摘要: 針對(duì)粉末冶金燒結(jié)過程中溫度具有非線性、時(shí)滯、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)時(shí)變等特點(diǎn)，采用了一種參數(shù)自調(diào)整的模糊控制策略，對(duì)真空燒結(jié)爐的溫度進(jìn)行控制。經(jīng)實(shí)踐證明：各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方式，取得了令人滿意的控制效果。
關(guān)鍵詞：真空燒結(jié)爐 ；溫度 ；模糊控制
中圖分類號(hào)：TP273 ；TF345.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Temperature Fuzzy Control System for Vacuum Sintering Furnace Based- on Parameter Self-Control
HUANG Hao
( Hunan Railway Professional Technology College , Zhuzhou, Hunan , 412oo1 )
Abstract: The powder metallurgy sintering procession had such characteristics as non-linear, time-delay, random and time-various. According to these traits, we used a parameter self-adjusting fuzzy control system to control the temperature of vacuum sintering furnace. It shown that every quality index and control effect of this model is better than that of traditional PID controller after practice.
Keyword: vacuum sintering furnace ; temperature ; fuzzy control

0 引言

        燒結(jié)爐作為粉末冶金生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，燒結(jié)溫度的控制直接影響到產(chǎn)量的質(zhì)量。其加熱過程具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此用傳統(tǒng)的PID 控制不能適應(yīng)多變的燒結(jié)爐工況，難以滿足控制精度和升、降溫實(shí)時(shí)性要求，容易產(chǎn)生超調(diào)或升溫速度慢等現(xiàn)象。為此考慮采用一種參數(shù)自調(diào)整的模糊控制技術(shù)：即通過在線調(diào)整參數(shù)改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高精度。將它對(duì)真空燒結(jié)爐溫度進(jìn)行控制，取得了很好的控制效果。

1 真空燒結(jié)工藝簡介與控制方法研究

         燒結(jié)是在低于粉末體熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行加熱，使毗連的顆粒相互間形成冶金結(jié)合。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間要按制品的化學(xué)成分合理的確定，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果升溫太快，可能使坯塊中的成型劑、水分以及某些雜質(zhì)劇烈揮發(fā)，導(dǎo)致坯塊產(chǎn)生裂紋。降溫速度對(duì)制品性能同樣有很大影響，不能過快，要視具體情況來定。[1]
圖1給出了燒結(jié)工藝的溫度控制要求示意圖。燒結(jié)過程大致包括：(1).自由升溫段(ob)；(2).恒速升溫段(cd)，即要求燒結(jié)溫度上升的速度按照某一斜率進(jìn)行；(3).保溫段(bc、df 和gh)，即要求在這一過程中溫度基本保持不變；(4).恒速降溫段（fg），即要求溫度下降的速度按某一斜率進(jìn)行；(5).自由降溫段（hi）。在實(shí)際加熱過程中，控溫段數(shù)會(huì)隨著燒結(jié)材料不同而不同。









圖1 燒結(jié)溫度控制要求示意圖
        從圖中可看到，除了ob（自由升溫段）和hi（自由降溫段）不需要精確的溫度控制以外。其它各段都必須按具體的要求，進(jìn)行精確的溫度控制以保證制品的質(zhì)量。而爐溫的變化具有大慣性，大滯后和超調(diào)明顯的特點(diǎn)，常規(guī)PID控制以及一般的模糊控制都較難高性能的適應(yīng)。
因此采用一種參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。


圖2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        它能根據(jù)燒結(jié)爐中不同階段溫度的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)，通過自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)模糊控制器的比例因子進(jìn)行在線自動(dòng)調(diào)整，使得溫度響應(yīng)具有超調(diào)小、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等性能。
參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)的工作原理是:在基本的模糊控制器基礎(chǔ)上增加調(diào)整控制機(jī)構(gòu)，分為面向?qū)ο蟮目刂萍?jí)和面向控制器的規(guī)則調(diào)整級(jí)。面向?qū)ο蟮目刂萍?jí)是基本模糊控制器；面向控制器的規(guī)則調(diào)整級(jí)是自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整量化因子Ke、Kec和比例因子Ku。通過在線調(diào)節(jié)Ke 、Kec 和Ku，對(duì)燒結(jié)爐實(shí)現(xiàn)精確、有效的控制。

2 參數(shù)自調(diào)整模糊溫度控制器

參數(shù)自調(diào)整模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)分為兩步：基本模糊控制器的設(shè)計(jì)和模糊自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.1 基本模糊控制器的設(shè)計(jì)
輸入語言變量有兩個(gè)，為實(shí)際溫度與給定值之間的溫度偏差e和偏差變化率ec ，而輸出變量選為系統(tǒng)控制通過加熱裝置的電流的可控硅導(dǎo)通角的變化量u 。
e, ec 和 u 的基本論域分別為[-xe, xe] ；[-xec, xec] ；[-yu, yu]。
分別規(guī)定其模糊子集為:

集合中各元素分別代表：PL＝“正大”，PM＝“正中”，PS＝“正小”，NS＝“負(fù)小”，NM＝“負(fù)中”，NL＝“負(fù)大”。
它們的論域等級(jí)分別為:
E = {-n，-n+1,… 0,…,n-l,n}
EC = {-m，-m+1,… 0，…,m-1 ,m}
U = {-l, l+1,… 0，…,l-1,l}
模糊控制器的控制規(guī)則可由e，ec和u描述，第i條規(guī)則Ri可寫成：
If e = and ec = then u =
模糊控制規(guī)則如表1所示。

量化因子Ke、Kec的作用是將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，比例因子Ku將經(jīng)模糊控制算法給出的控制量轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象能接受的基本論域中。量化因子和比例因子對(duì)溫度控制系統(tǒng)性能有如下的影響:
(1)量化因子Ke較大時(shí)，系統(tǒng)的升溫速度較快，但超調(diào)量較大，過渡過程較長。從理論上講，增大Ke相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增強(qiáng)了誤差的控制作用，因而導(dǎo)致了上升速度變快，但由于出現(xiàn)了超調(diào)，使過渡過程變長。
(2)量化因子Kec較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量減小，Kec越大，超調(diào)量越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，可見，Kec對(duì)超調(diào)量有較強(qiáng)的遏制作用。
(3)輸出比例因子Ku增大，相當(dāng)于系統(tǒng)總的放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，但是Ku取值過大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩甚至發(fā)散。Ku值過小時(shí)，系統(tǒng)的前向增益很小，系統(tǒng)的輸出上升速率較小，響應(yīng)過程變長。[2]

2.2 模糊自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
         對(duì)于具有大慣性、大滯后和超調(diào)嚴(yán)重等特點(diǎn)的燒結(jié)爐溫度控制過程，采用固定的量化因子和比例因子難以達(dá)到最佳的控制狀態(tài)。因此我們?cè)诳刂七^程中根據(jù)實(shí)時(shí)的e和ec的大小，改變Ke、Kec及Ku的取值，來調(diào)整不同階段上的控制特性，以達(dá)到良好的控制效果。
根據(jù)量化因子和比例因子對(duì)控制系統(tǒng)的影響，我們總結(jié)出參數(shù)自調(diào)整的基本原則是：
1. 當(dāng)偏差e或偏差變化率ec較大時(shí)，減小Ke與Kec，同時(shí)增大Ku，以快速減小e，保證系統(tǒng)的快速與穩(wěn)定性；
2. 當(dāng)偏差ｅ或偏差變化率ec較小時(shí)，系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，需要大分辨率以提高系統(tǒng)的控制精度以及提高系統(tǒng)的阻尼程度，應(yīng)增大Ke與Kec，同時(shí)減小Ku，以避免系統(tǒng)超調(diào)并使系統(tǒng)盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)精度范圍。
依據(jù)上述原則，Ke 和 Kec 的變化與 Ku 的變化趨勢(shì)正好相反。為簡單起見，取 Ke和 Kec 變化的倍數(shù)與 Ku 變化的倍數(shù)互為倒數(shù)。設(shè)放大倍數(shù)語言變量N的論域?yàn)椋篬1/8 ,1/4 ,1/2 ,1 ,2 ,4 ,8]，經(jīng)離線模糊推理運(yùn)算和結(jié)合實(shí)際修改，得到在線參數(shù)修改表（表2）。
表2 模糊參數(shù)修改查詢表 


        實(shí)際運(yùn)行時(shí)，以最初設(shè)定的Ke（0）、Kec（0） 對(duì)e 和 ec 進(jìn)行量化，查參數(shù)修改表得到N值（即參數(shù)應(yīng)放大或縮小的倍數(shù)），計(jì)算Ke = Ke（0）N ， Kec = Kec（0）N ,
Ku = Ku（0）/ N ，然后用修改后的Ke , Kec , Ku 作為模糊控制器的新參數(shù)，進(jìn)行控制量運(yùn)算和輸出。

3 實(shí)際應(yīng)用效果與結(jié)論 

        將這種參數(shù)自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于某集團(tuán)的真空燒結(jié)爐的溫度控制上，取得了令人滿意的控制效果。
        根據(jù)圖1所示的燒結(jié)生產(chǎn)工藝曲線，原先采用傳統(tǒng)PID控制的升溫、保溫及降溫整個(gè)過程的溫度記錄曲線如圖4所示?，F(xiàn)在使用參數(shù)自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)后，得到了圖5所示的溫度記錄曲線。由圖4及圖5不難看出，傳統(tǒng)PID控制效果差，超調(diào)嚴(yán)重，穩(wěn)態(tài)精度也差，難以達(dá)到工藝要求，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量。而采用了模糊控制系統(tǒng)后，控制精度大大提高，升溫跟蹤誤差在 5℃以內(nèi)，保溫段精度可達(dá) 3℃。


圖4 傳統(tǒng)PID控制溫度記錄曲線


圖5 模糊控制后的溫度記錄曲線

        以上結(jié)果證明：通過采用參數(shù)自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)，改變了國內(nèi)粉末冶金行業(yè)多年來一直依靠傳統(tǒng)PID控制燒結(jié)過程的落后局面。由于該系統(tǒng)在總