压力容器退火炉温度模糊自整定PID控制器的研究

?必威动态 ????|???? ?2019-08-01 11:57


  压力容器退火(annealing)炉是一种热处理设备,它把压力容器加热到一定温度(temperature)并维持一段时间,然后让其自然冷却。其目的在于消除压力容器的整体应力,提高压力容器的使用寿命。它根据处理的压力容器的材料及成品的工艺要求,控制其温度上升的时间和速度,以及维持该温度的时间。
  退火炉本身是一个比较复杂的被控对象,它具有非线性、时变和分布参数等特征。很难建立一个精确的数学模型来描述它,一般简单地用一个纯滞后二阶惯性环节来描述它。
  采用传统的PID控制策略来控制退火炉的温度,由于参数不易整定、抗干扰性不强、适应性差、严重依赖操作人员的现场经验等一系列的缺点,从而不适应现代热处理工艺的要求。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一类计算机数字控制算法2.它对那些时变的、非线性的复杂控制系统而有无法获得精确数学模型的被控工业对象具有很好的控制效果W.但由于存储量的影响,在控制精度方面,模糊控硕士,从事异步电机节能运行的研宄。
  制没有PID控制理想。因此如果采用模糊控制与经典PID控制相结合的控制策略,则可以扬长避短,使系统既有PID控制的精度高的特点,又具有模糊控制的灵活、适应性强的特点。
  2控制策略的实现模糊控制与PID控制结合的方法多种多样,在这里采用的是一种模糊自整定控制方案。模糊自整定PID参数控制器是一种在常规PID控制器的基础上,应用Fuzzy集合理论建立参数fc
  P、与fcd系统偏差e和偏差变化ec的二元连续关系:并根据不同的
  E、ec在线整定参数与的Fuzzy控制器。模糊自整定PID参数控制原理如所示。
  自整定模糊控制器结构3模糊自整定PID控制器设计模糊控制设计的核心是根据工程设计人员的技术常识和实际操作控制经验,建立合适的模糊规则表,得到分别针对知、f
  C、知3个参数(parameter)整定的模糊控制表。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。知、f
  E、知的模糊规则如表1~表3.表1整定Fuzzy规则集模型IABABZO表2整定Fuzzy规则集模型尸尸2*2尸尸洲耶洲烈耶洲表3幻整定Fuzzy规则集模型fc
  P、f
  E、fcd的模糊规则表建立好后,可根据如下方法进行fc
  P、f
  E、知的自适应fe正。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛,它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。
  将温差
  E、温差变化量,相应的模糊变量
  五、五C的输出变量的论域和隶属函数,如所示。
  在确定隶属函数的基础上,由FISEditor进入Rule Editor,按上述49条模糊控制规则建立模糊控制器fUzzy-pid.fis. 4SIMULINK仿真与结果分析通过对退火炉的性能和数据的分析,初步建立其数学模型如式所示,对系统分别采用PID控制、模糊控制和模糊自整定PID控制进行仿真。其中PID控制和模糊控制均按二阶对象整定控制器参数。但实际情况下,式中的参数
  R、7\、乃、尤并不是固定值,所以必须进行鲁棒性能分析。
  为了比较几种控制器的适应能力,在保证整定的控制器参数不变的情况(Condition)下,先改变控制对象的时间参数乃、r2和纯滞后时间t观察系统的响应特性的变化;然后,在被控对象的时间参数不变的情况下,改变系统的结构,比较各种控制方式的响应曲线。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。二阶对象参数选择如下:K=20,r=0.8s,s,乃s.PID控制时按阶工程法整定参数为:知=0.22,fc=系统输入7=2mA时的响应特性,如所示,可知模糊自整定PID控制具有比PID控制、模糊控制更好的动态性能和稳定性。
  隶属函数编辑器49条模糊规则如下:4.1对象时间参数变化的仿真结果分析bookmark4保持系统的模型不变,改变时间参数,r=ls,ri=4s,r2=3s,得到如所示的仿真结果。由仿真结果可知,当系统的时间参数变化时,PID控制的超调明显增大,并且有出现震荡的趋势(trend);模糊控制有较好的适应能力,但快速跟踪能力大大下降;而模糊自整定PID控制器的跟踪能力和适应能力都较好。
  4.2对象结构及环境参数变化的仿真结果分析(Analyse)保持时间参数不变,对象的模型结构由二阶变为三=is,得到如所示的仿真结果。由仿真结果可知,PID控制(control)的超调大大增加,出现剧烈震荡,系统不稳定性;模糊控制的适应能力较好,但震荡增强,难以消除稳态偏差;而模糊自整定PID控制有相当好的适应能力,而且能消除稳态误差。
  对象结构变化时系统响应特性比较5在压力容器退火炉中的应用5.1控制系统结构根据退火炉的工作特点,本方案采用16位单片机对炉温进行控制。单片机通过温度传感器对炉温进行巡回检测,检测的信号经过信号调整电路放大以后,送单片机进行A/D转换,单片机按照给定的控制规律(rhythmical)进行运算,经过模糊推理,在线修改PID参数进行PID调节。退火炉温度控制系统结构如所示。
  5.2调试结果本系统调试在某企业的压力容器热处理车间进行。该压力容器退火炉总加热功率为1 380V纯阻性负载。根据本文设计的温度控制系统,进行调试。
  压力容器在热处理过程中需要按照规定的温度工艺曲线进行处理,典型的温度工艺如所示。主要包括升温、保温和降温三个工艺阶段。试验中,该温控系统跟踪给定温度的结果如所示。试验结果记录表明:升温、降温无超调,长周期连续运行过程中温度控制误差不超过*2*C,达到了设计要求。
  6结语模糊自整定PID控制方案充分兼顾了模糊控制和PID控制的优点,避开了对退火炉建立精确数学模型这一难题。从仿真结果及分析来看,在退火炉温度控制中采用模糊自整定PID控制具有以下优点:系统具有较好的动态性能,响应快,超调小;系统具有较好的静态性能,震荡小,没有静态误差;当系统的时间参数或结构发生变化时,模糊自整定PID控制有较好的适应力和鲁棒性。