熱處理爐綜合式自校正溫控系統(tǒng)研究

孫玉新，閆思江，李凡國

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島266400）

熱處理爐綜合式自校正溫控系統(tǒng)研究

孫玉新，閆思江，李凡國

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島266400）

針對(duì)鑄造用熱處理爐溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲和滯后的特點(diǎn)，本文基于綜合式自校正PID原理，利用自校正PID控制器對(duì)熱處理爐溫控系統(tǒng)進(jìn)行串級(jí)控制再設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了二級(jí)調(diào)節(jié)器的串級(jí)溫度控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，綜合式自校正PID串級(jí)溫度控制系統(tǒng)可以有效地提高熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并改善了系統(tǒng)的魯棒性，優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方法。

熱處理爐；綜合式自校正PID；溫控系統(tǒng)；串級(jí)控制

0 引言

熱處理爐溫度是鑄件生產(chǎn)過程中產(chǎn)品出廠的最后一道工序，熱處理爐溫度過高或者過低將對(duì)鑄件的正常使用造成不良影響[1-2]。當(dāng)前，很多國內(nèi)外研究人員針對(duì)熱處理爐溫度控制問題進(jìn)行了相關(guān)先進(jìn)控制方法的研究。本文是以鑄造企業(yè)單元熱處理爐溫度控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的溫度調(diào)控進(jìn)行了特性分析，闡述了溫控系統(tǒng)的串級(jí)控制系統(tǒng)，通過Matlab/Simulink對(duì)有色噪聲干擾下，參數(shù)多次突變時(shí)熱處理爐溫度控制的情況進(jìn)行仿真分析。

1 熱處理爐溫度控制的再設(shè)計(jì)

1.1 熱處理爐串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱處理爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫度控制系統(tǒng)由內(nèi)外兩個(gè)回路組成，其中溫控內(nèi)回路包括導(dǎo)前溫度變送器、執(zhí)行器、副調(diào)節(jié)器、減溫水調(diào)節(jié)閥和減溫器，而溫控外回路包括主溫度對(duì)象、溫度變送器、溫度主調(diào)節(jié)器及整個(gè)內(nèi)回路。熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的主要控制手段為減溫器的噴水，因?yàn)闊崽幚頎t距離減溫器出口較遠(yuǎn)，并且熱處理爐管壁熱容較大，這樣導(dǎo)致主熱處理爐溫度控制具有較大的滯后和延遲。為此我們在溫控系統(tǒng)中加入一個(gè)能反映減溫水量變化的中間溫度信號(hào)θ2做導(dǎo)前信號(hào)控制，這樣就增加一個(gè)調(diào)節(jié)器PI2組成(見圖1所示)的溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。這樣根據(jù)θ2控制輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)器PI2通過減溫水閥流量及開啟的控制及時(shí)控制溫度的變化，在這個(gè)過程中若某種擾動(dòng)使熱處理爐溫度θ2比θ1提早發(fā)生變化，這樣調(diào)節(jié)器PI2就是提前開始響應(yīng)這種變化并及時(shí)做出反應(yīng)，這樣擾動(dòng)θ2引起的溫度波動(dòng)就得到及時(shí)消除，從而不受影響熱處理爐溫度θ1，當(dāng)熱處理爐溫度控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，溫度主、副調(diào)節(jié)器的溫度輸入偏差均為零，在這種溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，溫度調(diào)節(jié)器PI1的給定值同時(shí)影響著溫度調(diào)節(jié)器PI2，前者根據(jù)溫度信號(hào)θ1改變?chǔ)?的給定值，這樣就保證了在即使有負(fù)荷擾動(dòng)的情況下，仍可以保障滿足X的溫度要求，由此可見，采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器的串級(jí)系統(tǒng)中，既可以完成各自其特殊調(diào)控任務(wù)，又可以互相協(xié)調(diào)并補(bǔ)充其調(diào)節(jié)功能[3-4]。

圖1 熱處理爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

1.2 熱處理爐綜合式自校正PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的熱處理爐綜合式自校正PID二級(jí)減溫溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，二級(jí)熱處理爐的出口蒸汽溫度作為綜合式自校正PID二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量，通過主回爐溫度的給定值與實(shí)際蒸汽溫度值進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生了二級(jí)熱處理爐出口蒸汽溫度偏差信號(hào)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)溫度系統(tǒng)的進(jìn)行響應(yīng)。 后屏熱處理爐出口蒸汽溫度的給定值是隨工作負(fù)荷而變化的，通常情況下其設(shè)定值的大小小與末級(jí)熱處理爐的蒸汽流量擾動(dòng)下的蒸汽溫度特性是相反的，即如果增加蒸汽流量，那么熱處理爐的溫度設(shè)定值必要要下降，這樣可以大幅度減小一級(jí)減溫水流量，避免在鍋爐高負(fù)荷工作時(shí)引起的臨界高溫[5-6]。

2 有色噪聲干擾下，參數(shù)突變的系統(tǒng)仿真與分析

2.1 熱處理爐溫度控制的動(dòng)態(tài)特性

眾所周知，熱處理爐的溫度控制是非常典型的遲延較長，參數(shù)慢時(shí)變的控制過程。圖3有色噪聲干擾下，參數(shù)突變時(shí)熱處理爐溫度控制輸出跟蹤輸入控制的仿真結(jié)果。由圖2可見，在溫度參數(shù)每次發(fā)生跳變后，控制律u(k)的輸出均出現(xiàn)了非常大的波動(dòng)，溫度響應(yīng)y(k)也大大偏離了預(yù)定的溫度yr(k)，究其原因，這主要是因?yàn)闇囟日{(diào)控參數(shù)積將要發(fā)生跳變的過程中，參數(shù)控制估計(jì)值與實(shí)際溫度值有較大的偏差，這將直接影響到PID參數(shù)控制器的計(jì)算與分析，由于綜合式自校正控制策略，使得溫度預(yù)估參數(shù)的計(jì)算值越來越精確，從而使得控制器的輸出變得越來越精確穩(wěn)定，溫度響應(yīng)y(k)就可以及時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤預(yù)定的溫度yr(k)，這樣控制器就將熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的極點(diǎn)配置到期望的位置。系統(tǒng)溫度在1500s的時(shí)間內(nèi)有兩次跳變發(fā)生，這預(yù)示著熱處理爐溫控系統(tǒng)的零、極點(diǎn)也有兩次突變發(fā)生，同時(shí)可以看出參數(shù)具有較高的辨識(shí)精度，并且參數(shù)估計(jì)值具有較快的收斂速度和精度，這個(gè)仿真著力體現(xiàn)了對(duì)于溫控系統(tǒng)大遲延、參數(shù)時(shí)變時(shí)綜合式自校正方法的優(yōu)越性。

圖2 有色噪聲干擾下，參數(shù)突變時(shí)熱處理爐溫度控制輸出跟蹤輸入控制的仿真

當(dāng)熱處理爐溫度控制輸入信號(hào) yr(t)為方波時(shí)，綜合式自校正PID溫度控制與傳統(tǒng)PID串級(jí)溫度控制效果y(t)的對(duì)比結(jié)果如圖3所示，其中藍(lán)色曲線表示傳統(tǒng)PID串級(jí)溫度控制響應(yīng)，紅色曲線表示綜合式自校正PID溫度控制響應(yīng)。由圖可見，在未加干擾的情況下，綜合式自校正PID溫度系統(tǒng)溫度響應(yīng)速度較快，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，無大的滯后延遲現(xiàn)象存在，發(fā)生的溫度輸出y(t)可以準(zhǔn)確并及時(shí)跟蹤溫度參考輸入yr(t)。綜合式自校正PID串級(jí)二級(jí)溫度控制方案在有干擾和參數(shù)時(shí)變的情況下，溫度響應(yīng)輸出仍然能夠準(zhǔn)確地跟蹤溫度輸入；而傳統(tǒng)PID串級(jí)一級(jí)溫度控制方案，在未加干擾和參數(shù)沒有發(fā)生變化的情況下，輸出依然不能準(zhǔn)確得跟蹤溫度輸入。從圖中仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，綜合式自校正PID串級(jí)二級(jí)溫度溫控制方案是優(yōu)于傳統(tǒng)PID串級(jí)一級(jí)溫度控制方案的調(diào)控精度，且其穩(wěn)定性也較高。

圖3 綜合式自校正PID溫度控制與傳統(tǒng)PID串級(jí)溫度控制效果的對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過采用串級(jí)一級(jí)溫度控制系統(tǒng)對(duì)熱處理爐復(fù)合高峰運(yùn)行時(shí)的溫度進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)采用綜合式自校正PID控制改善熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的延遲與滯后性，利用綜合式自校正PID控制器對(duì)熱處理爐溫控系統(tǒng)進(jìn)行串級(jí)控制再設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了二級(jí)調(diào)節(jié)器的串級(jí)溫度控制系統(tǒng)圖等進(jìn)行繪制，并通過 MATLAB/Simulink仿真程序?qū)C合式自校正PID串級(jí)二級(jí)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行論證，而傳統(tǒng)PID串級(jí)一級(jí)溫度控制方案，在未加干擾和參數(shù)沒有發(fā)生變化的情況下，輸出依然不能準(zhǔn)確得跟蹤溫度輸入，因此綜合式自校正PID串級(jí)二級(jí)溫度溫控制方案是優(yōu)于傳統(tǒng)PID串級(jí)一級(jí)溫度控制方案的調(diào)控精度，且其穩(wěn)定性也較高。

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Research of Integrated Self-tuning PID Temperature Control System of Furnace for Heat Treatment

SUN Yu-xin,YAN Si-jiang,LI Fan-guo
(Qingdao Harbour Vocational and Technical College,Qingdao 266400,China)

Aimed at the characteristics of the delay and lag of the dynamic response of the temperature reheat thermal power plant,based on the integrated self-tuning PID principle,this paper used the integrated self-tuning PID controller to redesign the cascade control of the temperature control system of the reheater for the thermal power plant.W The results show that the temperature control system for the reheater fo the thermal power plant using the integrated self-tuning PID can effectively improve the stability of the reheater temperature control system and improve the robustness of the temperature control system,and this control method is obviously superior to the traditional PID control method.

reheater; integrated self-tuning PID; temperature control; cascade control

TG155

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.021

孫玉新（1979-），女，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。