摘 要：熱風循環(huán)干燥設備在干燥變壓器器身過程中出現(xiàn)非線性、大慣性、大滯后等問題，傳統(tǒng)PID很難實現(xiàn)線圈按照預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為副控制器的串級控制系統(tǒng)，并用限幅算法進行優(yōu)化。

關鍵詞：串級控制；模糊控制；限幅控制；PID；熱風循環(huán)干燥設備；加熱系統(tǒng)

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

0 引言

熱風循環(huán)真空干燥設備是配電變壓器器身干燥的較為常見的干燥設備之一。熱風循環(huán)加熱有一定的升溫速率限制，如果器身在干燥過程升溫過快，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。但如果升溫過慢，將會延長處理時間，增加成本。行業(yè)內(nèi)一般以10～15℃/h的線圈升溫速率進行加熱。

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

為了保證控制對象的穩(wěn)定性，解決非線性、大慣性、大滯后等問題，本文采用了控制效果較好的串級控制[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)合實際情況采用限幅控制進行優(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)由導熱油加熱系統(tǒng)和熱風循環(huán)系統(tǒng)組成[2]，如圖1所示。油泵驅(qū)動導熱油進入電加熱器進行加熱，并送入導熱排管，熱風循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)氣流，導熱排管對氣流加熱，加熱后的氣流對器身進行加熱干燥，另配有真空系統(tǒng)抽出水汽。

2 串級控制系統(tǒng)設計

2.1 串級系統(tǒng)的總體設計

本文采用主控制器和副控制器串接，實時測量導熱油溫度T3、器身溫度T2和器身升溫速率V2，形成串級控制系統(tǒng)，如圖2所示。

主控制器采用模糊控制+限幅控制，是目標升溫速率的定值控制，將升溫速率設定值V1和實測器身升溫速率V2比較，經(jīng)過模糊算法計算得到溫度調(diào)整量△T2，然后結(jié)合當前理想溫度設定值T4計算得到溫度設定值T5，經(jīng)過限幅控制后得到最終導熱油溫度設定值T6作為副控制器的輸入，其中T4經(jīng)過目標溫度設定值T1計算得到。副控制器采用傳統(tǒng)的PID控制，是隨動控制，直接控制電加熱器加熱導熱油，結(jié)合熱風循環(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定值T6和實際導熱油溫度值T3進行比較，并經(jīng)過PID算法計算得出晶閘管控制模塊的電壓值，由其驅(qū)動電加熱管加熱導熱油，通過PID的閉環(huán)控制實現(xiàn)導熱油的相對恒溫控制，導熱油溫度值跟隨主控制器溫度設定值變化而變化。

2.3 模糊控制器

由于工藝要求器身溫度需要按照預定的升溫速率V1進行加熱，所以副控制器的給定值也需要按照一定的速率遞增。由于導熱油升溫較快，而通過熱風加熱的器身滯后較為嚴重，所以副控制器的給定值按照目標升溫速率V1進行設定將存在嚴重滯后的問題；而如果按照通過目標溫度設定值T1計算出來的當前理想油溫設定值T4來設定，依然存在較大的偏差。在這個非線性、大慣性、大滯后系統(tǒng)中，特別適合使用模糊控制，基于經(jīng)驗和領域?qū)＜抑R，建立模糊控制規(guī)則表，如圖3所示。

由器身實際升溫速率差值△V、導熱油溫度T3和器身實時溫度T2之間的差值△T1構(gòu)成二維模糊控制規(guī)則表，輸入和輸出的語言變量采用NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）進行標示[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

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

3 調(diào)試

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

4 結(jié)束語

本文將二維模糊控制器和常規(guī)PID控制器組成串級系統(tǒng)，結(jié)合限幅控制應用到熱風循環(huán)干燥中，達到減小超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差效果，并成功應用于奧地利某變壓器廠，得到廠家的高度好評。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：

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[2]中山凱旋真空技術工程有限公司.干燥設備的升溫控制系統(tǒng)及干燥設備[P].中國： 201621133653，2017-09-22.

[3]馬玉，谷立臣.限幅模糊與帶閾值設置PID補償?shù)淖冝D(zhuǎn)速液壓源流量控制方法研究[C].武漢：中國機械工程，2015，26（16）：2199.

作者簡介：吳標平（1977-），男，廣東中山人，本科，研究方向：真空設備自動控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用。