PDF《大功率电炉智能控制系统》

图3程序结构框图 中获得的当前实时数据.

b. 知识库包括所有轧机对象实例信息 ,例如 :设 定值分布、 故障代码和推理规则等. c. 通过传感器故障工作原理分析和现场技术人员 经验的总结 ,形成

50 条故障判断规则 ,以IF. . . THEN. . . 形式表示 ,定义在类 Millmatc 成员函数 Reason() 中 ,现 场技术人员可根据运行情况随时添加或修改故障判断 规则来扩展故障诊断范围和提高故障定位准确性. d. 控制系统控制和管理程序的运行过程.主要 工作过程包括 : ① 启动动态数据库的功能函数 ,从FIX 应用程序 中读取信息 ,刷新动态数据库的内容;

② 控制知识库从动态数据库中读取数据 ,把它们 分别存入每个轧机对象实例对应的参数中;

③ 选择轧机对象实例 ,启用该对象实例的功能函 数进行轧制力的换算和故障推理诊断. e. 故障列表存储所有故障特征和处理方法.

3 结束语 本系统在现场运行半年 ,硬件系统通信可靠 ,使现 场技术人员能及时掌握轧机运行状态参数和故障报警 信息 ,取得了良好的经济效益和社会效益. 参考文献

1 葛芦生 ,张英杰 ,等. 电气设备通用测试系统. 工业仪表与自动化 装置 ,1999(1) :51~55

2 Frank P M , etc. New development using AI in fault diagnosis. Engineer2 ing Application of Artificial Intelligence ,

1997 ,10(3) :3~14.

3 葛芦生 ,张英杰 ,等. 飞剪计算机速度控制系统. 自动化仪表 ,2000 (5) :38~40. 收稿日期 :2001 -

05 - 19. 第一作者葛芦生 ,男,1962 年生 ,1988 年毕业于北京科技大学 ,硕士 ,

2001 年在上海大学获博士学位 ,副教授 ;

主要从事工业自动化和计算机 应用方面教学和科研工作 ,发表论文

40 篇. 大功率电炉智能控制系统 Intelligent Control System of Large Power Electric Oven 陈峻岭 罗安黄可龙 (中南大学信息科学与工程学院 ,长沙 410083) 摘要针对化工、 材料行业对电炉温度的特殊要求 ,提出了按曲线程序控制炉温的思想 ,设计了一种能自动跟踪炉温曲线的单片机 炉温控制系统.用户可以自定义温度曲线 ,程序按曲线不断修改设定值 ,采用将快速最优控制、 模糊控制和 PID 控制结合起来的智能 复合控制策略 ,提高了被控对象的动、 稳态性能. 关键词 温度控制 大功率电炉 曲线程序 控制 智能复合控制 Abstract In accordance with the special requirements to the temperature of electric oven in chemical engineering and materials fields the concepot of controlling temperature of oven by using curve programmable control is stated , and a single chip computer control system is designed. The system is tracking the temperature automatically. The temperature curve can be defined by users , and the settings are revised per the curve by program. The dy

2 namic and stable characteristics of the controlled object is enhanced through the combined strategy of high speed optimal control , fuzzy control and PID control. Key words Temperature control Large power electric oven Curve programmable control Intelligent combined control

0 引言 电炉系周期式作业的设备 ,供实验室、 工矿企业、 科研单位等作元素分析测定和对特殊材料热处理加热 时用.目前温度控制方案基本上有两种:一是采用继 电器式开关量控制 ,控制线路简单 ,控制精度低 ,超调

0 5 《自动化仪表》 第23 卷第

6 期2002 年6月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol.

23 , No.

6 ,Jun. ,

2002 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 量大 ;

二是采用简单的 PID 控制 ,由于控制对象特性会 随着工作温度点和时间的变化而变化 ,参数难以整定. 因化工、 材料行业的需求 ,要求电炉温度(0~1300 ℃ ) 曲线可以任意设定;

恒温阶段温度波动 ≤±

1 ℃;

并具 有良好的跟踪精度.为此 ,我们采用智能复合控制策 略 ,设计了一种能跟踪炉温曲线的单片机控制系统. 该控制器以

16 位工业级微机为核心 ,结合人工智能控 制技术 ,采用智能复合算法 ,功能完善 ,控制范围广 ,具 有高控制精度、 超调量小、 稳态误差小等优点.双重 看门狗 结构大大提高了系统的可靠性.

1 核心控制器硬件构成 曲线程序控制智能控制系统的核心控制器硬件结 构如图

1 所示.其主要由

16 位工业用单片机、 程序存 储器与数据存储器、 温度检测、 执行机、 键盘/ 显示器等 组成. 图1控制器硬件结构 各部分作用如下 : ① 单片机 :控制器采用高性能价格比的

16 位工 业用单片机 80C196.它具有高效指令系统 ,8 通道

10 位A/ D ,脉宽调制 PWM(D/ A) ,高速输入/ 输出 ( HSI/ HSO) ,监视定时器 WDT和4个软件定时器 ST等特点. 单片机是整个控制器的核心 ,协调各个功能模块 ,保证 整个装置的正常运行. ② 存储器与 I/ O 接口 : 控制器扩展了

1 片E2 PROM27256 用于存放程序和表格 ,1 片8279 用于扩展 键盘 ,还有

1 片E2 PROM 用于存放数据.1 片 看门狗 芯片提高系统的可靠性. ③ 温度检测电路:测温范围为 0~1300 ℃,温度仪 表选用镍铬 - 镍铝热电偶 ,采用一体化温度变送器 ,在0~1300 ℃ 时对应的输出为 0~5V ,直接送到单片机的 A/ D 转换端口 ,然后经过数值处理得到实际温度值. ④ 执行机构 :由单片机 PWM 控制给出控制信号 , 经过平波、 功率放大等电路 ,得到 0~10V 的控制电压 , 直接送到晶闸管智能模块的移相调控器来驱动晶闸管 模块. ⑤ 键盘/ 显示 :控制器面板上设有

4 个按键 ,用于 温度曲线参数的设定;

显示采用内藏 T6963 控制器的 DMF5001 大屏幕液晶显示器 ,设定曲线显示、 实时跟踪 曲线、 自动翻屏 ,屏幕显示清晰流畅 ,具有良好的人机 界面[2] .

2 核心控制策略 核心控制采用智能复合控制.炉温偏差很大时 , 希望炉温快速升温 ,而对控制精度要求相对较低 ,可采 用快速最优(Bang2Bang) 控制 ;

偏差不太大 ,希望兼顾快 速性和精度 ,可采用模糊控制方案;

当温度达到稳态 时 ,希望有较高的稳态精度 ,可采用 PID 控制.数字 PID 调节器具有简单、 稳定性好、 可靠性高等优点 ,广 泛应用于工业控制领域.模糊控制器是近年来发展起 来的新型控制器 ,其优点是不要求掌握对象的精确模 型 ,根据人工控制规则 ,组织控制规则表 ,然后由控制 规则表来决定控制量;

快速最优(Bang2Bang) 控制 ,以时 间最短为目标 ,使炉温以最快速度逼近稳态值.这就 是智能复合控制的基本出发点 ,采用该核心控制策略 能很好地提高被控对象的动、 稳态性能.智能复合控 制结构框图如图

2 所示. 图2智能复合控制结构框图 根据温度偏差 E 和温度偏差变化率 EC 组成简单 规则集来实现复合智能控制 ,主要规则有 : 规则

1 :温度偏差 E ≥a1 ,采用 Bang2Bang 控制 ,即Uc = Um ;

规则2 :温度偏差 a1 >

E ≥a2 ,采用模糊控制 ,选用

4 段带

3 个修正因子的控制算法 ,即Uc = a1 E + (1 - α 1) EC , E = ±

3 a2 E + (1 - α 2) EC , E = ±

2 a3 E + (1 - α 3) EC , E = ±

1 0 E =

0 规则

3 :温度偏差 a2 >

E ≥a3 ,采用 PID 控制 ,即Uc ( k) = Uc ( k - 1) + KP [ E( k) - E( k - 1) ] + KI E( k) + KD[ E( k) -

2 E( k - 1) + E( k - 2) ] ;

规则

4 :误差在允许范围内 , E ≤a3 , Uc = 0. 其中 : Uc 为控制量输出 ;

Um 为控制量的最大输出;

a1 , a2 及a3 为温度控制范围 ;

0 ,1 ,2 及3为E和EC 经Fussy 量化后的等级 ;

α

1 ,α

2 及α3为在线整定系数;

KP 为比例系数;

KI 为积分系数;

KD 为微分系数.

1 5 大功率电炉智能控制系统 陈峻岭 ,等?1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 采用以上规则集的智能复合控制能非常好地提高 被控对象的动、 稳态性能 ,在实际运用过程中取得了满 意效果.

3 软件系统 为了便于程序开发、 运行、 维护和管理 ,软件系统 采用模块化方式设计.程序主要包括系统初始化、 装 置自检、 温度曲线设定、 温度采样、 温度数值处理和计 算以及智能复合控制算法、 PWM 控制输出和报警等功 能模块组成. ① 系统初始化 系统初始化包括 CPU 内部寄存器、 堆栈的初始 化 ,高速输入输出口、 定时器的初始化 ,系统 RAM 区的 初始化 ,外围各芯片的初始化 ,PWM 控制输出的初始 化等. ② 系统自检 系统自检包括程序存储区 EPROM 自检 , 系统 RAM区自检 ,E2 PROM 定值区自检 ,以及热电偶失效自 检等.如果自检时发现故障 ,装置面板上的液晶屏将 给出系统提示 ,指明故障位置 ,CPU 停机 ,等待系统故 障排除后的再次启动. ③ 温度曲线参数设定 温度曲线可以自定义(1~16 段) ,通过键盘任意 设定升温、 恒温、 降温的时间 ,温度值同样可以任意设 定. ④ 温度采样 利用单片机的高速性 ,高速采样周期取为 125ms. ⑤ 数值处理和计算 数值处理包括数据的软件滤波、 线性处理和数据 的存取控制等.数值计算主要包括实时给定温度值计 算 ,以及跟踪曲线参数的计算. ⑥ PWM 控制输出 PWM 控制输出由控制 80C196 的HSO 产生 PWM 信号实现.控制 80C196 内定时器 T1 的时间 ,即控制 了PWM 的输出频率 ;

控制了 80C196 的HSO 输出端为

1 H 或为

0 的时间 ,即控制了 PWM 的输出宽度 ,然 后经过平波、 功率放大等电路得到控制信号. ⑦ 显示程序 用于给定温度显示、 实时温度显示、 设定温度曲线 显示以及跟踪曲线显示、 运行时间显示、 时间设定值显 示等. ⑧ 报警 当温度超过上、 下限及升/ 降温速率超限时 ,将会 发出声光报警. ⑨ 主程序 控制器主程序将以上各个功能模块有机地组合起 来 ,完成系统的调节、 控制和监视任务.主程序框图如 图3所示. 图3控制器主程序框图

4 结论 针对化学、 材料行业对温度的特殊要求 ,设计的单 片机控制系统功能完备 ,操作简单.控制器根据设定 曲线自动跟踪设定值来控制炉温 ,采用智能复合控制 算法 ,提高了被控对象的动、 稳态性能.该装置在中南 大学

211 重点学科化学化工实验室成功运行 ,取得了 良好的控制效果. 参考文献

1 罗安. 微机变频控制装置. 工业仪表与自动化装置 ,1996(4)

2 罗安. 液晶屏与单片机接口技术. 自动化仪表 ,1995 ,16(10)

3 陈宝江 ,瞿勇. MCS 单片机应用系统实用指南. 北京 :机械工业出 版社 ,1997

4 王顺晃 ,舒迪前. 智能控制系统及其应用. 北京 :机械工业出版 社,1999 国家教委

211 重点学科资助项目. 收稿日期 :2001 -

02 - 19. 第一作者陈峻岭 ,男,1976 年生 ,现为在读硕士研究生 ;

主要从事计 算机控制、 电力自动化的教学和科研工作. 《自动化仪表》 被认定为 《中国科学引文数据库》 来源 期刊.编号 : ( K) TH071

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6 期2002 年6月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol.

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