统和方法。

背景技术

熔炉是热室压铸机的重要组成部分，其控制性能的好坏对产品质量有重大影响。由于温度控制具有非线性、大惯性等特点，而且熔炉在使用过程中易受诸如加料、电网电压波动等随机因素和恶劣现场环境下频繁的震动、电磁干扰的影响，传统的控制方法和设备存在控制精度较低、人机交互性差、环境适应性不强的缺点，在压铸机熔炉温度控制系统中很难取得理想的控制效果。

发明内容

本发明的目的是克服传统技术中控制精度较低、人机交互性差、环境适应性不强的缺点，提供一种熔炉的智能控制系统和方法。

为实现上述目的，提供一种熔炉智能控制系统，该控制系统包括温度测量单元、信号处理单元、执行单元以及人机交互界面，所述温度测量单元用于测量熔炉的当前温度值T；所述信号处理单元用于接收所述温度测量单元测得的熔炉当前温度值T并根据该温度向所述执行单元发出控制命令；所述执行单元接收所述信号处理单元的控制命令，并根据该控制命令来控制熔炉加热与否；人机交互界面与所述信号处理单元连接，用于向用户显示熔炉和过程参数，接收用户输入从而改变该智能控制系统的工作参数。

本发明还提供一种熔炉智能控制方法，该控制方法包括温度测量步骤、信号处理步骤、执行步骤以及参数输入/输出步骤，在所述温度测量步骤，测量熔炉的当前温度值T；在所述信号处理步骤，接收在温度测量步骤测得的熔炉当前温度值T并根据该温度生成控制命令；在执行步骤，接收在所述信号处理步骤生成的控制命令，并根据该控制命令控制熔炉的加热时间；在参数输入/输出步骤，向用户提供熔炉的过程参数，接收用户输入从而改变该智能控制方法中的工作参数。

由于采用了多种算法来实现不同情况下的加热，使得本发明提供的熔炉智能控制系统及方法能够提高熔炉控制精度，增强环境适应性，提高产品质量，人机交互界面的使用使得本发明具有良好的人机交互性。

附图说明

图1为根据本发明的熔炉智能控制系统的组成框图；

图2为根据本发明优选实施方式的信号处理单元的结构框图；

图3为根据本发明优选实施方式的熔炉智能控制系统的结构框图；

图4为根据本发明的熔炉智能控制方法的示意图；

图5为根据本发明优选实施方式的熔炉智能控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供的熔炉智能控制系统包括：温度测量单元100、信号处理单元200、执行单元300以及人机交互界面400，为方便理解，图1中还包括了熔炉900，其中，所述温度测量单元100用于测量熔炉900的当前温度值T；所述信号处理单元200用于接收所述温度测量单元100测得的熔炉当前温度值T并根据该温度向所述执行单元300发出控制命令；所述执行单元300接收所述信号处理单元200的控制命令，并根据该控制命令来控制对熔炉900中金属熔液的加热速度；人机交互界面400与所述信号处理单元200连接，用于向用户显示熔炉的过程参数，并接收输入的控制系统的工作参数。

所述温度测量单元100可以选用任何适合的温度传感器，但由于该传感器需要测量的温度较高，因此优选情况下，如图3所示，所述温度测量单元100包括多个双头热电偶110和热电偶模块120(例如西门子公司的EM231)，二者通过补偿导线(未示出)连接。所述双头热电偶110可以测量熔炉中处于不同位置的金属熔液(例如镁熔液)的温度，而且可以测量熔炉中坩埚内壁和外壁的温度，这样可以防止由于金属熔液受热不均或者坩埚内外壁受热不均引起的安全因素和产品质量问题，从而提高系统的可靠性。该双头热电偶110通过补偿导线与所述热电偶模块连接，通常情况下，补偿导线用于热电偶和二次仪表间的信号传输，能够消除热电偶冷端温度变化引起的测量误差，保证仪表对介质温度的精确测量，适用于电力、冶金、石油、化工、轻纺等工业及国防、科研部门自动化测温仪表的单点或多点连接，由于这对于本领域技术人员来说是常用的技术，因此这里将不再详细描述。所述热电偶模块120将双头热电偶感测到的温度转换成数字量，然后将其发送到信号处理单元200中。

所述信号处理单元200接收来自温度测量单元100转换的温度信号数字量，并对其进一步处理。根据本发明，如图2所示，所述信号处理单元200包括：存储器210、PWM控制信号发生器220、升温定时器(未示出)、比较器240、P控制器250以及模糊控制器260。其中，所述存储器210用于存储所述温度测量单元100感测的当前温度值T和过程参数；所述PWM控制信号发生器220用于生成PWM控制信号以控制所述执行单元300，根据PWM控制信号占空比的不同，可以调节执行单元300的加热功率；所述升温定时器(未示出)用于设定升温段时长；所述P控制器250用于执行P算法，以控制PWM控制信号发生器220生成的PWM信号的占空比，P算法也称为比例算法，该算法的响应特性曲线较陡，过渡时间较短，也就是说能够使升温速度较快，但该算法用于控制大滞后对象时容易引起系统震荡；所述模糊控制器260用于执行模糊算法，以控制PWM控制信号发生器生成的PWM信号的占空比，该算法可以减小系统超调，缩短调节时间，提高系统的鲁棒性；所述比较器240用于比较存储器210中存储的当前温度值T和计算出的当前目标温度T_K，所谓当前目标温度T_K，是指在每个升温段开始时的当前温度值T与每个升温段时长内要求升高的温度之和，例如，生产中需要将金属从当前温度(如常温)升高到设定温度630度，但通常的加热设备仅能提供每小时几十度的升温速度，或者有时为了防止由于升温过快导致受热不均引起坩埚变形，可以在当前温度到设定温度630度之间划分若干升温段(升温段数目可变，主要取决于升温速度的大小)，每一段有个目标温度(称为当前目标温度T_K)，譬如，所述升温定时器设定的升温段时长为1小时，第一个升温段开始时熔炉温度为a度，该升温段内要求增加的温度为h度，则表明经过1小时之后熔炉的温度要从a度升到(a+h)度；同理，在第二个升温段开始时，熔炉的温度为(a+h)度，在第二个升温段结束时，熔炉的温度应该为(a+2h)，以此类推。而且升温速度h可以随时通过人机交互界面修改。在进行控制时，如果当前温度值T和当前目标温度T_K之间的偏差大于预设值(例如20度)，则利用P控制器250执行P算法，使该控制系统能够全功率加热，迅速减少偏差以提高系统的响应速度，通常情况下，在升温阶段每个循环周期开始时切换到该算法；如果当前温度值T和当前目标温度T_K的偏差小于该预设值(例如20度)，则切换到模糊控制器260执行模糊算法，以提高系统的鲁棒性，防止温度过分升高。需要说明的是，图2中的开关K1和K2仅表示用于切换控制器(P控制器和模糊控制器)的虚拟开关，并不表示在物理上一定存在这些开关，而且，图2仅仅显示了一个升温段内的操作，因此未显示所述升温定时器。

通过上面的描述，本领域技术人员可以理解，执行P算法的P控制器的输入为当前温度值T和当前目标温度T_K之间的偏差，其输出能够控制PWM控制信号的占空比。该P控制器可以由微处理器，数字信号处理器DSP或可编程控制器PLC来实现，本领域技术人员可以根据要实现的目标，调节P算法的相关参数。这里不再详述。

下面详细描述模糊算法。

根据本发明，如图2所示，所述模糊控制器260包括微分模块261、模糊量化模块262、查表模块263以及解模糊模块264，其中，所述微分模块261用于接收当前温度值T和当前目标温度T_K之间的偏差X，对该偏差X进行相对于时间的微分运算，也就是计算两个相邻采样点的差，从而生成偏差变化量Y；所述模糊量化模块262用于接收当前温度值T与当前目标温度T_K之间的偏差X，以及所述微分模块261生成的偏差变化量Y，并对所述偏差X和偏差变化量Y进行模糊量化；所述查表单元263用于根据预先存储的查找表(可以通过离线的方式计算出该查找表)，通过模糊推理，结合偏差X和偏差变化量Y的存储方式计算出模糊控制量的存储地址，并从该地址中读出要求的模糊控制量Z；所述解模糊模块264用于对从查表模块中读出的模糊控制量Z进行解模糊，将模糊控制量Z变换成能直接输出的确定值，调节PWM控制信号的占空比，进而对所述执行单元300进行控制。

根据本发明，所述模糊量化模块262可以利用将所述偏差和/或偏差变化量进行非线性量化，由于该方法对于本领域技术人员来说很容易理解，因此这里将不再详述。

优选情况下，所述非线性量化的隶属度函数采用重叠性和重叠鲁棒性较好的三角形。当然，也可以采用梯形函数。

根据本发明，为了通过离线的方式得到所述查表模块263中的查找表，需要确定如下参数：当前温度值T和当前目标温度T_K的偏差X的模糊论域X1；偏差变化量Y的模糊论域Y1；以及，模糊控制量Z的模糊论域Z1。举例来说，偏差X可以采用的模糊论域为X1{0，1，2，3，...，m-1}共m个级别，偏差变化量Y采用的模糊论域为Y1{0，1，2，3，...，n-1}共n个级别，模糊控制量Z采用的模糊论域为Z1{0，1，2，3，...，f-1}共f个级别，这样就可以结合存储方式计算出模糊控制量Z的地址。之所以要结合存储方式，是因为需要存储的模糊控制表是一个m×n维的数组，而在存储的时候要将其转换成一维数组，故可以有按行或列依次存储两种方式，当按行存储时，可以利用m×X1+Y1来计算模糊控制量Z的地址，当按列存储时，可用利用n×Y1+X1来计算模糊控制量Z的地址，m和n的数值可以根据实际情况进行选择，例如可以选择m＝13，n＝7，当然，输出量的模糊论域Z也可以根据实际情况选用不用的范围，例如f＝15。这种计算对比本领域技术人员来说是一般的常识，这里将不再详述。

根据本发明的优选实施方式，所述查找表对应的模糊推理采用“IF......AND......THEN......”规则。

根据本发明，所述解模糊模块264采用常用的，控制效果比较平滑的重心法。

优选情况下，如图2所示，本发明的信号处理单元200进一步包括PI控制器270，用于在熔炉温度接近设定温度(即所要求达到的最终温度)时，控制PWM控制信号的占空比，消除稳态误差。所谓“接近”设定温度，是指当前温度值T和设定温度之间的偏差小于某一预设值(例如3度)，对于本领域技术人员来说，可以很容易地选择合适的温度以切换到PI控制器270执行PI算法。从上述的描述可以看出，所述PI控制器270仅在需要保温(当前温度接近设定温度)时起作用，它使达到设定温度的熔炉保持在一个相对稳定的温度范围内。图中的K3表示切换到PI算法的虚拟开关。

根据本发明，可以利用可编程控制器PLC来实现上述信号处理单元200的功能，例如西门子CPU224DC/DC/DC。可以利用该PLC的模拟量存储单元AIW0、AIW2、AIW4以及AIW6来存储温度感测单元100测量的熔炉各部位的温度，从而实现了存储器210的功能。

根据本发明，可以利用该PLC内部分辨率为1ms的定时器(未示出)构成振荡电路，并令该振荡电路的振荡周期等于PWM控制信号的周期，该振荡电路与比较指令配合使用可以实现PWM控制信号的输出，从而实现了PWM控制信号发生器220的功能。

根据本发明，可以利用PLC内部分辨率为10ms的定时器(未示出)和计数器(未示出)配合构成振荡周期为1h的振荡电路，其周期作为升温分段的依据，从而实现了升温定时器的功能。

实际上，P算法可以看作是PI算法的一种特例，也就是说当参数T_I无穷大的时候，P算法就成为PI算法，该参数T_I可以通过人工设定，也可以通过子程序根据情况自动设定。根据本发明，可以利用PLC提供的PID指令来方便的实现P算法和PI算法，为了兼顾P和PI两种算法，可以编写带参数传递的用于修改PID回路控制表中K_p，T_I，T_D等参数的子程序，输出的控制信号可以通过特定的端口输出，例如CPU224 DC/DC/DC的端口Q0.0和Q0.1，这样就实现了P控制器250和PID控制器270的功能。由于这种编程对于普通技术人员来说很容易实现，因此这里将不再详述。

根据本发明，可以利用PLC的间接寻址功能来进行查表，以上文中已提到的偏差X的模糊论域X1和偏差变化量Y的模糊论域Y1为例，可以直接计算出存储模糊控制量Z(用于控制PWM控制信号的占空比)的偏移地址，例如13×X1+Y1，再将偏移地址和查找表首地址(也就是存放通过离线计算得到的查找表的起始单元的地址)相加得到对应控制量的绝对地址。利用间接寻址指令取出相应的控制量后将其乘以事先确定好的比例因子，取整后经比较指令(与PWM控制信号的周期比较)可以直接输出(例如通过CPU224 DC/DC/DC的端口Q0.0和Q0.1)。这样就实现了模糊控制器260的功能。

下面结合图3对执行单元300进行描述。

所述执行单元300包括隔离驱动器310、固态继电器320以及加热管330，其中，所述隔离驱动器310与所述信号处理单元200连接，用于根据信号处理单元200输出的控制信号驱动所述固态继电器320；所述固态继电器320在所述隔离驱动器310的驱动下控制加热管330是否加热；所述加热管330置于熔炉中给金属熔液加热。

根据本发明，所述隔离驱动器310为两个小功率固态继电器，用于电气隔离和功率放大，所述固态继电器320为六个大功率固态继电器(分为两组)，连接在市电线路或工业交流电线路上。显然，对于本领域技术人员来说，采用合适的固态继电器和对固态继电器进行合理布局是常识性的，这里将不再详述。

根据本发明，如图3所示，所述人机交互界面400可以用于文本或图形的显示，向用户显示熔炉的过程参数，包括当前温度、当前加热时间、当前运行算法等，并且可以接收用户的输入，改变系统的工作参数，包括升温速度、升温段时长、设定温度等。当然，上述的过程参数和工作参数并不上述示例的局限，本领域技术人员可以根据需要来设定需要显示的过程参数和需要设定的工作参数，例如所述过程参数还可以包括警报信号等，所述工作参数还可以包括坩埚保护温度和通入保护气体的温度等。可以理解，某些参数既是过程参数，也可以归于系统的工作参数这里不再详述。人机交互界面400可以有多种选择，例如西门子TD 200，也可以选用配套的触摸屏。

优选情况下，如图3所示，本发明提供的熔炉智能控制系统还包括蜂鸣器500，用于在系统非正常工作时发出报警信号。此外，本发明提供的智能控制系统能够在坩埚漏夜(由安装在熔炉底部的两根电极和液位继电器来检测坩埚是否漏液)、温差太大或者其他非正常工作状态时使系统停止工作，从而保证整个熔炉的安全。

根据本发明的另一方面，还提供一种熔炉智能控制方法，如图4所示，该控制方法包括温度测量步骤1000、信号处理步骤2000、执行步骤3000以及参数输入/输出步骤4000，在所述温度测量步骤1000，测量熔炉的当前温度；在所述信号处理步骤2000，接收在温度测量步骤1000测得的熔炉当前温度并根据该温度生成控制命令；在执行步骤3000，接收在所述信号处理步骤2000生成的控制命令，并根据该控制命令控制熔炉的加热；在参数输入/输出步骤4000，向用户提供熔炉的过程参数，接收用户输入从而改变该智能控制方法中的工作参数。

在所述温度测量步骤1000，可以选用任何适合的温度传感器，但由于该传感器需要测量的温度较高，因此优选情况下，可以选用双头热电偶和热电偶模块(例如西门子EM231)来测量温度，二者通过补偿导线连接。所述双头热电偶可以测量熔炉中处于不同位置的金属熔液(例如镁熔液)的温度，而且可以测量熔炉中坩埚内壁和外壁的温度，这样可以防止由于金属熔液受热不均或者坩埚内外壁受热不均引起的安全因素和产品质量问题，从而提高系统的可靠性。该双头热电偶通过补偿导线与所述热电偶模块连接，通常情况下，补偿导线用于热电偶和二次仪表间的信号传输，能够消除热电偶冷端温度变化引起的测量误差，保证仪表对介质温度的精确测量，适用于电力、冶金、石油、化工、轻纺等工业及国防、科研部门自动化测温仪表的单点或多点连接，由于这对于本领域技术人员来说是常用的技术，因此这里将不再详细描述。所述热电偶模块接收双头热电偶感测到的模拟信号，将其转换成数字量后送到信号处理步骤2000进一步处理。

在所述信号处理步骤2000，接收在温度测量步骤1000得到的温度数字量，并对其进一步处理。根据本发明，如图5所示，所述信号处理步骤2000包括：存储步骤2100、升温定时步骤(未示出)、比较步骤2400、P算法控制步骤2500、模糊算法控制步骤2600以及PWM信号控制步骤2800。其中，在所述存储步骤2100，存储由所述温度测量步骤1000感测到并经过处理的当前温度值T；在所述升温定时步骤，设定升温段时长；在所述P算法控制步骤2500，执行P算法，以控制PWM信号的占空比，P算法也称为比例算法，该算法的响应特性曲线较陡，过渡时间较短，也就是说能够使升温速度较快，但该算法用于控制大滞后对象时容易引起系统震荡；在所述模糊算法控制步骤2600，执行模糊算法来控制PWM控制信号的占空比，该算法可以减小系统超调，缩短调节时间，提高系统的鲁棒性；在所述比较步骤2400，比较在存储步骤2100存储的当前温度值T和预设的当前目标温度T_K，所谓当前目标温度T_K，是指在每个升温段开始时的当前温度值T与每个升温段时长内要求增加的温度之和，例如，生产中需要将金属从当前温度(如常温)升高到设定温度630度，但通常的加热设备仅能提供每小时几十度的升温速度，或者有时为了防止由于加热升温过快导致受热不均而引起坩埚变形，可以在当前温度到设定温度630度之间划分若干升温段，每一段有个目标温度(称为当前目标温度T_K)，譬如，所述升温定时器设定的升温段时长为1小时，第一个升温段开始时熔炉温度为a度，该升温段内要求升高的温度为h度，则表明经过1小时之后熔炉的温度要从a度达到(a+h)度；同理，在第二个升温段开始时，熔炉的温度为(a+h)度，而在第二个升温段结束时，熔炉的温度应该为(a+2h)度，以此类推。在进行控制时，如果当前温度值T和当前目标温度T_K之间的偏差大于预设值(例如20度)，则转到P算法控制步骤2500执行P算法，使该控制系统能够全功率加热，迅速减少偏差以提高系统的响应速度，通常情况下，在升温阶段每个循环周期开始时切换到该算法；如果当前温度值T和当前目标温度T_K的偏差小于该预设值(例如20度)，则转到模糊算法控制步骤2600执行模糊算法，以提高系统的鲁棒性，防止温度过分升高；在所述PWM信号控制步骤2800，由相应的算法来控制PWM的占空比。需要注意的是，图5仅仅显示了在一个升温段内的操作，因此并未显示所述升温定时步骤。

通过上面的描述，本领域技术人员可以理解，在执行P算法的P算法控制步骤，输入为当前温度值T和当前目标温度T_K之间的偏差，其输出能够控制PWM控制信号的占空比。可以由微处理器，数字信号处理器DSP或者可编程控制器PLC来实现该P算法控制步骤，本领域技术人员可以根据要实现的目标，调节P算法的相关参数，这里不再详述。

下面详细描述模糊算法。

根据本发明，如图5所示，所述模糊算法控制步骤2600包括微分步骤2610、模糊量化步骤2620、查表步骤2630以及解模糊步骤2640，其中，在所述微分步骤2610，接收当前温度值T和当前目标温度T_K之间的偏差X，对该偏差X进行相对于时间的微分运算，也就是计算两个相邻采样点的差，从而生成偏差变化量Y；在所述模糊量化步骤2620，接收当前温度值T与当前目标温度T_K之间的偏差X，以及在所述微分步骤2610生成的偏差变化量Y，并对接收到的偏差X和偏差变化量Y进行模糊量化；在所述查表步骤2630，根据预先存储的通过离线计算得到的查找表，通过模糊推理，结合偏差X和偏差变化量Y的存储方式计算出模糊控制量Z的存储地址，并从该存储地址中读出所要求的模糊控制量Z；在所述解模糊步骤2640，对查表步骤中读出的模糊控制量Z进行解模糊，将模糊控制量Z变换成能直接输出的确定值，调节PWM控制信号的占空比。

根据本发明，在所述模糊量化步骤2620，可以利用将输入量与预设阈值相比较的方法进行非线性量化，由于该方法对于本领域技术人员来说很容易理解，因此这里将不再详述。

优选情况下，所述非线性量化的隶属度函数选用重叠性和重叠鲁棒性较好的三角形。当然，也可以选用常用的梯形函数。

对于如何获得查找表，上文已进行过详细的描述，这里将省略该描述。

根据本发明，优选情况下，在该查表步骤2630，对应的模糊推理采用常用的“IF......AND......THEN......”规则。

根据本发明，在所述解模糊步骤2640，可以采用常用的控制效果比较平滑的重心法进行解模糊处理。

优选情况下，如图5所示，本发明的信号处理步骤2000进一步包括PI算法控制步骤2700，在该步骤，当熔炉温度接近设定温度(即所要求达到的最终温度)时，控制PWM控制信号的占空比，消除稳态误差。所谓“接近”设定温度，是指当前温度值T和设定温度之间的偏差小于某一预设值(例如3度)。对本领域技术人员来说，可以很容易地选择合适的温度以切换到PI控制器执行PI算法。从上述的描述可以看出，所述PI算法控制步骤2700仅在需要保温(当前温度接近设定温度)时起作用，它使达到设定温度的熔炉保持在一个相对稳定的温度范围内。在具有PI算法控制步骤2700的时候，所述比较步骤2400还要进一步比较当前温度和设定温度之间的偏差，如图5所示。

根据本发明，可以利用可编程控制器PLC来实现上述信号处理步骤2000所要执行的功能，例如西门子CPU224 DC/DC/DC。可以利用该PLC的模拟量存储单元AIW0、AIW2、AIW4以及AIW6来存储温度感测步骤1000感测到的且经过处理的各部位的温度，从而实现了在存储步骤2100所要执行的功能。

根据本发明，可以利用该PLC内部分辨率为1ms的定时器构成振荡电路，并令该振荡电路的振荡周期等于PWM控制信号的周期，该振荡电路与比较指令配合使用可以实现PWM控制信号的输出，从而实现了在PWM控制信号发生步骤2200所要执行功能。

根据本发明，可以利用PLC内部分辨率为10ms的定时器和计数器配合构成振荡周期为1h的振荡电路，其周期作为升温分段的依据，从而实现了在升温定时步骤所要执行的功能。

根据本发明，可以利用PLC提供的PID指令很方便的实现P算法和PI算法，为了兼顾P和PI两种算法，可以编写带参数传递的用于修改PID回路控制表中K_p，T_I，T_D等参数的子程序，输出的控制信号可以通过特定的端口输出，例如CPU224 DC/DC/DC的端口Q0.0和Q0.1，这样就实现了在P算法控制步骤2500和PI算法控制步骤2700所要执行的功能。由于这种编程对于普通技术人员来说是很容易实现的，因此这里将不再详述。

根据本发明，可以利用PLC的间接寻址功能进行查表，以上文中已提到的偏差X的模糊论域X1和偏差变化量Y的模糊论域Y1为例，可以直接计算出存储模糊控制量Z(控制PWM控制信号的占空比)的偏移地址为13×X1+Y1，再将偏移地址和查找表首地址相加得到对应控制量的绝对地址。利用间接寻址指令取出相应的控制量后将其乘以事先确定好的比例因子，取整后经比较指令(与PWM控制信号的周期比较)后可以直接输出(例如通过CPU224 DC/DC/DC的端口Q0.0和Q0.1)。这样就实现了在模糊算法控制步骤2600所要执行的功能。

下面结合图3对执行步骤3000进行描述。

在所述执行步骤3000，如图3所示，可以利用隔离驱动器310、固态继电器320以及加热管330对熔炉进行控制，其中，所述隔离驱动器310接收在所述信号处理步骤2000生成的控制信号，根据此控制信号来驱动所述固态继电器320；所述固态继电器320在所述隔离驱动器310的驱动下控制加热管330是否加热；所述加热管330置于熔炉中给金属熔液加热。

根据本发明，所述隔离驱动器310为两个小功率固态继电器，用于电气隔离和功率放大，所述固态继电器320为六个大功率固态继电器(分为两组)，连接在市电线路或工业交流线路上。

根据本发明，在所述参数输入/输出步骤4000，可以提供文本或图形的显示，向用户显示熔炉的过程参数，并且可以接收用户的输入，改变系统运行的参数。可以利用诸如西门子TD200或配套的触摸屏来实现所述参数输入/输出步骤4000。

优选情况下，本发明提供的熔炉智能控制系统还包括声音报警步骤5000，用于在系统非正常工作时发出报警信号，可以利用蜂鸣器来实现该功能。此外，本发明提供的智能控制系统能够在坩埚漏液、温差太大或者其他非正常工作状态时使系统停止工作，从而保证整个熔炉的安全。

Claims (23)

1.一种熔炉智能控制系统，该控制系统包括温度测量单元、信号处理单元、执行单元以及人机交互界面，所述温度测量单元用于测量熔炉的当前温度值T；所述信号处理单元用于接收所述温度测量单元测得的熔炉当前温度值T并根据该温度值T向所述执行单元发出控制命令；所述执行单元接收所述信号处理单元的控制命令，并根据该控制命令控制熔炉加热与否；人机交互界面与所述信号处理单元连接，用于显示熔炉的过程参数，并接收输入的控制系统的工作参数。

2.根据权利要求1所述的智能控制系统，其中，所述温度测量单元包括多个双头热电偶和热电偶模块，二者通过补偿导线连接。

3.根据权利要求1所述的智能控制系统，其中，所述信号处理单元包括：存储器、PWM控制信号发生器、升温定时器、比较器、P控制器以及模糊控制器；所述存储器用于存储所述温度测量单元感测的当前温度值T；所述PWM控制信号发生器用于生成PWM控制信号以控制所述执行单元；所述升温定时器用于设定升温段时长；所述P控制器用于执行P算法，以控制PWM控制信号发生器生成的PWM信号的占空比；所述模糊控制器用于执行模糊算法，以控制PWM控制信号发生器生成的PWM信号的占空比；所述比较器用于比较一升温段内的当前目标温度值T_K和存储器中存储的该升温段内的当前温度值T，如果当前温度值T和当前目标温度值T_K之间的偏差X大于预设值，则利用P控制器执行P算法，如果当前温度值T和目标温度的偏差X小于该预设值，则利用模糊控制器执行模糊算法。

4.根据权利要求3所述的智能控制系统，其中，所述模糊控制器包括微分模块、模糊量化模块、查表模块以及解模糊模块，所述微分模块用于接收当前温度值T和当前目标温度值T_K之间的偏差X，对该偏差进行相对于时间的微分运算，生成偏差变化量Y；所述模糊量化模块用于接收当前温度值T与当前目标温度值T_K之间的偏差X，以及所述微分模块生成的偏差变化量Y，并对接收到的偏差X和偏差变化量Y进行模糊量化；所述查表模块用于根据预先存储的查找表，通过模糊推理，结合偏差X和偏差变化量Y的存储方式计算出模糊控制量Z的存储地址，从该地址中读出要求的模糊控制量Z；所述解模糊模块用于对从查表模块中读出的模糊控制量Z进行解模糊，将模糊控制量Z变换成能直接输出的确定值，调节PWM控制信号的占空比。

5.根据权利要求4所述的智能控制系统，其中，所述偏差X和偏差变化量Y的存储方式包括按行存储和按列存储。

6.根据权利要求4所述的智能控制系统，其中，所述模糊量化模块对所述偏差X和/或偏差变化量Y进行非线性量化。

7.根据权利要求6所述的智能控制系统，其中，所述非线性量化时的隶属度函数选用三角形。

8.根据权利要求4所述的智能控制系统，其中，所述查表模块对应的模糊推理采用“IF......AND......THEN......”规则。

9.根据权利要求4所述的智能控制系统，其中，所述解模糊模块采用重心法进行解模糊。

10.根据权利要求3所述的智能控制系统，其中，所述信号处理单元进一步包括PI控制器，用于在熔炉温度接近设定温度时控制PWM控制信号的占空比，消除稳态误差。

11.根据权利要求1所述的智能控制系统，其中，所述执行单元包括隔离驱动器、固态继电器以及加热管，所述隔离驱动器与所述信号处理单元连接，用于根据信号处理单元输出的控制信号驱动所述固态继电器；所述固态继电器在所述隔离驱动器的驱动下控制加热管是否加热；所述加热管置于熔炉中。

12.根据权利要求1所述的智能控制系统，其中，所述过程参数包括当前温度、当前加热时间、当前运行算法；所述工作参数包括升温速度、升温段时长、设定温度。

13.一种熔炉智能控制方法，该控制方法包括温度测量步骤、信号处理步骤、执行步骤以及参数输入/输出步骤，在所述温度测量步骤，测量熔炉的当前温度；在所述信号处理步骤，接收在温度测量步骤测得的熔炉当前温度并根据该温度生成控制命令；在执行步骤，接收在所述信号处理步骤生成的控制命令，并根据该控制命令控制熔炉的加热；在参数输入/输出步骤，向用户提供熔炉的过程参数，接收输入的该智能控制方法的工作参数。

14.根据权利要求13所述的智能控制方法，其中，在所述温度测量步骤，采用多个双头热电偶和热电偶模块来测量温度，二者通过补偿导线连接。

15.根据权利要求13所述的智能控制方法，其中，所述信号处理步骤包括存储步骤、升温定时步骤、比较步骤、P算法控制步骤、模糊算法控制步骤以及PWM信号控制步骤，在所述存储步骤，存储在所述温度测量步骤感测的当前温度值T和过程参数；在所述升温定时步骤，设定升温段时长；在所述P算法控制步骤，执行P算法，以控制PWM控制信号的占空比；在所述模糊算法控制步骤，执行模糊算法以控制PWM控制信号的占空比，在所述比较步骤，比较一升温段内的当前目标温度T_K和在存储步骤存储的该升温段内的当前温度值T，如果当前温度值T和当前目标温度值T_K之间的偏差大于预设值，则到P算法控制步骤执行P算法，如果当前温度值T和当前目标温度值T_K的偏差小于该预设值，则到模糊算法控制步骤执行模糊算法；在所述PWM信号控制步骤，由相应的算法来控制PWM的占空比。

16.根据权利要求14所述的智能控制方法，其中，所述模糊算法控制步骤包括微分步骤、模糊量化步骤、查表步骤以及解模糊步骤，在所述微分步骤，接收当前温度值T和当前目标温度值T_K之间的偏差X，对该偏差X进行相对于时间的微分运算，生成偏差变化量Y；在所述模糊量化步骤，接收当前温度值T与当前目标温度值T_K之间的偏差X，以及在所述微分步骤生成的偏差变化量Y，并对接收到的偏差X和偏差变化量Y进行模糊量化；在所述查表步骤，根据预先存储的查找表，通过模糊推理，结合偏差X和偏差变化量Y的存储方式计算出模糊控制量Z的存储地址，并从该存储地址中取出所要求的模糊控制量Z；在所述解模糊步骤，对查表模块中取出的模糊控制量Z进行解模糊，将模糊控制量Z变换成能直接输出的确定值，调节PWM控制信号的占空比。

17.根据权利要求16所述的智能控制方法，其中，所述偏差X和偏差变化量Y的存储方式包括按行存储和按列存储。

18.根据权利要求16所述的智能控制方法，其中，在所述模糊量化步骤，对所述差量X和/或误差变化量Y进行非线性量化。

19.根据权利要求17所述的智能控制方法，其中，所述非线性量化时的隶属度函数选用三角形。

20.根据权利要求16所述的智能控制方法，其中，所述查表步骤对应的模糊推理采用“IF......AND......THEN......”规则。

21.根据权利要求16所述的智能控制方法，其中，在所述解模糊步骤，采用重心法进行解模糊。

22.根据权利要求15所述的智能控制方法，其中，所述信号处理步骤进一步包括PI算法控制步骤，在该步骤中，当熔炉温度接近设定温度时，控制PWM控制信号的占空比，消除稳态误差。

23.根据权利要求13所述的智能控制方法，所述过程参数包括当前温度、当前加热时间、当前运行算法；所述工作参数包括升温速度、升温段时长、设定温度。

Images