基于PLC与模糊PID的步进式加热炉温度控制系统.doc

第 19卷第 1期 2009年 1月 　　　　　　　 安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 Journal of Anhui V ocational C ollege of Metallurgy and T echnology 　　　　　　　　 V ol. 19. N o. 1 Jan. 2009 基于 P LC 与模糊 PID 的步进式加热炉温度控制系统 张文源 [1][2] , 范 　 松 [1][3] , [1][4] ([1]安徽工业大学机械工程学院 　 安徽马鞍山 　 243002 　 ([2] ([3]梅山钢铁公司技改工程部 　 江苏南 　 京 　 210039 (]　 　 摘 　 要 :, PID Fuzzy -PID 复 合控制算法 , 响应快、 适应性强等优点 , 又具有 PID 控制 , ; ;PID 控制 ; 模糊 PID 中图分类号 :TP273　 文献标识码 :A　 文章编号 :1672-9994(2009 01-0027-03 收稿日期 :2008-10-02 作者简介 :张文源 (1973- , 男 , 工程硕士研究生 , 马钢第四钢轧总 厂 , 高级工程师。 1　 研究背景 马钢某钢轧厂步进式加热炉是生产主要的耗 能设备 , 加热炉控制的主要任务就是保证炉内具有 良好的加热条件 , 以满足钢坯的轧制要求 ; 同时 , 最 大程度地降低燃料消耗 , 提高经济效益 。然而 , 由 于炉内钢坯温度分布的不可检测性 、 加热炉的大热 容量和多扰动 、 时变非线性等特征 , 构成了一类典 型的复杂工业大系统 ; 另一方面 , 现代大型轧机的 高速化 、 自动化 、 高精度和多品种对加热炉的操作 和控制提出了更高的要求 , 这些使加热炉热工过程 的传统控制难以达到满意的效果 。 随着计算机技术的迅速发展和现代控制理论 的不断完善 , 利用计算机进行加热炉温度控制己进 入实用阶段 , 工业过程的自动控制正日益普及 。 通 过计算机优化组织生产和重要的生产过程参数 , 可 以取得明显的经济效益和节能效果 。 为此 , 建立能 够揭示炉子结构参数 、 操作参数 、 热工过程参数和 生产指标之间相互联系的数学模型 [1] , 实现以数学 模型为手段 、 以直接数字控制为基础的计算机优化 控制 。 模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术 , 与神经网络及专家控制并称为智能控制 。由于其 简单实用 , 目前已成功应用于各种控制系统中 。 模 糊控制是以模糊集合论 、 模糊语言变量及模糊逻辑 推理为基础的一种计算机数学控制方法 , 属于非线 性控制方法 。 由于引入专家的逻辑思维方式 , 使得 模糊控制器具有一定的自适应控制能力 , 因而特别 适用于难于用精确数学模型描述的系统 , 并且有很 强的鲁棒性和稳定性 。 2　 工艺简介 本系统的基本功能为 :上位机部分可方便 、 直 观 、 实时地监控炉温 , 有报警功能 , 可方便 、 自由地 设定各时间段的温度 , 对不正常的工作情况有记忆 功能 ; 下位机部分通过控制固态继电器的导通时间 来实现整个温控过程 。温度控制部分 , 系统采用 PI D 算法 , 通过控制固态继电器的导通时间来控制 温度 , 使温度随图 1所示曲线按一定规律变化 。 图 1　 加热炉温度变化图 3　 系统硬件构成 炉温控制系统核心硬件采用可编程控制器 (P LC 。 加热炉共分为预热区 、 加热区 、 均热区三 个区 , 每区划分为两区 , 预热区分成区 1与区 2, 加 热区分成区 3与区 4, 均热区分成区 5与区 6。测 温装置采用热电偶测温 , 其中预热段两支 、 炉顶一 支 、 炉底一支 。 加热区四支测温热电偶 、 炉顶两支 、 炉底两支 , 均热区八支测温热电偶 、 炉顶四支 、 炉底 四支 。系统采用了 P ROFI BUS -DP 现场总线结 构 。 PROFI BUS -DP 主站采用西门子 57-400系列 P LC , 现场的 I ΠO 模块采用 ET 200M 加 S7-300模 块 。 温度显示和参数设定通过人机界面完成 。图 2为系统硬件原理框图 。 图 2　 系统控制框图 4　 系统控制方案 加热炉是一个具有自衡能力的对象 [2], 加热炉 温度的控制是该工艺过程的关键 , 温度控制的好坏 关系到钢的质量 。如何实现温度的自动控制是该 工业过程自动化的一个难题 , 因为该系统属于典型 的多输入 、 多输出 、 参数不稳定 、 非线形 、 复杂性 、 大 滞后性 [3], 难以用精确的数学模型来描述的对象 , 一般的控制方法很难实现 。 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的 控制算法 , 它适用于控制不易取得精确数学模型和 数学模型不确定