基于非完全封闭热场的温度控制策略研究

　　0　引言

　　非完全封闭热场[1]常见于各种工业连续加热设备中,比如烘烤、加热生产线、滚筒茶叶加工机械等。由于热场受到流水式加工的限制而无法实现完全封闭,环境空气流动、被加工物料量会直接影响温度控制的稳定性、精度、动态适应能力,而通常采用的常规PID控制[2]或结合以经典控制理论[3]为基础的控制方法只适用于动态性能良好、控制性能要求不高且环境比较稳定的线性系统。

　　实践证明:非完全封闭热场的温度是一个具有大惯性、纯滞后、非线性和时变性的复杂控制对象,因此单一传统的控制手段很难实现开放式滚筒温度的精确控制。

　　文中以一个开放式滚筒连续加热设备为实验对象,在增量式PID控制器的基础上,结合带智能比例环节的模糊控制策略,推导出了兼具两者优点的模糊-PID控制算法[4-7],取得了很好的测试结果。

　　1　实验系统的组成及温度控制过程

　　1·1　系统组成

　　实验室的空间面积为35 m2,高4·5 m,根据实验需要,可以开闭门窗以模拟自然条件;以一个直径0·8 m的加热滚筒作为实验装置,最大加热功率为8 kW;滚筒两端留有直径为0·5 m的进出料口,该口的存在使其内部加热空间无法完全封闭;实验过程中,开放式滚筒按实验的要求变化进料量和出料量,并维持一定的转速以保证加热均匀,以满足实验的基本要求。温度控制系统基本构成如图1所示,它由可编程控制器(PLC)、固态继电器(SSR)、加热器、温度传感器(选用K型热电偶)等4个部分组成。

　　1·2　温度控制过程

　　首先,对温度传感器的测量数据进行精确拟合,然后比较拟合值和系统设定值(在0~300℃区间变化),将比较结果传递给智能比例环节模糊-PID控制算法进行运算,最后PLC内置的脉冲宽度调制(PWM)模块根据计算结果输出相应的控制脉冲,固态继电器(SSR)按脉宽控制加热管的功率,使加热量根据温度的变化实时控制。

　　2　温度控制的工作流程

　　该系统的工作流程图如图2所示。

　　2·1　温度测量值的拟合

　　温度测量值与实际值之间的误差直接影响系统的控制精度,采用线性最小二乘拟合法可以很好地消除二者之间的系统误差。为满足0~300℃全范围的温控精度要求,对温度曲线采用了分段拟合。根据实验结果,把K型热电偶的测量范围分为3段,且特性曲线多项式阶次定为3阶,用Matlab软件[8]可求得各段的多项式系数,如表1所示。

　　拟合后,该K型热电偶在0~300℃范围的误差如图3所示。由图3可知,经过拟合修正后,测量范围内的温度测量误差可以控制到1℃以内。

　　2·2　模糊-PID控制系统