夏百花，韋 穎，方 飛

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

電阻爐是熱處理工藝過程中應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的電加熱設(shè)備。隨著控制技術(shù)日新月異的發(fā)展，對電阻爐溫度控制的要求也就越來越高。電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或熔化工件和物料的熱加工設(shè)備，其溫度控制具有單向性、大慣性、大滯后等復(fù)雜特點(diǎn)，主要分為升溫、保溫和降溫3個部分，其中，升溫、保溫依賴電阻絲加熱完成，而降溫則主要依靠自然環(huán)境進(jìn)行冷卻。

1 系統(tǒng)框架

電阻爐溫度控制系統(tǒng)多采用閉環(huán)控制，首先，將電阻爐實(shí)際溫度值通過溫度傳感器測量出來；其次，通過負(fù)反饋與設(shè)定溫度進(jìn)行比較得到偏差信號，送入控制器中得到控制信號，控制可控硅，以此改變電阻絲的加熱電流或電壓，從而實(shí)現(xiàn)電阻爐的溫度控制[1]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)框架

本文主要是采用傳統(tǒng)PID控制、Smith控制和模糊控制3種算法實(shí)現(xiàn)對電阻爐溫度的控制，并進(jìn)行仿真及對仿真結(jié)果的比較分析。

2 控制算法比較

理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，均將電阻爐當(dāng)作具有自平衡能力且存有滯后的被控對象，因此其數(shù)學(xué)模型可用一階慣性和純滯后兩個環(huán)節(jié)進(jìn)行描述，系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：

2.1 不加控制器仿真

不外加控制器的仿真模型控制如圖2所示，其仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出，此系統(tǒng)具有100 ms的延遲，并且在仿真時(shí)間內(nèi)僅上升到了70°左右（設(shè)定值為100°），且調(diào)節(jié)時(shí)間較長。

圖2 不加控制器的系統(tǒng)仿真模型

圖3 不加控制器的仿真結(jié)果

2.2 PID控制器仿真

PID控制器所采用的控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，控制規(guī)律如圖4所示。

圖4 PID控制原理

其PID控制器的輸入與輸出之間的關(guān)系為：

對于此系統(tǒng)，在筆者有限的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，未找到使系統(tǒng)穩(wěn)定的合適PID值。雖然PID控制器憑借結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)調(diào)整方便等諸多優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于大多數(shù)控制系統(tǒng)中，但在此系統(tǒng)中延遲較大，難以實(shí)現(xiàn)對溫度的控制[2]。

2.3 Smith預(yù)估控制算法仿真

Smith預(yù)估控制算法是一種針對大時(shí)間滯后系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒?。圖5為Kp=0.7，KI=0.16，Td=1.3時(shí)的Smith控制系統(tǒng)仿真結(jié)果。

可以看出，該控制方法超調(diào)量較大，動態(tài)過程調(diào)節(jié)時(shí)間較長。但在此系統(tǒng)中，當(dāng)其溫度一旦出現(xiàn)超調(diào)量，就無法采用控制手段來降溫，因而應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和控制方法難以達(dá)到理想的控制效果[3]。

2.4 模糊控制算法仿真

智能控制方案是一類無需人為干預(yù)就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動調(diào)節(jié)控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它和常規(guī)控制理論不同的地方在于：（1）不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型。（2）不需要進(jìn)行定量計(jì)算與困難性分析。它是一種無模型控制方案，即在不知道對象精確模型的情況下，在自我的調(diào)節(jié)作用下，使得實(shí)際響應(yīng)曲線近似于理想響應(yīng)曲線[4]。

模糊控制是智能控制的一個重要分支，本設(shè)計(jì)采用的模糊控制器采用兩輸入一輸出的控制方法，其中輸入為表示溫度誤差E和誤差變化率EC，輸出為控制加熱的供電電壓U，均為模糊變量。

此系統(tǒng)輸入為單位階躍信號，選取量化因子Ke=0.7，Kec=0.05，比例因子Ku=0.02，建立如圖6所示模糊控制系統(tǒng)，其Matlab仿真結(jié)果如圖7所示?？梢缘贸?，系統(tǒng)在整個響應(yīng)過程中未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，且動態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間減小。

圖6 模糊控制系統(tǒng)仿真模型

圖7 模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 結(jié)語

對于一個純滯后時(shí)間較長且不允許出現(xiàn)超調(diào)的電阻爐溫度控制來說，由于系統(tǒng)本身是一個自衡系統(tǒng)，雖能最終到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，但調(diào)節(jié)時(shí)間較長；而對于常規(guī)PID控制來說，比例、積分和微分3個參數(shù)不易找到，故不選用此算法；廣泛適用于滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估算法雖然也能穩(wěn)定，但其算法中需要知道被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，故不選用此方法；由于電阻爐本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型很難得到，當(dāng)采用模糊控制時(shí)，整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較小，且沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，故選用此方法。