CN102495651A - 一种无超调工业电阻炉温度控制方法 - Google Patents

一种无超调工业电阻炉温度控制方法 Download PDF

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王启
王孝伟
马冶浩
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Abstract

本发明公开了一种工业电阻炉无超调温度控制的方法，现有工业电阻炉的温度控制方法大部分使用的是常规PID控制，存在超调，难以满足高精度温度控制系统的要求。本发明方法结合模糊控制和常规PID控制，通过识别电阻炉当前温度和所需要调节的温度，智能选取不同的PID控制参数，构成模糊PID控制器控制系统温度。本方法结合了模糊控制的人工智能性和常规PID控制的快速有效性，在工业电阻炉炉温控制方面实现炉温的无超调控制。

Description

一种无超调工业电阻炉温度控制方法
技术领域
本发明属于温度检测技术领域，涉及一种无超调工业电阻炉温度控制方法。
背景技术
工业电炉、烘箱温度的控制对热处理十分重要，炉温自动控制是指根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定于需要的范围内。热处理温度自动控制常用调节规律有以下几种。
1、二位式调节——它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。
2、三位式调节——它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。      3、比例调节（P调节）——调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。即：M=ke，K为比例系数，炉温不能加复到给定值时的偏差称“静差”。       4、比例积分（PI）调节——在比例调节中添加积分（I）调节，输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”。       5、比例积分微分（PID）调节——比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。
PID控制的理想微分方程为：
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE004
   (1)式中：
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE006
为比例系数；
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE008
为积分系数；为微分系数；
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE012
为偏差值，
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE014
为温度设定值，
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE016
为实时温度测量值。 
由于目前工业电阻炉采用的是上述几种温度控制方式，所以存在“静差”，超调等不利因素。当前国内坩埚炉生产厂家执行的设备生产标准是GB/T10067.4-2005（电热设备基本技术条件—间接电阻炉），炉温的均匀性要求较宽泛，未明确规定，致使大部分工业电阻炉出厂炉温均匀性较差，高于±5℃，温度控制精度±1℃（基本达不到此标准）。相比于国外目前技术可以做到炉温稳定性优于±1℃，温度精度±0.1℃）较大差距。
发明内容
本发明的目的是克服现有工业电阻炉温度控制技术的不足，提供一种无超调工业电阻炉温度控制方法，在工业电阻炉温度控制上提高炉温的均匀性和温度控制精度。
本发明采用模糊PID控制算法实现无超调温度控制，具体步骤如下：
步骤一：根据不同工业电阻炉的工作温度区间和所要调控的温度范围设定PID控制比例系数基数
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE018
、积分系数基数
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE020
、微分系数基数
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE022
。
步骤二：根据工业电阻炉的工作温度区间和所要调控的温度范围将温度区间划分为若干段，构造输入变量——当前温度Q和所要调控的温度范围E的隶属度函数，隶属度函数采用三角函数或高斯函数或三角函数和高斯函数的结合。
步骤三：以炉温升温曲线及所要调控的温度范围E为依据，根据当前温度Q所处温度区间和所要调节的温度范围设定各不同温度区间的比例系数调节量、积分系数调节量、微分系数调节量的隶属度函数。
步骤四：根据输入变量和输出变量的隶属度函数，构造模糊规则库｛E，Q｝。
步骤五：比例系数的基数
Figure 595024DEST_PATH_IMAGE018
、积分系数的基数、微分系数的基数
Figure 871470DEST_PATH_IMAGE022
分别对应加上比例系数调节量
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE024
、积分系数调节量
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE026
和微分系数调节量
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE028
，构成当前PID控制的比例系数、积分系数、微分系数，其中，p、i、d为适当增益。即最终的模糊PID控制的三个系数——比例系数、积分系数
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE030
、微分系数
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE032
为：
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE034
    
     
             
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE038
    
步骤六：根据工业电阻炉的系统函数
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE040
以及前五个步骤，在Matlab simulink中建立工业电阻炉温度调控的仿真模型。
本发明的有益效果：本发明的模糊PID控制炉温技术，不存在超调量或存在很小超调（远小于1℃）。
附图说明
图1是一个典型的1100℃电阻炉升温曲线图；
图2是温度调节量E的隶属度函数；
图3是当前温度值Q的隶属度函数；
图4是比例系数
Figure 113150DEST_PATH_IMAGE006
的调节量
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE042
的隶属度函数；
图5是积分系数
Figure 231148DEST_PATH_IMAGE030
的调节量
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE044
的隶属度函数；
图6是微分系数
Figure 611576DEST_PATH_IMAGE032
的调节量的隶属度函数；
图7是是模糊PID温度控制系统框图；
图8是电阻炉炉温处在480℃时上升30℃时系统响应；
图9是电阻炉炉温处在480℃时上升3℃时系统响应。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明算法做进一步说明。
本发明所采用的电阻炉最高炉温是1100℃，其炉温升温曲线如图1所示。
本发明的模糊PID控制以当前温度Q和所需调节的温度变化量E作为输入变量。算法具体实施步骤如下：
1）根据工业电阻炉的工作温度区间和所要调控的温度范围设定PID控制比例系数基数
Figure 286271DEST_PATH_IMAGE018
、积分系数基数
Figure 809656DEST_PATH_IMAGE020
、微分系数基数
Figure 426451DEST_PATH_IMAGE022
。
2）根据炉温的升温曲线，在升温区间段选择七个临界点作为模糊PID控制的输入变量Q的模糊论域边界点，如图1中的e, f, g, h, i, j, k点，对应的变量Q的模糊集上论域为{ 1000,900,700，500，300,150,50}；根据所要调节的温度范围，确定温度变化量E的模糊论域，本发明中输入变量E模糊集上的论域为 {-30，-10,-3,0，3，10,30}；如图2所示，同时构造所要要调控的温度范围E的隶属度函数，如图3所示，当前温度Q的隶属度函数。 
3）如图4所示，根据当前温度Q和所要调控的温度变化量E，以及已经确立的E和Q的模糊集及其隶属度函数，构造比例系数的调节量的隶属度函数，如图5所示，积分系数
Figure 524354DEST_PATH_IMAGE030
的调节量
Figure 545006DEST_PATH_IMAGE044
的隶属度函数，如图6所示，微分系数
Figure 273928DEST_PATH_IMAGE032
的调节量
Figure 290426DEST_PATH_IMAGE046
的隶属度函数。其中调节量
Figure 975354DEST_PATH_IMAGE042
的调节范围为（-6，6），
Figure 747001DEST_PATH_IMAGE044
 的调节范围为（-3，3），
Figure 635322DEST_PATH_IMAGE032
的调节范围为（-3，3）；
4）根据E、Q、、
Figure 558727DEST_PATH_IMAGE044
、的隶属度函数及其模糊集论域构造｛E，Q｝模糊规则库。温度变化量E，和当前温度Q与
Figure 876893DEST_PATH_IMAGE042
Figure 957030DEST_PATH_IMAGE046
的模糊关系规则为
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE048
{ NB、 NM、 NS、 ZR、 PS、 PM、PB} ,七个语言值分别代表负大、 负中、 负小、零、正小、 正中、 正大。
  5）PID控制器最终的三个控制量：比例系数，积分系数，微分系数
Figure 341722DEST_PATH_IMAGE032
由下式得到。
Figure DEST_PATH_IMAGE049
   （2）
Figure 2011104437767100002DEST_PATH_IMAGE050
     （3）
           
Figure DEST_PATH_IMAGE051
    （4）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为温差E与当前温度Q对应模糊控制表中的值，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为PID三参数的预设值，p,i,d为相应增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为整定PID的三个控制参数。
如图7所示，以模糊PID控制算法为核心的的无超调工业电阻炉温度控制系统总体框图。
6）仿真验证此无超调工业电阻炉温度控制算法：电阻丝为加热原件的坩埚炉系统，可以用一阶惯性环境和纯滞后环节来近似描述，系统函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
     (5)
上式中，K为系统的静态增益；
Figure DEST_PATH_IMAGE069
为系统的时间常数；τ为系统的纯滞后时间常数。本仿真系统中系统函数近似可取为：
          (6)
模糊PID仿真系统中所有参数选定后，以电阻炉当前温度480℃为例，调节温度上升30℃和3℃，模糊PID温度控制系统仿真结果如图8、图9所示，由图可见采用模糊PID控制温度，不存在超调量或很小的超调量（远小于1℃），可以实现高精度温度控制。

Claims (1)

1.一种无超调工业电阻炉温度控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：根据不同工业电阻炉的工作温度区间和所要调控的温度范围设定PID控制比例系数基数                                               
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE002
、积分系数基数
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE004
、微分系数基数；
步骤二：根据工业电阻炉的工作温度区间和所要调控的温度范围将温度区间划分为若干段，构造输入变量——当前温度Q和所要调控的温度范围E的隶属度函数，隶属度函数采用三角函数或高斯函数或三角函数和高斯函数的结合；
步骤三：以炉温升温曲线及所要调控的温度范围E为依据，根据当前温度Q所处温度区间和所要调节的温度范围设定各不同温度区间的比例系数调节量、积分系数调节量、微分系数调节量的隶属度函数；
步骤四：根据输入变量和输出变量的隶属度函数，构造模糊规则库｛E，Q｝；
步骤五：比例系数的基数、积分系数的基数
Figure 934396DEST_PATH_IMAGE004
、微分系数的基数
Figure 409240DEST_PATH_IMAGE006
分别对应加上比例系数调节量
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE008
、积分系数调节量和微分系数调节量
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE012
，构成当前PID控制的比例系数、积分系数、微分系数，其中，p、i、d为适当增益；即最终的模糊PID控制的三个系数——比例系数、积分系数
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE016
、微分系数
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE018
为：
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE020
    
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE022
     
   
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE024
    
步骤六：根据工业电阻炉的系统函数
Figure 2011104437767100001DEST_PATH_IMAGE026
以及前五个步骤，在Matlab simulink中建立工业电阻炉温度调控的仿真模型。
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