楊 亮

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

在機(jī)械、化工等領(lǐng)域因?yàn)樾枰M(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(shí)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(shí)電阻爐的使用時(shí)間過長也會(huì)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。基于以上問題,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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)對電阻爐實(shí)際爐溫的控制[2-3],如圖1所示。

2 基于熱電偶實(shí)現(xiàn)電阻爐溫控系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 熱電偶溫度校驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對電阻爐爐溫?cái)?shù)據(jù)的采集。這一采集方式會(huì)因?yàn)槭褂玫臅r(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)熱電偶配有電子調(diào)節(jié)器熱電機(jī)、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(shí)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(diǎn)溫度進(jìn)行校驗(yàn)。同時(shí)根據(jù)熱電偶的中間溫度定律,在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)一步對電路加以簡化,借助系統(tǒng)控制方式實(shí)現(xiàn)非線性以及濾波等功能,提升熱電偶校驗(yàn)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(shí)現(xiàn)電阻爐溫控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)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(shí),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(shí),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(jī)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(jī)交互界面必須具有較高的清晰度以及高分辨率。因此人機(jī)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(shí)其配備有喇叭以及LED能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警[11]。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

在電阻爐溫度控制系統(tǒng)工作時(shí),操作人員首先通過人機(jī)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(shí)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(shí)時(shí)溫度,借助控制算法對溫度的預(yù)設(shè)值與實(shí)時(shí)采樣值進(jìn)行計(jì)算,然后將計(jì)算結(jié)果傳回主控制器模塊,由主控制器根據(jù)計(jì)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(dòng)功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作,從而實(shí)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?yàn)槠淦钶^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(qiáng),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(jì)。

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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)模型,將Kp、KI以及KD系數(shù)的動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jì)得到KD=5;KI=1;Kp=1。同時(shí)為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)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(qiáng)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(gè)純滯后時(shí)間較長的設(shè)備,在進(jìn)行控制的時(shí)候更要注意其調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)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(shí)間,提升工業(yè)生產(chǎn)的效率。