電阻爐溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化

楊 亮

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

在機械、化工等領(lǐng)域因為需要進(jìn)行材料的加熱處理,因此電阻爐使用較為普遍。電阻爐作為一種利用電流加熱電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備,其溫度的調(diào)節(jié)時間長,且抗干擾能力較差?，F(xiàn)階段電阻爐的爐溫控制主要以常規(guī)的PID為主,這一方法雖然操作簡單,但是難以建立起精確的模型,使得電阻爐爐溫控制效果不佳。同時電阻爐的使用時間過長也會出現(xiàn)溫差情況,因此對電阻爐溫度控制系統(tǒng)加以優(yōu)化十分重要?；谝陨蠁栴},本文主要探討在工業(yè)生產(chǎn)中電阻爐的溫度控制優(yōu)化方法,希望能夠提升電阻爐溫度控制的準(zhǔn)確性以及溫控系統(tǒng)的適應(yīng)性。

1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)框架

工業(yè)上對于金屬材料的熱處理方式為先加熱,然后到指定溫度后,在該定溫度下進(jìn)行一段時間的保溫,然后再進(jìn)行降溫處理[1]。箱式電阻爐作為鋼件淬火等處理的重要構(gòu)件,其在工作時主要采用三相電阻絲進(jìn)行加熱。

傳統(tǒng)的電阻爐溫度控制采用閉環(huán)系統(tǒng)管理方式。借助溫度傳感器進(jìn)行電阻爐的溫度采集,然后借助系統(tǒng)進(jìn)行分析,將電阻爐的溫度值與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定值相比較計算出溫度偏差,偏差經(jīng)由數(shù)字轉(zhuǎn)換輸入到控制器中,然后得到控制信號對可控硅進(jìn)行控制,進(jìn)而通過改變電阻絲的電流實現(xiàn)對電阻爐實際爐溫的控制[2-3],如圖1所示。

2 基于熱電偶實現(xiàn)電阻爐溫控系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 熱電偶溫度校驗原理

常規(guī)電阻爐的爐溫采集為溫度傳感器,通過溫度傳感器實現(xiàn)對電阻爐爐溫數(shù)據(jù)的采集。這一采集方式會因為使用的時間出現(xiàn)明顯的溫度偏差[4]。熱電偶作為一種常見的測溫元件,具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、慣性小等優(yōu)勢,受到時間影響出現(xiàn)偏差的概率較小[5]。

電阻爐的內(nèi)外部構(gòu)造如圖2所示,設(shè)有爐門、電阻絲以及耐火磚等。熱電偶溫度采集需要將熱電偶在電阻爐安裝時從爐門插入電阻爐的內(nèi)部,將中間的縫隙以石棉繩填滿,然后按照使用說明進(jìn)行電源線等連接[6]。安裝完成的熱電偶能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的高溫作業(yè),對電阻爐內(nèi)部角落以及中心部位進(jìn)行全方面檢測。

2.2 熱電偶溫度精準(zhǔn)校驗設(shè)計

將熱電偶用于電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的溫度測量裝置,能夠提升測溫的直觀性。同時熱電偶配有電子調(diào)節(jié)器熱電機、絕緣套、固定裝置以及多處伸縮桿等[7],如圖3所示。

圖3 熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行測溫時將其放置于電阻爐的內(nèi)部,能夠?qū)崿F(xiàn)多處位置的溫度采集,便于電阻爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)合多點溫度進(jìn)行校驗。同時根據(jù)熱電偶的中間溫度定律,在設(shè)計時需要進(jìn)一步對電路加以簡化,借助系統(tǒng)控制方式實現(xiàn)非線性以及濾波等功能,提升熱電偶校驗的準(zhǔn)確度,為電阻爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)揮作用[8]。

3 基于CPLD實現(xiàn)電阻爐溫控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 硬件選型

在電阻爐的溫控系統(tǒng)中,現(xiàn)場溫度的采集是實現(xiàn)電阻爐溫度精準(zhǔn)采集的前提。因此本系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計選用CWDZ11型電熱偶作為電阻爐溫度采集的設(shè)備。該型熱電偶具有靈敏、穩(wěn)定等優(yōu)勢,能夠提升電阻爐溫度采集的準(zhǔn)確性[9]。

在熱電偶將采集到的電阻爐溫度信號發(fā)送至控制系統(tǒng)終端-主控器模塊時,主控器模塊對信號進(jìn)行響應(yīng)。因此在進(jìn)行主控器選型時,充分考慮到其工作的需求,主控器選用ALTERA公司的CPLD可編程邏輯器[10]。

人機交互界面是電阻爐溫控操作人員進(jìn)行溫控參數(shù)設(shè)定以及系統(tǒng)調(diào)整的重要途徑。因此人機交互界面必須具有較高的清晰度以及高分辨率。因此人機交互界面選用中顯生產(chǎn)的SD7302BT型號的8.2寸液晶觸摸顯示屏作為主平臺,這一觸摸顯示屏的分辨率為1 200×800,能夠滿足分辨率的要求,同時其配備有喇叭以及LED能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時報警[11]。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)示意

在電阻爐溫度控制系統(tǒng)工作時,操作人員首先通過人機交互模塊(液晶顯示屏)對物質(zhì)加熱所需升溫溫度以及升溫時間進(jìn)行設(shè)定。在接收到設(shè)定溫度控制需求后,主控器接收由熱電偶傳遞的電阻爐實時溫度,借助控制算法對溫度的預(yù)設(shè)值與實時采樣值進(jìn)行計算,然后將計算結(jié)果傳回主控制器模塊,由主控制器根據(jù)計算結(jié)果發(fā)送出控制指令到執(zhí)行單元,指令經(jīng)過控制晶閘管驅(qū)動功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作,從而實現(xiàn)通過控制電流以控制電阻爐溫度的效果[12]。

3.3 控制算法

傳統(tǒng)的PID算法雖然具有原理簡單、操作容易的優(yōu)勢,但因為其偏差較大,控制效果不佳。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為一種由神經(jīng)元可調(diào)的連接權(quán)值所組成的算法,模擬人的神經(jīng)系統(tǒng),能夠進(jìn)行自組織的學(xué)習(xí)[13]。理論上來講,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠近似于任何函數(shù),非線性映射能力極強,學(xué)習(xí)參數(shù)的設(shè)定具有靈活性以及適應(yīng)性,能夠并行信息處理[14]。因此本系統(tǒng)采用經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法進(jìn)行系統(tǒng)操作設(shè)計。

傳統(tǒng)PID算法可以表示為

Δe(t)=Kp[z(t)-z(t-1)]+KIz(t)+

KD[z(t)-2z(t-1)+z(t-2)]

式中:t為時刻;Kp、KI以及KD為比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù);z(t)為電阻爐初始設(shè)定值以及實際值之間的差。建立起以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)的動態(tài)模型,將Kp、KI以及KD系數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行設(shè)置,源碼如下:

Module bp-pid(input clk,

input rse_n,

input [8∶0] er,

output reg [16∶0] fu

);

wire [16∶0]fu_wire;

reg [8∶0]eri,er2

parameter kd=5;

parameter ki=1;

parameter kp=1;

end

4 基于Matlab以及Smith仿真實驗分析

為了解熱電偶以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于電阻爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果,利用Matlab以及Smith對其電阻爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。按照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)后的PID源碼進(jìn)行參數(shù)設(shè)計得到KD=5;KI=1;Kp=1。同時為了驗證本文設(shè)計的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果,將傳統(tǒng)PID控制下的電阻爐作為對照對象[15]。選用45鋼等溫球化退火工藝電阻爐作為實驗對象。然后追蹤同一流程下、同樣型號的電阻爐不同溫控系統(tǒng)的曲線變化,對照曲線得到溫控系統(tǒng)的優(yōu)越性。結(jié)果如圖5所示。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)PID控制結(jié)果

由圖5可知,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以改進(jìn)的PID電阻爐溫度上升曲線的波動更小,基本上能夠圍繞著標(biāo)定曲線進(jìn)行追蹤,其超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時間明顯小于傳統(tǒng)PID。且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)PID的電阻爐溫度上升具有較強的規(guī)律性,因此改進(jìn)后的控制系統(tǒng)效果更好,說明系統(tǒng)得到明顯的優(yōu)化。

5 結(jié) 語

電阻爐作為一個純滯后時間較長的設(shè)備,在進(jìn)行控制的時候更要注意其調(diào)節(jié)時間。熱電偶能夠提升電阻爐溫度控制的準(zhǔn)確率,為控制終端提供精確的反饋,而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)PID能夠縮短電阻爐的調(diào)節(jié)時間,使其更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。本文為優(yōu)化電阻爐溫度控制系統(tǒng),一方面熱電偶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度傳感器,另一方面用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)算法替代PID,取得了較好的效果,能夠縮短電阻爐溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,提升工業(yè)生產(chǎn)的效率。