限幅模糊串級(jí)控制系統(tǒng)在熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備中的應(yīng)用

摘 要：熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備在干燥變壓器器身過(guò)程中出現(xiàn)非線性、大慣性、大滯后等問(wèn)題，傳統(tǒng)PID很難實(shí)現(xiàn)線圈按照預(yù)定升溫速率升溫的工藝要求。本文提出了一種以模糊控制為主控制器，以常規(guī)PID為副控制器的串級(jí)控制系統(tǒng)，并用限幅算法進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：串級(jí)控制；模糊控制；限幅控制；PID；熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備；加熱系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.020

0 引言

熱風(fēng)循環(huán)真空干燥設(shè)備是配電變壓器器身干燥的較為常見的干燥設(shè)備之一。熱風(fēng)循環(huán)加熱有一定的升溫速率限制，如果器身在干燥過(guò)程升溫過(guò)快，絕緣表面很快干燥收縮，而內(nèi)層水分仍蒸發(fā)不出去，往往造成厚層絕緣件開裂。但如果升溫過(guò)慢，將會(huì)延長(zhǎng)處理時(shí)間，增加成本。行業(yè)內(nèi)一般以10～15℃/h的線圈升溫速率進(jìn)行加熱。

由于線圈中含有大量的銅，升溫較慢，存在時(shí)滯嚴(yán)重、加熱慣性大，不易調(diào)節(jié)等問(wèn)題。如果控制算法局限于常規(guī)的簡(jiǎn)單PID控制方法，系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量之間的矛盾不能得到解決。

為了保證控制對(duì)象的穩(wěn)定性，解決非線性、大慣性、大滯后等問(wèn)題，本文采用了控制效果較好的串級(jí)控制[1]。主控制器采用模糊控制，副控制器采用傳統(tǒng)PID控制，并結(jié)合實(shí)際情況采用限幅控制進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后超調(diào)量更小、更平穩(wěn)。

1 系統(tǒng)組成

加熱系統(tǒng)由導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)和熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成[2]，如圖1所示。油泵驅(qū)動(dòng)導(dǎo)熱油進(jìn)入電加熱器進(jìn)行加熱，并送入導(dǎo)熱排管，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)氣流，導(dǎo)熱排管對(duì)氣流加熱，加熱后的氣流對(duì)器身進(jìn)行加熱干燥，另配有真空系統(tǒng)抽出水汽。

2 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 串級(jí)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文采用主控制器和副控制器串接，實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)熱油溫度T3、器身溫度T2和器身升溫速率V2，形成串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

主控制器采用模糊控制+限幅控制，是目標(biāo)升溫速率的定值控制，將升溫速率設(shè)定值V1和實(shí)測(cè)器身升溫速率V2比較，經(jīng)過(guò)模糊算法計(jì)算得到溫度調(diào)整量△T2，然后結(jié)合當(dāng)前理想溫度設(shè)定值T4計(jì)算得到溫度設(shè)定值T5，經(jīng)過(guò)限幅控制后得到最終導(dǎo)熱油溫度設(shè)定值T6作為副控制器的輸入，其中T4經(jīng)過(guò)目標(biāo)溫度設(shè)定值T1計(jì)算得到。副控制器采用傳統(tǒng)的PID控制，是隨動(dòng)控制，直接控制電加熱器加熱導(dǎo)熱油，結(jié)合熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)間接加熱變壓器器身。

2.2 PID控制器

副控制器采用PID控制器，PID控制算法的數(shù)字表達(dá)式為：

式中KP，KI，KD為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。PID控制器將主控制器的溫度設(shè)定值T6和實(shí)際導(dǎo)熱油溫度值T3進(jìn)行比較，并經(jīng)過(guò)PID算法計(jì)算得出晶閘管控制模塊的電壓值，由其驅(qū)動(dòng)電加熱管加熱導(dǎo)熱油，通過(guò)PID的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油的相對(duì)恒溫控制，導(dǎo)熱油溫度值跟隨主控制器溫度設(shè)定值變化而變化。

2.3 模糊控制器

由于工藝要求器身溫度需要按照預(yù)定的升溫速率V1進(jìn)行加熱，所以副控制器的給定值也需要按照一定的速率遞增。由于導(dǎo)熱油升溫較快，而通過(guò)熱風(fēng)加熱的器身滯后較為嚴(yán)重，所以副控制器的給定值按照目標(biāo)升溫速率V1進(jìn)行設(shè)定將存在嚴(yán)重滯后的問(wèn)題；而如果按照通過(guò)目標(biāo)溫度設(shè)定值T1計(jì)算出來(lái)的當(dāng)前理想油溫設(shè)定值T4來(lái)設(shè)定，依然存在較大的偏差。在這個(gè)非線性、大慣性、大滯后系統(tǒng)中，特別適合使用模糊控制，基于經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)，建立模糊控制規(guī)則表，如圖3所示。

由器身實(shí)際升溫速率差值△V、導(dǎo)熱油溫度T3和器身實(shí)時(shí)溫度T2之間的差值△T1構(gòu)成二維模糊控制規(guī)則表，輸入和輸出的語(yǔ)言變量采用NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）進(jìn)行標(biāo)示[3]?！鱒的取值范圍在[-4，4]之間，△T1在[0，4]之間取值，△T2取值范圍在[-2，3]之間。

2.4 限幅控制

為了減少實(shí)時(shí)升溫速率的波動(dòng)并使實(shí)時(shí)溫升速率更貼近目標(biāo)值，本系統(tǒng)在模糊控制的基礎(chǔ)上增加了限幅控制，油溫設(shè)定值被限定在T6上限和T6下限之間，導(dǎo)熱油溫度設(shè)定值在T6理想曲線附件游動(dòng)，被限制在陰影區(qū)域內(nèi)，這樣很好地解決了大超調(diào)的問(wèn)題。

3 調(diào)試

調(diào)試時(shí)先將PID進(jìn)行自整定，使油溫能快速平穩(wěn)地進(jìn)行定制控制，然后再對(duì)模糊控制規(guī)則表進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。測(cè)試時(shí)需采用不同等級(jí)的變壓器進(jìn)行對(duì)比校正，形成可靠的專家經(jīng)驗(yàn)。保溫階段溫度設(shè)定值限定算法要有所提前，否則造成保溫階段超調(diào)。實(shí)際運(yùn)行效果良好，升溫速率穩(wěn)定、波動(dòng)較小，超調(diào)較小，運(yùn)行曲線如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將二維模糊控制器和常規(guī)PID控制器組成串級(jí)系統(tǒng)，結(jié)合限幅控制應(yīng)用到熱風(fēng)循環(huán)干燥中，達(dá)到減小超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差效果，并成功應(yīng)用于奧地利某變壓器廠，得到廠家的高度好評(píng)。本控制系統(tǒng)特別適用于非線性、大慣性、大滯后的加熱系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：吳標(biāo)平（1977-），男，廣東中山人，本科，研究方向：真空設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。