辊道窑温度分布式智能控制系统的组成、工作原理及应用介绍

1 引言

陶瓷生产是一门古老、历史悠久的传统工业，陶瓷辊道窑的生产过程均采用传统的手工操作，炉温波动幅度大，造成瓷砖质量不高，甚至出现产品不合格的情况，再加上现场环境条件差，工人的劳动强度大，操作员工增加，对企业的经济效益影响较大。为了提高陶瓷生产水平，根据企业的实际需求和工厂提出的工艺要求，我们研制了一套分布式智能控制系统对辊道窑炉温度进行集中监控，从而提高瓷砖的质量与产量，改善工人的劳动条件，提高生产效率。

2 辊道窑温度分布式控制系统的组成及原理

为分散控制系统，分散型控制系统，集散控制系统。行业内业称4C技术既Control控制技术；Computer 计算机技术；Communication 通信技术；Cathode Ray Tube CRT显示技术。分布式控制系统由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统 。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制 。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。

该系统由上位机与下位机两大部分组成，上位机与下位机通过RS-485通讯协议完成信息的传递，上位机由586微机加RS232C/RS485转换器构成，位于集中控制室，完成向下位机（现场控制器）发送命令、接收现场控制器数据及数据分析、存储、报表打印、显示等功能。上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。6个控制器通过电动比例调节阀调整喷油量达到分别控制窑炉内6点温度，从而保证窑炉烧成带温度的恒定，该系统特别适合于象辊道窑这样的小规模DCS系统。

3 智能温度控制器的设计

3.1 概述

常规PID控制器由于具有原理简单，稳定性好，易于实现等优点，因而在过程控制中得到广泛应用，但在辊道窑温度控制系统中，工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，为此，在PID控制器设计时，首先采用基于继电反馈的整定方法，确定PID调节器参数，再对PID参数实行实时Fuzzy校正，使其具有自适应功能，从而满足系统变工况的要求。

3.2 温控器的控制策略

3.2.1 PID参数自整定

根据继电振荡原理，继电反馈系统框图如图1所示。若继电器输出幅度为b，则根据非线性理论，继电器的描述函数为 ，其中误差信号的幅度为不断调整继电特性的幅值，使系统发生自振荡，然后测取振荡周期与幅度，便可得出临界增益 与临界周期 。利用这两个参数，根据Ziegler-Nichols方法，可得出PID参数。PID参数整定完毕后，此参数作为PID控制器Fuzzy校正的初值，并自动转入PID参数Fuzzy校正控制。一般在系统初次投入时整定，并把整定值存入EEPROM中。

其中 Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

3.2.2 PID参数实时Fuzzy校正

根据上述自整定得出的PID参数，当辊道窑炉参数或工况发生变化时，系统的性能将下降，甚至无法满足工艺要求，所以必须对PID参数进行在线调整。目前较多地采用自校正PID算法，但这种方法是基于被控对象精确的数学模型，为此，我们采用模糊控制技术，模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新颖技术。模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，成为智能控制技术的一个重要分支。根据系统运行过程中的偏差绝对值 及偏差的积累绝对值 ，对PID参数进行实时校正，当参数或工况发生变化时，逐步调整值，使系统控制性能处于最优状态。的修正规则如下：

（1）比例系数 增大，系统响应速度加快，稳态误差减小，因此在偏差大的情况下，要增大 值。但是 过大会使系统产生超调，甚至不稳定，因此在偏差小的情况下，要减小 值。将偏差绝对值 的模糊子集取为很大（VB）、大（B）、中（M）、小（S）和很小（VS）， 的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则 的修正量 的Fuzzy控制规则如表1所示。其中， 的基本论域为[0，10]，分为11个量化等级，即 =｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝， 的基本论域为[-0.5，+0.5]，分为11个等级即 =｛-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5｝。

（2）在PID控制器中，积分作用是为了消除稳态误差，加强积分作用（减小 ）有利于减小稳态误差，但过强的积分作用会引起积分饱和，使系统超调加大，甚至引起振荡。因此，在调节过程中的初期，即误差的积累 较小时，应减弱积分的作用（加大 ）。而在调节过程的后期，即误差累积 较大时，应加强积分作用（减小 ）。将误差累积绝对值 的模糊子集取为VB、B、M、S和VS， 的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则 的修正量 的Fuzzy控制规则如表2所示。其中， 的基本论域为[0，10]，分为11个量化等级，即 =｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝， 的基本论域为[-5，+5]，分为11个量化等级即 =｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。

（3）微分在PID控制中的作用主要是改善系统的动态性能，控制超调。对于变工况且不确定系统，在调节过程的初期，即误差的累积绝对值 较小时，应加强微分的作用（即增大 ），而在调节过程的后期，即误差累积的绝对值 较大时，应减弱微分的作用（即减小 ），将 的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则 的修正量 的Fuzzy控制规则如表2所示。其中， 的的基本论域为[-1，1]，分为11个量化等级即 =｛-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。

智能温度控制系统结构图如图2所示，当要整定参数时把开关打在T，参数整定完毕，切换到自动位置A，参数自调整控制器对控制对象进行调节。

4 智能控制器的实现

4.1 控制器的硬件系统

控制器的硬件主要由微处理机系统，输入通道，输出通道，键盘及显示等部分组成。

（1）微处理机系统：由8031单片机，2764 EPROM（用于存放监控及控制程序），2816EEPROM（用于存放自整定的参数及温度设定值），译码电路与锁存器等组成。

（2）输入通道：由热电偶冷端补偿电路，放大电路（OP07，741），V/F，光电耦合，计数器，定时器等组成。热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。采用两级放大器可将毫伏级信号放大到需要幅度0～5V，由上V/F转换成频率量，再通过软件的定时，计数完成A/D转换工作。

（3）输出通道：由D/A转换器，V/I转换器，输出锁存器和光电隔离电路组成。D/A转换器将输出转换为0～5V的电压信号，经V/I转换器输出0～10mA标准电流信号。

（4）键盘及显示部分：由8279，4个键与4个LED组成。

4.2 控制器的软件设计

控制器的软件主要由监控软件与控制软件组成，其软件框图如图3所示

4.3 调度与应用

为了不影响窑炉的正常生产，在PID参数整定前，先手动调节炉温到正常工作点（1200℃）附近，并设定电动比例调节阀的开度在工作点附近±10% 范围内变化，使PID调节器参数整定时，炉温变化幅度较小，如图4所示，其中前10 min为参数整定时间。温度的变化情况，采样周期t=15s。

该系统已在现场长期连续运行，性能稳定，可靠性高，采用温度智能控制后，在设定温度1200℃时，温度波动范围从原来手动控制时的 ℃降为 ℃，（见图4），说明该系统具有良好的控制性能。

5 结论

（1）由于采用分布式控制系统，上位机为586微机，软件资源丰富，可进行集中监控、画面显示、参数设定等工作，下位机能方便地与上位机交换信息，也可以单独运行，对现场进行实时控制，系统可靠性高，且价格低廉。

（2）温度控制器采用PID参数自整定技术，可以大大缩短现场调试时间，特别适合于缺乏自动化工程技术人员的工厂。

（3）对于无法确定精确数学模型及变工况（象燃油炉）控制对象，采用PID控制时，先采用自整定技术确定PID参数的初值，然后根据实时数据，对PID参数进行在线Fuzzy调整，是一种非常实用且有效的控制策略。