漆包機(jī)烘爐的熱平衡控制方法研究*

王俊影，李 揚(yáng)，袁浩期

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

漆包機(jī)是用于生產(chǎn)漆包線的專用設(shè)備。目前漆包機(jī)存在溫度控制精度不高、不環(huán)保以及高耗能等問題，主要原因是漆包機(jī)各加熱區(qū)的溫度受大氣溫度與大氣氣壓變化的影響，同時控制策略也對調(diào)溫效果產(chǎn)生了較大影響，使得烘爐內(nèi)部各溫區(qū)的溫度波動范圍大（20～30℃以上）。例如，當(dāng)烘爐內(nèi)部的熱能過剩或不足時，對烘爐內(nèi)部各溫區(qū)分別采用獨(dú)立溫控表進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)將產(chǎn)生較大困難，就會出現(xiàn)“顧此失彼”的嚴(yán)重問題。此外，烘爐的熱能過剩就浪費(fèi)了電能，熱能不足又容易出現(xiàn)控溫不準(zhǔn)，也就造成催化燃燒不充分和廢氣排放超標(biāo)。因此，漆包機(jī)烘爐的熱平衡控制方法對于保證漆包線加工質(zhì)量、節(jié)約能源和環(huán)保都具有重要的意義。

高建文等[1]提出了利用熱能平衡控制、模糊控制和PID控制相結(jié)合的方法，對現(xiàn)有的漆包機(jī)爐溫控制系統(tǒng)做出改善。張曉棟等[2]提出了一種漆包機(jī)烘爐的熱能平衡模糊控制系統(tǒng)，使烘爐的溫控能夠自適應(yīng)環(huán)境溫度的變化，節(jié)約電能，提高了產(chǎn)能比。本文對臥式漆包機(jī)爐膛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)合熱平衡原理實(shí)現(xiàn)對漆包機(jī)烘爐整體系統(tǒng)的熱能模糊控制。對PID控制方法與模糊控制方法進(jìn)行了仿真對比，并搭建了模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 漆包機(jī)烘爐熱能計(jì)算

1.1 漆包機(jī)爐膛結(jié)構(gòu)

目前我國以采用多層催化燃燒熱風(fēng)循環(huán)結(jié)構(gòu)的低速臥式漆包機(jī)為主，該烘爐內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，需要調(diào)整的閥門多，各加熱區(qū)的溫度調(diào)節(jié)比較難[3]；另外各加熱區(qū)之間由于熱量的傳遞，導(dǎo)致不同溫區(qū)相互影響。漆包機(jī)的烘爐結(jié)構(gòu)主要分為：前爐加熱區(qū)、中爐加熱區(qū)、后爐加熱區(qū)、催化區(qū)和循環(huán)區(qū)。漆包機(jī)烘爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 漆包機(jī)烘爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 熱能平衡模型

烘爐的熱平衡模型如圖2所示。絕緣漆在烘爐中催化燃燒放出大量的熱能，再加上加熱管放出的熱能與排廢時的熱量損失，烘干暖風(fēng)的利用熱輸出，以及漆包機(jī)的熱能泄漏，在烘爐運(yùn)行過程中達(dá)到動態(tài)的熱能平衡，稱之為烘爐熱能平衡。烘爐的熱平衡式的模型為：

圖2 烘爐的熱平衡模型

式中：Q1為烘爐內(nèi)的電加熱能，kJ/h；Q2為烘爐內(nèi)有機(jī)溶劑蒸氣經(jīng)過催化燃燒后釋放的化學(xué)能，kJ/h；Q3為烘爐排放煙氣帶走的熱能，kJ/h；Q4為導(dǎo)線上聚酯漆固化吸收的熱能，kJ/h；Q5為爐體散熱，kJ/h；Q6為爐膛出口處逸出蒸氣的熱能，kJ/h[2]。

1.3 熱能的計(jì)算

系統(tǒng)的熱能主要指熱量，熱量Q的計(jì)算式簡化為：

式中，CV為爐膛熱蒸氣的比熱，dT為爐內(nèi)外的溫差，即dT=t-t0，t為爐內(nèi)溫度，t0為大氣溫度[4-5]。

可得：式中：V1、V2、V3為前爐、中爐和后爐的容積，V1=V2=V3=VH/3，VH為烘爐的容積；V4為催化前爐腔的容積；V5為催化室和催化后爐腔的容積；t0為大氣溫度；t1、t2、t3為前爐、中爐和后爐的溫度；t4為催化前爐腔的溫度；t5為催化后爐腔的溫度；取比熱為相對值，C1=C2=C3=C4=1.0，取C5=2.0。

因此可得到爐膛熱量（相對值）的計(jì)算式為：

2 熱能模糊控制

2.1 模糊控制原理

模糊控制器主要分為3個部分：模糊化輸入、模糊推理和解模糊，對于二維模糊控制器，需要同時將偏差E和偏差變化率EC作為輸入量。本文將E、EC和U這3個論域均 分 為7級{- 3，-2，-1，0，1，2，3} ， 用 符 號{NB,NM,NS,ZO,PS,P M,PB} 來表示[6-7]。

2.2 輸入量量化

輸入量量化等級如表1所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境按照控制精度在±1℃要求，定義E的論域?yàn)閇-6，+6]，EC的論域?yàn)閇-0.9，+0.9]。E代表熱能誤差，通過上文所述的熱能方程，利用熱電偶檢測到的溫度以及設(shè)定的溫度計(jì)算熱能值Qr（檢測計(jì)算熱能值）和Qt（設(shè)定熱能值），熱能誤差E=Qr-Qt，E＞0表示系統(tǒng)熱能高于設(shè)定值，E＜0表示系統(tǒng)熱能低于設(shè)定值。

表1 輸入量量化等級表

EC代表熱能誤差變化率，用當(dāng)前誤差與前一時刻采樣熱能誤差的差值變化率EC=E n-E n-1來代替。若EC＞0，表明系統(tǒng)熱能在增加，系統(tǒng)正進(jìn)行的是升溫過程，若EC＜0表明系統(tǒng)熱能在減少。

2.3 模糊推理

E和EC對應(yīng)的模糊規(guī)則為：

IF E is NB and EC is NB

Then U is PB

該規(guī)則可歸納為IF A and B then C，其中A為論域U上的一個模糊子集，B是論域V上的一個模糊子集，根據(jù)人工調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)，可給出其控制決策表R，R是笛卡爾乘積集的一個模糊子集，則某一時刻其控制量由下式給出：

模糊推理采用最小最大的方法，由于MCGS控制器腳本程序的模糊運(yùn)算能力有限，所以將模糊矩陣運(yùn)算的運(yùn)算部分采用離線方式進(jìn)行求取[8]。根據(jù)E和EC查找模糊控制響應(yīng)表，如表2所示。

表2 模糊控制響應(yīng)表

2.4 解模糊

U表示模糊控制器的輸出，由于U代表的是電流變送器的輸出，范圍在[4 000，20 000]，輸出量化等級與輸出相應(yīng)表如表3所示。

表3 輸出量化等級與輸出相應(yīng)表

3 仿真模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 Simulink仿真

按照前文介紹的模糊控制規(guī)則建立模糊推理系統(tǒng)，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)。PID控制中Kp=10，Ki=8，Kd=5，而模糊控制器中設(shè)置Gain=3.5，Gain1=0.5，Gain2=2，將基本論域與模糊論域?qū)?yīng)上；由于漆包機(jī)烘爐的傳遞函數(shù)可以近似為一個一階環(huán)節(jié)和遲滯環(huán)節(jié)，利用Simulink畫出仿真圖進(jìn)行PID控制與模糊控制的仿真，如圖3所示。

系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖4所示，通過比較PID控制器和模糊控制器，可知兩個系統(tǒng)的波形并沒有太大的區(qū)別，都提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，相對而言，PID控制一般需要精確建模，然后再用試湊法給出P、I和D參數(shù)；而模糊控制則不需要進(jìn)行精確建模。由于在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中難以確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因此模糊控制方法就具有較大應(yīng)用價值。

圖3 Simulink仿真圖

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用MCGS觸摸屏、RS485共享器、熱電偶溫度采集模塊、可控硅模塊、遠(yuǎn)程IO塊、電源模塊等組成控制系統(tǒng)，搭建了漆包機(jī)烘爐模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在MCGS組態(tài)環(huán)境下編寫熱平衡模糊控制程序并下載到嵌入式觸摸屏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在達(dá)到設(shè)定溫度時，熱電偶檢測到的溫度會在一定幅度內(nèi)上下波動，波動范圍在±2℃左右，控制精度達(dá)到3%以內(nèi)。

表4 溫度測量表

圖5 移動平均及去除偶然誤差的前后對比曲線

在實(shí)驗(yàn)條件下，由于系統(tǒng)回路接觸不良，使熱電偶的檢測溫度易產(chǎn)生跳動。所以在軟件中需要對熱電偶檢測到的溫度值進(jìn)行移動平均和去除偶然誤差處理平滑曲線。移動平均及去除偶然誤差的前后對比曲線如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)漆包機(jī)烘爐的熱能平衡模型，提出了相應(yīng)的熱平衡模糊控制方法。仿真和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱平衡模糊控制方法對烘爐加熱和熱平衡過程中各個溫控點(diǎn)的調(diào)溫效果好，穩(wěn)態(tài)精度能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。