球罐焊后熱處理中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－PID溫度控制器性能仿真

馮精良，王 強(qiáng)，鄧貴德，胡 斌，吉 方

（1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100020）

在我國(guó)，球罐廣泛地應(yīng)用于石化、能源等各個(gè)領(lǐng)域.由于球罐容積比較大、殼體壁厚、球殼板剛度較大，在其組裝的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力.試驗(yàn)測(cè)試表明球罐焊接殘余應(yīng)力一般可達(dá)0.6～0.9倍的屈服強(qiáng)度，最大甚至可達(dá)1.23倍材料屈服強(qiáng)度［1］.因此，球罐焊縫殘余應(yīng)力的消除關(guān)系到球罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

球罐焊后熱處理的質(zhì)量決定了球罐運(yùn)行期間的安全性能，將球罐加熱到高于再結(jié)晶溫度以上、相變點(diǎn)以下的溫度區(qū)間，使焊縫的殘余應(yīng)力得到充分釋放，同時(shí)也穩(wěn)定了球罐的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，進(jìn)而改善焊接區(qū)域的綜合性能，提高球殼板的韌性和抗應(yīng)力能力，在熱處理周期中可以釋放焊縫中有害氣體，防止焊縫的氫脆延遲裂紋的發(fā)生［2］，而球罐焊后熱處理時(shí)球殼表面溫度的精確控制是其關(guān)鍵.

由于球罐物理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其熱處理溫度控制是一個(gè)非線性、純滯后系統(tǒng)，并且熱處理時(shí)任意兩點(diǎn)的溫度差不能超過(guò)130℃，如何使球罐熱處理時(shí)按照工藝要求進(jìn)行升降溫并且使球罐表面處于均溫狀態(tài)是一個(gè)難題.目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行球罐熱處理控制方式主要是通過(guò)采集到的球罐表面溫度根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工調(diào)節(jié)控制.曲麗萍等研究了基于VB的自動(dòng)控制系統(tǒng)處理溫度數(shù)據(jù)，對(duì)比熱處理工藝曲線，反饋到控溫系統(tǒng)進(jìn)行控溫［3］.劉喜才等通過(guò)供油系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱處理的溫度的調(diào)節(jié)［4］.但是，對(duì)于球罐熱處理溫度非線性、純滯后特性用來(lái)研究球罐溫度控制控制策略的，還比較少.

首先，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50094—2010對(duì)于球罐焊后熱處理溫度要求［5］，搭建球罐實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)球罐焊后熱處理系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了球罐熱處理BP－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－PID溫度控制器以及對(duì)其性能進(jìn)行仿真，同時(shí)和常規(guī)PID仿真進(jìn)行對(duì)比、分析，通過(guò)相關(guān)算法的仿真實(shí)驗(yàn)，為試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)提供支持.

1 球罐熱處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)裝置采用國(guó)內(nèi)常用的內(nèi)燃法整體熱處理工藝［6］.將焊接好的球罐作為爐體，下人孔為加熱口，上人孔為排煙氣孔，球殼板外側(cè)設(shè)測(cè)溫點(diǎn)并加保溫材料進(jìn)行保溫.空壓機(jī)送的風(fēng)和噴油嘴噴出的燃油通過(guò)底部人孔噴入球罐內(nèi)部霧化，然后由點(diǎn)火器點(diǎn)燃霧化燃油，在球罐內(nèi)部形成一個(gè)具有一定大小的火焰，以此作為熱處理的熱源，煙氣通過(guò)位于上人孔的煙囪排出.在球罐內(nèi)部形成對(duì)流和輻射，從而將球殼板均勻加熱，整體溫度控制結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 球罐熱處理裝置圖Figure 1 Set－up of the spherical tank weld heat treatment

圖1中球罐材料選用Q345R，球罐壁厚為40mm，熱處理恒溫溫度設(shè)為600℃，球罐體積為1000m3，球罐內(nèi)直徑為12.3m.球體外表面布置25個(gè)熱電偶，其中赤道帶均勻布置9個(gè)，上下級(jí)帶均勻布置7個(gè)，上下人孔附近各布置一個(gè)，滿足國(guó)標(biāo)中對(duì)熱電偶分布的要求.保溫層材料選用硅酸鋁，厚度為50mm，包裹范圍包括支柱上端1000mm.

裝置根據(jù)安裝在球殼表面的熱電偶所反饋的溫度信號(hào)和設(shè)定的溫度工藝曲線設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)油泵、空壓機(jī)的功率和相應(yīng)閥門的開度，使球殼在整個(gè)熱處理過(guò)程中都處于規(guī)定的熱處理溫度，從而達(dá)到球罐熱處理的目的.

2 球罐焊后熱處理溫度控制思路

GB12337—2014規(guī)定，在熱處理過(guò)程中，升溫階段到400℃以上時(shí)，溫升速率應(yīng)控制在50～80℃／h；降溫階段在400℃以上時(shí)，溫降速率應(yīng)控制在30～80℃／h［7］.在本實(shí)驗(yàn)中，升溫階段在400℃以下的溫升速率設(shè)為100℃／h，400℃／h以上的溫升速率設(shè)為64℃／h.降溫階段在400℃以上的溫降速率設(shè)為32℃／h，400℃以下的溫降速率為80℃／h，恒溫階段時(shí)間設(shè)為2.875h，在熱處理任意時(shí)刻球殼表面任意兩點(diǎn)溫度差不得大于130℃.具體熱處理溫度工藝設(shè)定曲線如圖2.

圖2 熱處理設(shè)定溫度工藝曲線Figure 2 Temperature processing curve of heat treatment

目前現(xiàn)場(chǎng)的熱處理控制，基本是人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)油泵、空壓機(jī)功率和相應(yīng)閥門的開度.對(duì)于常規(guī)PID控制來(lái)說(shuō)，控制規(guī)律為

式（1）中：u（t）—控制器的輸出，kp、T1、TD—比例系數(shù)，積分時(shí)間和微分時(shí)間，e（t）—給定值和輸出值的偏差.通過(guò)調(diào)節(jié)kp、T1、TD來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制.

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，在球罐熱處理溫度在400℃或者恒溫開始和結(jié)束時(shí)，需要改變進(jìn)油量和進(jìn)風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)升降溫速率，閥門開度較溫度速率改變前會(huì)發(fā)生大的變化，傳統(tǒng)PID控制器仍按照前段工藝曲線設(shè)定的值進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致閥門的輸出量不能及時(shí)響應(yīng)而產(chǎn)生較大的誤差甚至失去穩(wěn)定，最終熱處理過(guò)程中的溫度會(huì)大幅波動(dòng)，無(wú)法有效消除殘余應(yīng)力.

近來(lái)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID得到廣泛關(guān)注，相關(guān)理論和應(yīng)用成果也越來(lái)越多，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器也逐漸應(yīng)用到非線性和大慣性的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中［8］.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意非線性函數(shù)，通過(guò)自身的學(xué)習(xí)，將控制器實(shí)際輸出與期望輸出的誤差反向傳播修正其加權(quán)系數(shù)值，最終使誤差的均方值最小.找到在最優(yōu)控制規(guī)律下的控制參數(shù).將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于球罐焊后熱處理溫度PID控制過(guò)程中，可解決這種非線性、純滯后系統(tǒng)難以控制的問(wèn)題，實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù)，使球罐焊后熱處理溫度按照規(guī)定的溫度要求進(jìn)行［9］.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在球罐熱處理溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3.

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure of BP neural network PID controller

如圖3，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的球罐熱處理溫度PID控制系統(tǒng)由兩部分組成：1）經(jīng)典的PID控制器，直接對(duì)被控過(guò)程閉環(huán)控制的油閥和風(fēng)閥的開度值及油泵、風(fēng)機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)被控球殼實(shí)測(cè)加權(quán)溫度與期望溫度的偏差，由選定的BP學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)整定PID控制器的控制參數(shù)，最終達(dá)到最優(yōu)控制的目的，即使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸出為PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)kp、ki、kd，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)反向傳播的自身學(xué)習(xí)方法調(diào)整加權(quán)系數(shù)，從而使輸出的kp、ki、kd為最佳控制下的 PID 控制參數(shù)［10－11］.

在設(shè)計(jì)球罐BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫度控制器時(shí)，第一步根據(jù)熱處理球罐上的測(cè)溫點(diǎn)確定控制器的樣本個(gè)數(shù)；第二步根據(jù)實(shí)測(cè)溫度點(diǎn)確定球罐BP－NN－PID控制器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)速率、慣性系數(shù)等；第三步即將球殼實(shí)測(cè)的溫度值與給定的期望值的偏差作為控制器輸入進(jìn)行訓(xùn)練、學(xué)習(xí)，最終確定控制器對(duì)風(fēng)閥、油閥的控制參數(shù).

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

以球罐焊后熱處理過(guò)程中球體表面的溫度為實(shí)際控制對(duì)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中下位機(jī)根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定設(shè)定球罐熱處理工藝曲線，控制油泵和風(fēng)機(jī)的功率及進(jìn)油閥和進(jìn)風(fēng)閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)油量和風(fēng)壓，最終控制球體表面的溫度.將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法做成子程序嵌入到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)對(duì)球罐表面溫度的實(shí)際值、設(shè)定值和誤差進(jìn)行計(jì)算分析，再根據(jù)控制算法實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)、向電磁閥和電機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)信號(hào)，調(diào)節(jié)進(jìn)油量和進(jìn)風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)球罐焊后熱處理溫度控制的全自動(dòng)化.

由國(guó)標(biāo)要求可知，400℃以上的升降溫控制要求比較嚴(yán)格.筆者選取了1000m3球罐在上文設(shè)定溫度下的實(shí)測(cè)溫度曲線如圖4.

圖41000 ℃球罐現(xiàn)場(chǎng)溫度曲線Figure 4 Temperature processing curve of 1000℃spherical tank with actual measurement

從圖4可以看出，由人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制的熱處理在400～600℃范圍，溫度波動(dòng)范圍在±30℃以內(nèi)，難以滿足國(guó)標(biāo)12337—2014規(guī)定的熱處理工藝要求［12］.在7.5～10h的保溫時(shí)間內(nèi)，超調(diào)量比較明顯.

在球罐熱處理溫度控制仿真實(shí)驗(yàn)中球罐表面樣本溫度點(diǎn)P＝25，輸入層設(shè)為3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)球罐溫度的設(shè)定值、實(shí)際值以及球罐溫度偏差.隱含層的節(jié)點(diǎn)設(shè)為5個(gè)，輸出層對(duì)應(yīng)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)即為PID控制器需要調(diào)節(jié)的控制參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5.

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Structure of BP neural network PID net

通過(guò)實(shí)測(cè)的球殼表面溫度和設(shè)置的期望溫度的偏差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)值，調(diào)整時(shí)的學(xué)習(xí)速率取η＝0.31，慣性系數(shù)取α＝0.17.按照下面公式（3）（4）分別調(diào)整輸出層加權(quán)系數(shù)W（3）jl（k）和隱含層加權(quán)系數(shù)W（2）ij（k），直到達(dá)成所需的控制效果，其中k是調(diào)整加權(quán)值的次數(shù).

對(duì)于球罐熱處理溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)油閥和風(fēng)閥來(lái)控制球體表面的溫度，當(dāng)在400℃和600℃時(shí)需要改變控溫速率時(shí)，通過(guò)及時(shí)改變閥門的開度來(lái)調(diào)整.如果閥門開度不能及時(shí)準(zhǔn)確響應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致球體溫度發(fā)生較大波動(dòng)或者產(chǎn)生較大的滯后性.所以，本仿真同時(shí)對(duì)閥門給定開度值的情況下，對(duì)兩種算法進(jìn)行了仿真比較.

圖6 閥門開度的階躍響應(yīng)Figure 6 Valve opening step response

從圖6中可知，當(dāng)改變球體表面溫度速率時(shí)，在給定閥門開度值后，常規(guī)PID控制的超調(diào)量為7%，過(guò)渡時(shí)間約為20min.而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超調(diào)量基本為零，過(guò)渡時(shí)間約為7min.由此可知BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠快速響應(yīng)，使進(jìn)風(fēng)閥、進(jìn)油閥按照預(yù)設(shè)開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)于常規(guī)PID控制.

根據(jù)設(shè)定的球罐熱處理溫度工藝曲線知，熱處理時(shí)球殼表面溫度和時(shí)間的函數(shù)為

得到熱處理時(shí)球罐表面的實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定的溫度仿真情況如圖7.

從圖7可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制可以很好地跟蹤設(shè)定的非線性溫度曲線，延遲時(shí)間降為12min.與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的熱處理溫度曲線對(duì)比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制球罐熱處理溫度過(guò)程中，溫度波動(dòng)范圍在5℃以內(nèi)，遠(yuǎn)低于現(xiàn)場(chǎng)人工控制的溫度波動(dòng)范圍.在保溫階段時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID基本不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)量.

圖7 球罐熱處理溫度控制系統(tǒng)響應(yīng)Figure 7 System response of temperature control for spherical tank heat treatment

4 結(jié) 語(yǔ)

在球罐焊后熱處理溫度控制系統(tǒng)中，符合GB12337—2014要求的溫度控制精度是熱處理的關(guān)鍵.筆者根據(jù)實(shí)際球罐特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器；仿真研究表明，該控制器對(duì)具有非線性、純滯后特點(diǎn)的球罐熱處理溫度控制具有很好的健壯性和自適應(yīng)性.在整個(gè)控制過(guò)程中，響應(yīng)速度快、過(guò)渡階段平穩(wěn)、無(wú)靜態(tài)誤差和超調(diào)比較小.從而使在熱處理過(guò)程中整個(gè)球罐表面各點(diǎn)都在允許溫差范圍內(nèi)按照熱處理工藝曲線進(jìn)行溫度控制.且可有效解決常規(guī)PID控制引起的超調(diào)量問(wèn)題，仿真條件下可達(dá)到國(guó)標(biāo)GB12337—2014中對(duì)熱處理溫度的要求.

［1］劉洋，高威.2000m3球罐焊后整體熱處理［J］.石油化工設(shè)備，2014，43（6）：66－68.LIU Yang，GAO Wei.Entire post weld heat treatment of 2000m3spherical tank［J］.Petro－Chemical Equipment，2014，43（6）：66－68.

［2］陳泰煒.壓力容器焊后熱處理技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2002：9－16.

［3］曲麗萍，曲永印，李林忠，等.球罐熱處理計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.控制工程，2006，9（13）：7－9.QU Liping，QU Yongyin，LI Linzhong，et al.Computer monitor and control system of spherical tank heat treatment［J］.Control Engineering of China，2006，9（13）：7－9.

［4］劉喜才，慕永輝.應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件控制球罐整體熱處理［J］.石油工程建設(shè)，2002，5（28）：55－57.LIU Xicai，MU Yonghui.Application of computer software control spherical tank overall heat treatment［J］.Petroleum Engineering Construction，2002，5（28）：55－57.

［5］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB50094—2010球型儲(chǔ)罐施工規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［6］黃幟東.球罐內(nèi)燃法整體熱處理工藝的應(yīng)用［J］.廣東化工，2006，33（10）：81－83.HUANG Zhidong.Application of spherical tanks diesel method overall heat treatment process［J］.Guangdong Chemical Industry，2006，33（10）：81－83.

［7］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB12337—2014鋼制球形儲(chǔ)罐［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［8］涂川川，朱鳳武，李鐵.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器在溫室溫度控制中的研究［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2012，18（2）：151－154.TU Chuanchuan，ZHU Fengwu，LI Tie.Study and simulation of BP neural network PID controller［J］.Chinese Agricultural Mechanization，2012，18（2）：151－154.

［9］ZHU Zenghui，SUN Huiying.Application of PID control－ler based on BP neural network in export steam's temperature control system［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2011，2（1）：84－87.

［10］張義，左為恒，林濤.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（4）：149－151.ZHANG Yi，ZUO Weiheng，LIN Tao.Application of BP neural network PID control in airconditioning system［J］.Computer Simulation，2011，28（4）：149－151.

［11］閻樹田，姜志科，牛萬(wàn)才，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型參考自適應(yīng)PID控制器的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2006，36（9）：112－114.YAN Shutian，JIANG Zhike，NIU Wancai，et al.The study of model reference adaptive control and PID control based on BP neural network［J］.Modern Manufacturing Engineering，2006，36（9）：112－114.

［12］周林順，吳月明.國(guó)產(chǎn)4000m3球罐焊后整體熱處理［J］.安徽化工，2001，23（109）：45－46.ZHOU Linshun，WU Yueming.Entire post weld heat treatment of domestic 4000m3spherical tank［J］.Anhui Chemical Industry，2001，23（109）：45－46.