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玻璃钢化炉温控制策略与Fuzzy—PI模糊控制技术


  在钢化玻璃的生产过程中,温度是影响平板玻璃钢化的诸多因素当中最为关键的控制量:温度过低则达不到钢化要求,温度过高会导致角部翘曲,甚至引起炸裂;如果玻璃受热不均会导致局部波浪变形较大等现象,使钢化玻璃的成品率大大降低。当然,加热时间也不能过长,否则也会出现以上情况。如何精确快速地检测温度并进行有效的控制一直是一个主要的研究课题,不仅要求控制对象的精确性,而且更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力,因此有必要就平钢化控制的特点和要求寻找最优控制算法,实现有效控制。
  1 玻璃钢化过程中温度控制的工艺要求
  平钢化控制的一个最重要的特点就是具有大量加热炉温度检测和温度控制调节回路。系统通过热电偶测得当前的温度, 利用可控硅改变加
在电炉丝上的电压,从而改变电炉丝的功率,实现对系统的温度控制。根据钢化工艺需要和控制要求,加热炉中上下各有27个温度点,如图1所示。热电偶和电炉丝都是按此温度点的分布图进行安装。

  温度设置应遵循中间高、两头低的原则。因为入口处会因玻璃人片而带入大量冷空气,温度设置应比出口处高1O℃~20℃ ;炉两侧温度比中间低l0℃~30℃ 。图2是6ram白玻璃钢化时加热炉各区上部温度控制点设定温度值。实际生产中需根据玻璃大小适当调整边部温度降低设定值,宽度越小, 边部降低越多。另外要根据炉温状况,适当降低中部温度设置, 以免玻璃出炉温度过高,影响玻璃表面质量。

  和常见的温控系统相比,钢化炉温度的控制系统不仅要考虑温控点数, 而且要考虑到温度控制的精度和响应速度。针对以上要求和具体的加热炉硬件系统,实现温度的高精度快速控制,关键主要在于控制策略本身。
  2 玻璃钢化炉温度控制策略
  钢化炉一般采用传统的PID 控制方法,该方法在特定的使用环境下具有较好的控制效果。但是由于这类炉子具有严重的非线性及较大的时间滞后性, 很难用数学方法建立较为准确的数学模型, 同一组控制参数很难兼顾不同的控制要求,控制的超调大, 调节时间长,控制效果较差。而且,PID参数由人工现场输入,调试很费时间。
  因此,用传统的控制方法难以达到上述要求的精度,即便做到了,往往又因为算法复杂致使控制系统难以得到实时性的保证。
  模糊控制是一种通过模糊推理进行判决的高级控制策略。在设计系统时不需要建立控制对象精确的数学模型,只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作数据, 系统的鲁棒性强, 尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制。将模糊控制技术应用在钢化炉温度的检测和控制当中,能够提高控制系统的鲁棒性, 有效地抑制模型不定性影响,提高温度控制的精度。常规二维模糊控制器以误差和误差变化率为输入变量, 这就相当于有了PID控制器中的比例和微分两个环节。比例控制可以加快系统响应速度,减少系统稳态误差,提高控制精度;微分控制可以使系统超调量减小,稳定性增加,但对干扰同样敏感,会降低抑制干扰的能力。因此它的稳态控制精度较差,控制欠细腻, 难以达到较高的控制精度。而积分控制可以消除稳态误差,这正是模糊控制器缺少的环节。

  为此,本系统设计了一种Fuzzy-PI复合控制器,其控制原理如图3所示。在输入信号之后,设置了一个带阀值的模态转换器,根据阀值与的比较结果确定模态: 当e;k于阀值时,让信号传输到Fuzzy控制器, 以得到良好的瞬态性能;若e4,于阀值,则让信号传输到PI控制器, 以获得良好的稳态性能。这种Fuzzy-PI复合控制器比单个的模糊控制器具有更高的稳态精度, 而比经典的PI控制器具有更快的动态响应特性 。
  Fuzzy-PI控制器的主要设计思想是: 当温度偏差较大时采用Fuzzy控制, 以加快响应速度;当温度偏差较小进入稳态过程后, 则由程序切换到PI控制, 消除静态误差,提高控制精度。切换时机由计算机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。这样,保持了两种控制方法的优点,既改善了常规控制的动态特性,又保持了常规控制的稳态特性。

  Fuzzy-PI控制系统的组成如图4所示。其中,调压器为执行机构、钢化炉为被控对象(加热方案为电炉丝吹风加热)、热电偶为测量与反馈装置。
  图中PI为常规比例积分调节器,FLC为模糊控制器,K为由偏差控制的软开关。电炉丝为被控对象,炉内温度T是被控参数,TO是温度给定值,220V交流电通过双向晶闸管调压后向电炉丝供电, 同时热电偶检测炉内实际温度,检测出的电信号再经温度变送器、A/D 转换器,送至系统的输入端与给定温度相比较,得到温度偏差e,再根据的大小决定使用PI控制或使用FLC控制:当e大于阀值时选择FLC控制;若e4,于阀值时选择PI控制。算出的控制输出量,r,经D/A转换为模拟量以控制晶闸管触发电路的导通角,调节炉子的供电电压的有效值, 实现炉温控制。在钢化玻璃生产线微机控制系统中,PI调节器和FLC控制器均通过PLC来实现,这样可明显地提高系统的可靠性,获得良好的控制效果。