烘箱温度模糊PID控制系统的设计与实现

陈 杰 张开明 姚 远

（1.盐城师范学院 物电学院，江苏 盐城 224002；2.盐城供电公司，江苏 盐城 224002）

烘箱温度模糊PID控制系统的设计与实现

陈 杰1张开明1姚 远2

（1.盐城师范学院 物电学院，江苏 盐城 224002；2.盐城供电公司，江苏 盐城 224002）

文章在改造烘箱结构的基础上，建立了烘箱的数学模型，设计了模糊－PID控制器.以组态软件作为系统核心，将组态软件（MCGS）与模糊－PID控制器结合起来，将原来分散控制的12台烘箱设备集中控制，利用组态软件对生产过程进行动态工艺图显示、参数设置、实时数据采集等操作，通过智能模块对固态继电器进行控制，改以往的移相触发方式为过零触发，从而达到节电控温的目的.

氖泡生产线；温度控制；模糊PID控制；组态软件

0 引言

江苏伯乐达照明电气有限公司的氖泡生产车间有24 h运转的氖泡生产线80多条，每条氖泡生产线上都有一台5.1 k W的开放式电热烘箱，正常箱内温度为910℃±1℃.由于结构和控制的原因，烘箱表面温升达120℃及开口处的热量损耗较大，使企业承担很大的电费负担.其烘箱的温度控制由PID控制器和可控硅移相调压装置来实现.PID控制有结构简单、可靠性高、容易实现，并且可以消除稳态误差的优点，但其性能取决于参数的整定，其快速性和超调性之间的矛盾使它较难满足被控对象的技术要求.模糊控制事先不需要获知对象的精确数学模型，而是基于人类的思维以及生产经验，用语言描述控制过程，并可根据规则去调整控制算法或控制参数.模糊控制具有快速性的特点，而且还可以保持较小的超调量，但是其控制过程会存在一定的稳态误差［1］.本文在改造烘箱结构的基础上，将模糊控制和PID控制结合起来，形成模糊PID控制器，充分发挥模糊控制的快速性和PID控制几乎没有稳态误差的优点［3］，并结合组态软件将其应用于氖泡生产线烘箱温度控制系统，以实现对烘箱温度的快速和精确控制.

1 控制系统的硬件设计

1.1 烘箱结构的改造

氖泡生产线上的烘箱都是开放式电热烘箱，其外表形状与图1类似，但其用一层较厚的矿棉作为保温层，效果不好.为此，在不改变其尺寸的前提下，在其中间加一层金属内壳，很好地解决了散热严重的问题.改造后其结构如图1和图2所示.这种烘箱结构已获得国家实用新型专利，专利号：ZL200920152793.3.

1.2 控制系统的硬件组成

电热烘箱控制系统是由被控对象（12台烘箱）、温度传感器（热电偶）、执行器（固态继电器）和控制计算机等组成，系统组成框图如图3所示.图中电热烘箱作为被控对象，用热电偶检测烘箱出口温度，其温度值直接传送到智能数据采集模块RM410并由通讯线经RS485／RS232转换后和计算机的串行口相连，计算机对送来的测量值和设定值进行比较，得到偏差e；并按相应的控制规律进行运算，结果由RM441输出模块直接输出触发脉冲，驱动固态继电器通断对电热丝供电，从而实现对烘箱温度的控制.

图1 改造后烘箱效果图

图2 烘箱横截面图

系统中的智能模块分别采用北京中泰公司产品RM441，RM410和RM450，控制距离远达1 200 m，抗干扰能力强，可靠性高.其中，RM410是十四通道热电偶温度采集模块，可通过WRN－120型热电偶直接将现场温度采集到计算机中；RM441是路远端模拟量输出驱动模块；RM450是RS485／RS232转换模块.

1.3 控制系统的主电路

烘箱都是额定电压为220 V的单相电阻性负载，车间多台烘箱按功率分三组平均分配到各相电源上.各组负载均采用电热烘箱的电热丝串固态继电器输出后，并联到220 V电源.其主电路图如图4所示.固态继电器的通断触发信号控制.

图3 电热烘箱控制系统硬件接线示意图

2 控制系统的软件设计

2.1 电热烘箱数学模型的建立

由于烘箱内容积很小，又采用高性能绝热材料，故系统的时间常数和热惯性较小.经实验确定，K＝2.4，T＝280 s，τ＝20 s.为简单起见，设烘箱壁绝热，氖泡很小其吸热近似为0，令环境温度为0，则烘箱的传递函数为：

考虑到烘箱加热系统是纯滞后系统，则传递函数可表示为：

图4 氖泡车间烘箱控制主电路图（单相）

可见，烘箱加热系统是一阶纯滞后系统.

当PID控制器的三个参数分别为：KP＝1.8，KI＝0.015，KD＝1.0时，PID控制的稳态偏差最小且过渡时间合适.

2.2 模糊控制算法的设计

模糊PID控制规律通过编写脚本程序实现，这样充分运用计算机高速运算及复杂逻辑判断功能，不仅便于控制、监督和操作，还便于对控制算法进行修改调整.脚本程序流程图如图5、图6所示.

设定烘箱稳态工作温度为910℃，加热之初，由于采样值与设定值相差很大，系统进入模糊控制状态，此时烘箱全压进行，温度迅速上升，当温度上升至设定值 的96%（约880℃）时，自动转入PID控制状态，系统由PID控制，直到系统稳定.

图5 控制流程图

图6 模糊控制流程图

2.3 模糊PID控制器的设计

模糊PID控制器的结构如图7所示，特点是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统的控制量U，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现，正适合电热烘箱启动时温度调节范围大，稳定后温度调节范围小的特点［4］.

图7 调整系统控制量的模糊PID控制系统结构图

总结电热烘箱加热经验得到模糊控制规则如表1所示.表中U为模糊控制输出量，E为经模糊化的输入偏差，Ec为经模糊化的输入偏差变化率.

表1 模糊控制规则表

3 组态设置

利用组态软件设计出交互方便的人机界面，这样不仅可直观地监控工业现场，而且可以设置不同的工作方式和系统参数.同时还可在人机界面上设置具有工程应用价值的实时报表和历史报表，更加直观地实时曲线和历史曲线，用户还可以选择要监督显示的内容.人机交互界面一般包括现场连线画面、实时曲线、历史报表、现场数据浏览、系统参数设置和报警查询等.人机交互界面的功能如图8所示.

3.1 MCGS与设备间的通讯设置

MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换.设计中选用智能数据采集模块RM441和RM410，用RS485通讯线经RS485／RS232转换器RM450转换后和计算机的串行口相连，完成装置与计算机之间的数据通讯.在设备窗口中设置通用串口父设备为设备0，子设备分别为RM441／410.

3.2 系统主画面设计

利用MCGS提供的现成图形、图库分别设计系统结构图和各设备主控画面［5］.系统分布图如图9所示.用类似的方法可以设置出各个烘箱的主控界面、历史曲线界面、报警界面及实时数据界面等.指定In01－In12数据对象和设备RM410的模拟量对应的输入通道建立连接，指定Out01－Out12数据对象和设备RM441的开关量对应的输出通道建立连接.

图8 氖泡生产线温度系统人机界面功能框图

图9 氖泡车间温控系统分布图

3.3 脚本程序的编写

模糊PID控制规律通过编写脚本程序实现，这样充分运用计算机高速运算及复杂逻辑判断功能，不仅便于控制、监督和操作，还便于对控制算法进行修改调整.脚本程序流程图如图6、7所示.

在循环策略块中创建一个策略行.在策略行的条件部分可以控制该算法是否启动，设置循环策略的定时时间为1 s，在策略行的功能部分放置脚本程序构件.在组态中控制规则用“if…then…”条件语句表述.如“ifE＝1 andEc＝0.2 ThenU＝0.7”经反模糊化确定其对应的输出值.而PID控制程序可应用组态提供的参考程序.

3.4 实验验证

改造后，对系统进行了运行试验，测得每小时平均耗电4.5度，比改造前节约0.5 k W，改造前后实时温度曲线如图9和图10相比，明显可见，改造后系统的温度超调只有3℃，明显减小，过渡时间减少了近2 min，控制效果比原PID控制有明显提高.说明模糊－PID控制中模糊控制规则合理，PID参数设置正确，将模糊－PID控制器应用于烘箱加热系统完全可行.

4 结束语

本文在烘箱结构改造的基础上，在常规PID控制结构中加入模糊控制单元，构成模糊PID控制器.通过MCGS软件及应用，不仅设计、开发出控制性能优于常规模拟控制仪表的烘箱控制系统，而且操作及人机交互更加方便.本控制系统在江苏伯乐达照明电器有限公司经约十个月试运行，表明采用MCGS工控组态软件设计开发的电热烘箱温度控制系统不仅具有较好的节电效果，而且控制效果好，正在进行工程应用推广.

图10 改造前烘箱温度曲线

图11 改造后烘箱温度曲线

［1］文定都.基于模糊控制算法的炉温控制系统［J］.工业炉，2007，29（3）：30-32

［2］白美卿，高富强.电阻炉温控制中的可控硅触发技术［J］.自动化仪表，1996，17（2）：28-31

［3］王 鸣.基于模糊控制理论的一种PID参数自整定控制器的设计与仿真［J］.自动化与仪器仪表，2000，1：14-17

［4］姚娅川.模糊控制算法在组态软件中的应用与研究［J］.西南民族大学学报，2008，34（4）：3 124-3 137

［5］曹立学.基于组态软件的温度 DDC系统设计与实现［J］.计算机工程与设计，2008，29（19）：5 125-5 138

Design and Realization of Fuzzy PID Control for Oven Temperature Control System

Chen Jie1Zhang Kaiming1Yao Yuan2
（1.Physics and Electrical Technology School，Yancheng Teachers Collage；2.Yancheng Power Company，Yancheng 224002，China）

Based on rebuilding the oven structure，the mathematical model of oven is established and Fuzzy-PID controller rules are designed in this paper.With the core of MCGS，Fuzzy－PID controller combines with MCGS，twelve ovens that dispersed before are controlled in concentrated.By the use of MCGS，the dynamic technics maps of process are showed，PID parameters are setting，real time data are collecting.After replacing Zero-Crossing Trigger-Based with phase transfer，in the control of intelligence model，the aim of saving electricity and temperature controlling are realized.

Ne-lamp product line；temperature control；fuzzy-PID control；MCGS

王映苗】

1672-2027（2011）03-0090-05

T M463

A

2011-03-14

陈 杰（1965-），男，江苏盐城人，硕士，盐城师范学院物电学院高级工程师，主要从事工业自动化控制系统的研究和相关教学工作.