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1．引言

    溫度是工業(yè)生產(chǎn)最常見最基本的工藝參數(shù)之一，例如：冶金、機(jī)械、電子、石油、化工、制造等行業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理反映爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。本文對(duì)咸陽795廠電子元件結(jié)構(gòu)爐改造分析，陶瓷電阻、電元器件著色的關(guān)鍵工藝是干燥煅燒，通過調(diào)整干燥煅燒條件能較好的控制著色指標(biāo)。干燥煅燒是靠干燥煅燒窯爐來完成的，而窯頭溫度又直接影響干燥溫度和煅燒溫度，所以控制好窯爐溫度就可以間接控制好著色指標(biāo)。至于溫度控制器，過去一般采用溫控儀表，墊電偶等儀器來直接控制。
    
    改造后是基于PLC的模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于窯爐溫度控制系統(tǒng)，可以用溫度傳感器對(duì)窯爐的溫度采樣。選擇檢測值和給定值之差和差的變量作為控制加熱和干燥系統(tǒng)的輸入量。采用PLC作為中心控制單元，利用模糊控制技術(shù)與數(shù)子式PID相結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整窯爐溫度，達(dá)到恒溫控制的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到良好的控制效果。

2．窯爐溫度控制原理

    2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
    
    PLC溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，控制系統(tǒng)主要由PLC，A/D與D/A模塊，切換繼電器，溫度傳感器等部分組成。控制核心單元PLC根據(jù)手動(dòng)設(shè)定溫度信號(hào)與現(xiàn)場測溫傳感器反饋信號(hào)經(jīng)過PLC分析與計(jì)算，得到溫度偏差 與溫度偏差的變化率 ，經(jīng)過PID運(yùn)算后，PLC將0~10V模擬信號(hào)輸出，用于調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓，PLC通過比較模擬量輸出與溫度偏差值，通過I/O端口開關(guān)量的輸出驅(qū)動(dòng)切換繼電器組，以此來協(xié)調(diào)投入加熱的臺(tái)數(shù)，并完成窯爐加熱啟停與切換。在溫度上升到規(guī)定值的90%以前，采用全壓控制，節(jié)省升溫時(shí)間，待爐溫上升到給定值的90%時(shí)，采用模糊控制，以提高控制精度。

    通常要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的模糊控制，首先根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出量的多少來確定PLC的型號(hào)，本系統(tǒng)采用SIMATICS7-300型PLC；A/D轉(zhuǎn)換器為SM331；D/A轉(zhuǎn)換器為SM332；熱電偶為S型：0~1300C°；變送器為DDZ-Ⅱ型。

    2.2數(shù)字式PID的調(diào)節(jié)原理
   
    數(shù)字式PID控制器的表達(dá)函數(shù)為：

   

    式中： 為系統(tǒng)偏差； 為系統(tǒng)偏差變化率；K_P為比例系數(shù)；K_I為積分作用系數(shù)；K_D為微分作用系數(shù)。
    
    KP值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度；KP越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，KP若過大，將引起超調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KI值影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定精度；KI越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但如果KI過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。KD值影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；它主要抑制響應(yīng)誤差的變化，如果KD過大，會(huì)使響應(yīng)過分提前制動(dòng)，從而延長系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。
     
    由分析系統(tǒng)加熱過程可知，在函數(shù) 響應(yīng)的初始階段，取較大的KP和較小的KI與KD，可以使響應(yīng)曲線的斜率增大，加快其響應(yīng)速度。在函數(shù) 接近輸出值時(shí)，應(yīng)迅速增大KD，并逐步減小KP，使系統(tǒng)獲得較大的阻尼，抑制系統(tǒng)的超調(diào)，減小響應(yīng)誤差的變化率。當(dāng)函數(shù) 達(dá)到輸出值時(shí)，就使KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。
      
    模糊控制器將根據(jù)偏差 和偏差變化率 值的不同，在線適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)K_P，K_I和K_D值，這樣就可以有效的提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，減小超調(diào)并縮短響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

3．模糊控制的實(shí)現(xiàn)

    3.1控制方式

    模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)如圖2所示。圖2中主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊控制器兩部分組成。參數(shù)可調(diào)整PID完成對(duì)被控對(duì)象的控制；模糊控制器采用二輸入三輸出結(jié)構(gòu)，以偏差 和偏差變化率 為輸入量，以PID的參數(shù)KP，KI和KD為輸出量，利用模糊控制器模糊推理的方法對(duì)PID參數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行在線自整定，以滿足不同的 和 時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制的要求，使被控制對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

    3.2模糊子集及隸屬度

    取系統(tǒng)偏差 和偏差變化率 為模糊控制器的輸入量，參數(shù)KP，KI和KD為模糊控制器的輸出量，其各模糊子集如下：
  
    e(n)：E={NB，NM，NS，NE，PS，PM，PB}            
  
    e(n)：EC={ NB，NM，NS，NE，PS，PM，PB }

    K_P： Up ={ NE，PS，PM，PB }

    K_I： UI ={ NE，PS，PM，PB }

    K_D：UD={ NE，PS，PM，PB }

    式中：NB，NM，NS，NE，PS，PM，PB分別為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。

    依據(jù)爐窯的實(shí)際工作情況和操作經(jīng)驗(yàn)，選取各輸入量和輸出量論域?yàn)椋?BR>  
    e(n)屬于 [-20，20]，     e(n)：屬于 [-3，3]，  K_P屬于 [0，30]，   K_I 屬于 [0，15]，  K_D 屬于 [0，10]。

    將各輸入量與輸出量分別進(jìn)行線性化尺度變換，得各量的模糊論域?yàn)椋篍 屬于 [-6，6]，EC 屬于 [-6，6]，  K_P 屬于[0，6]，  K_I 屬于 [0，6]，  K_D 屬于 [0，6]。

    模糊控制器在PLC中只能以查模糊控制作用表的方式實(shí)現(xiàn)，且取有限精度。E與EC取13級(jí)，K_P，K_I和K_D取7級(jí)。

    各模糊子集在相應(yīng)基本論域上隸屬函數(shù)可按正態(tài)分布

    式中： 為輸入量標(biāo)準(zhǔn)值； 為輸入量； 為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

    由此得到模糊輸入變量E，EC和輸出變量Up，UI和UD的隸屬度賦值如表1和表2所示。

    3.3模糊控制規(guī)則

    根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)，在控制過程中對(duì)于不同的系統(tǒng)偏差 和偏差變化率 的模糊量化值E和EC，歸納PID參數(shù)KP，KI和KD的模糊控制規(guī)則如下：

    （1）系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間， 為最大， 為零，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的KP和較小的KD；為防止因 的瞬間變大可能引起的積分溢出，取KI =0，語言規(guī)則為：
       
    if   is  PB and   is ZE  then  KP is PB ，KI is ZE，KD is PS.

    （2）當(dāng)響應(yīng)過程中期， 中等大小， 較大時(shí)，為使系統(tǒng)靜態(tài)誤差盡快消除，應(yīng)取較大的KI，且適當(dāng)增加KD值；為使超調(diào)小，KP值適當(dāng)減小，語言規(guī)則為：

    if   is  PM  and  is NB then KP is PM，KI is PB，KD is PM.

    (3) 當(dāng)響應(yīng)接近規(guī)定輸出值時(shí)， 很小而 較大，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，應(yīng)取較小的KP，較大的KD和較大的KI語言規(guī)則為：

    if   is  ZE  and   is  NB then KP is PS，KI is PB，KD is PB.

    由以上規(guī)則和操作經(jīng)驗(yàn)可以列出輸出量KP，KI和KD的模糊規(guī)則表，例如KP控制規(guī)則表如表3所示

    3.4利用MATLAB模糊邏輯工具設(shè)計(jì)模糊控制

    在MATLAB命令窗口中鍵入Fuzzy進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口，確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)為兩輸入（ ， ）、三輸出（KP，KI和KD），并確定輸入、輸出名，如圖3所示。打開隸屬函數(shù)編輯器窗口，選擇隸屬函數(shù)的類型為三角隸屬函數(shù)trimf，根據(jù)輸入、輸出變量的模糊子集，選定要編輯變量圖標(biāo)，確定當(dāng)前變量論域，最后對(duì)各變量的隸屬函數(shù)標(biāo)明其對(duì)應(yīng)模糊子集的模糊語言值如圖4所示。

4．利用SIMULINK創(chuàng)建仿真框圖

    SIMULINK是MATLAB中的一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。在SIMULINK環(huán)境下，建立如圖5所示相應(yīng)的模糊自整定PID控制器的仿真模型，其中Subsystem子模塊為模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)。設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

5．仿真結(jié)果分析

    仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由仿真結(jié)果可知，基于模糊推理的PID控制器相比于傳統(tǒng)PID控制器，由于模糊控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)偏差 和變化率 對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行在線修正，所以得到的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線較好，響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高；其中參數(shù)的Fuzzy在線自整定能有效抑制干擾和噪聲，提高控制系統(tǒng)品質(zhì)是有效的，特別是這種模糊自整定算法簡單，所需控制時(shí)間短，也能夠滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

    可以看出，采用模糊自整定PID參數(shù)控制器很好的改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，取得了很好的動(dòng)態(tài)效果。

6．結(jié)論
    
    在PID控制的窯爐溫度系統(tǒng)中，利用Fuzzy根據(jù)不同的偏差 和偏差變化率 對(duì)PID參數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，可以很好的完成系統(tǒng)控制工作，基于模糊控制理論和自整定PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)能根據(jù)給定溫度和環(huán)境的變化做出最好決策。可以有效的提高可靠性，穩(wěn)定行和節(jié)能效果，并且使該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，起調(diào)量小，魯棒性強(qiáng)，具有應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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