基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦的電加熱爐溫控系統(tǒng)

賀麗

摘 要：針對電加熱爐溫區(qū)間強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，分析加熱爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其耦合性，設(shè)計(jì)分散式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開環(huán)解耦器對相鄰溫區(qū)進(jìn)行解耦，采用模糊PID控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)有效進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)了溫度的精確控制。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦；模糊PID；加熱爐

隨著稀有金屬管材廣泛的應(yīng)用于航空、航天、航海、核電、石油化工等領(lǐng)域，對其質(zhì)量要求越來越高。電加熱爐是稀有金屬管材加工重要設(shè)備，溫度的精確控制對稀有金屬管材的質(zhì)量有重大意義。加熱爐各個(gè)溫區(qū)之間存在強(qiáng)耦合，傳統(tǒng)的單一控制策略難以實(shí)現(xiàn)溫度的苛刻要求。本文研制基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦與模糊-PID控制相結(jié)合的溫度控制系統(tǒng)，降低兩溫區(qū)間的耦合性，提高溫度的精確控制，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 加熱爐設(shè)備特點(diǎn)與耦合性分析

1.1 加熱爐設(shè)備與工藝特點(diǎn)

本文研究對象為電加熱爐，外加熱爐共分兩段，采用對半平移開合結(jié)構(gòu)，整個(gè)加熱爐由2塊半圓體組成，運(yùn)行在加熱室的外層，加熱體為Cr20Ni80電阻帶，各溫區(qū)空間開放，熱量可自由流動(dòng)。退火爐爐體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

1.2 加熱爐溫區(qū)間耦合分析與數(shù)學(xué)模型

該系統(tǒng)采用兩區(qū)控溫，通過改變加熱體的供電功率來調(diào)整爐溫，由于實(shí)際運(yùn)行中，各個(gè)溫區(qū)加熱速度難以一致，熱量相互傳送和干擾，造成相鄰溫區(qū)間輸入輸出關(guān)系的耦合現(xiàn)象。電加熱爐加熱速度緩慢，熱傳遞效率低，輸入響應(yīng)之間存在時(shí)間延遲。工件溫度的精確控制具有很大的滯后性和不確定性。根據(jù)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和相關(guān)資料分析，對加熱爐采用傳遞函數(shù)

作為相鄰溫區(qū)間的傳遞函數(shù)。

2 加熱爐溫度控制策略

考慮到相鄰溫區(qū)間存在較強(qiáng)的耦合性，嚴(yán)重影響管材質(zhì)量。本文針對加熱爐耦和特點(diǎn)，建立雙輸入雙輸出系統(tǒng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解耦且溫區(qū)采用獨(dú)立的模糊PID控制器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦與模糊PID綜合控制策略，整個(gè)系統(tǒng)由模糊PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦器及被控對象組成。本系統(tǒng)采用分散式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開環(huán)解耦器，解耦器由n（n×1）個(gè)單輸入單輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（n為耦合系統(tǒng)的輸入）。對于某一通道，將其余通道對他的影響作為干擾信號(hào)，用前饋補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行消除。本文以一二區(qū)為例進(jìn)行研究，其中u1'和u2'分別為解耦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ND1和ND2的輸出，與模糊PID控制器的輸出x1和x2疊加后，得到被控系統(tǒng)的輸入u1和u2。即u1=x1+u2'，u2=x2+u1'。

3 控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器

本文研究兩輸入兩輸出耦合系統(tǒng)，由2個(gè)單輸入單輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ND1和ND2）構(gòu)成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用相同的三層BP網(wǎng)絡(luò)，輸入層對應(yīng)該通道溫度設(shè)定值r、模糊PID控制器輸出x、實(shí)測溫度值y及其他通道溫度差e，輸出層分別對應(yīng)解耦網(wǎng)絡(luò)輸出u，建立映射函數(shù)，抽取一批樣本，根據(jù)權(quán)值訓(xùn)練方法對ND1，ND2訓(xùn)練。ND1與ND2解耦完全類似，因此僅給出ND1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（3）誤差反向傳播

取指標(biāo)函數(shù)為均方誤差 ，按E（k）對加權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整，并附加一個(gè)快速收斂全局最小的慣性項(xiàng) Δw（k）。輸出層到隱含層權(quán)值利用公式 調(diào)整，η為學(xué)習(xí)速率，α為慣性系數(shù)。隱含層到輸入層利用公式 調(diào)整。

3.2 模糊PID控制器

4 結(jié)論

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦的PID控制控制效果較好，可以解決加熱爐溫區(qū)間的耦合性，非線性和不確定性，控制抗干擾能力強(qiáng)，滿足稀有金屬管材加熱工藝要求，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]魯照權(quán)，黃會(huì)娜，孫木.多溫區(qū)加熱爐新型解耦網(wǎng)絡(luò)及模糊PID控制[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013年第41卷第1期.

[2]張開碧，李敏.多溫區(qū)溫度控制系統(tǒng)的解耦方法與仿真[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006年第25卷第4期.

[3]張欒英，歐麗君，王亞順.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解耦方法在直流鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].動(dòng)力工程，2009年第29卷第9期.