一、概述

      可控硅是硅可控整流元件的簡稱，亦稱為晶閘管，具有體積小、結構相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導體器件之一。按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分為普通可控硅（SCR）即單向可控硅、雙向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。可控硅的觸發(fā)分為過零觸發(fā)：一般是調功，即當正弦交流電電壓相位過零點觸發(fā)，必須是過零點才觸發(fā)，導通可控硅；非過零觸發(fā)：無論交流電電壓在什么相位的時候都可觸發(fā)導通可控硅，常見的是移相觸發(fā)，即通過改變正弦交流電的導通角（角相位），來改變輸出百分比?？煽毓柙陔娐分心軌驅崿F交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，并且不象繼電器那樣控制時有火花產生，而且動作快、壽命長、可靠性好，本文主要介紹宇電儀表結合可控硅在預氧爐溫控加熱系統(tǒng)改造中的應用。

二、原系統(tǒng)介紹

      某工廠預氧爐溫控加熱系統(tǒng)主要由接觸器及溫控儀表組成。預氧爐加熱系統(tǒng)總功率為600KW，分35個加熱區(qū)。加熱體采用鐵鉻鋁材料，使用溫度為0～450℃，采用鎳鉻鎳硅熱電偶做為溫度測量，由繼電器控制接觸器通與斷，從而使加熱溫度與給定溫度基本一致。使用加熱電源為低壓380V三相動力電源，加熱體采用星形連接，它們布設在爐子的爐頂及爐底。應用此溫控加熱系統(tǒng)存在著諸多弊端，主要表現在以下幾個方面：由于該控制方式為三位式控制（加熱、保持、停止），這種控制方式存在著溫度控制波動大，溫度控制精度差（±10度），加熱功率不可調節(jié)，能源浪費大且易斷絲，生產成本高。繼電器觸點動作頻繁，因而觸點磨損嚴重，故障率逐年攀升，已經給生產構成嚴重威脅。溫控儀表老化嚴重，存在控制失靈等故障，儀表控制精度也難以滿足現代生產工藝的精度要求。而且此儀表要求日常頻繁維護，系統(tǒng)運行時噪音大，振動較大（接觸器吸合不良形成），這樣接觸器機構件極易松動，造成連接處發(fā)熱嚴重，極易形成火災事故及其它電氣故障。

三、系統(tǒng)改造

       新型溫控加熱系統(tǒng)由宇電AI溫控儀表和可控硅觸發(fā)回路及AI-2070C無紙記錄儀等低壓控制元件組成。系統(tǒng)包括1臺進線柜，4臺控制柜，分別控制預氧爐的主電源系統(tǒng)和35區(qū)加熱系統(tǒng)。進線柜操作包括合閘及分閘操作，面板指示有電壓指示、三相電流指示、工作電源正常指示，主要提供35區(qū)加熱回路的控制電源及儀表。其中儀表電源為保證儀表的安全及可靠性，應用380V/220V隔離變壓器供電。4臺控制柜分別控制35個加熱區(qū)加熱。面板上有無紙記錄儀、溫度控制儀表、加熱指示燈、報警指示燈、電壓指示、電流指示、啟停按鈕等。柜內包括接觸器、可控硅、可控硅觸發(fā)器、快熔、散熱片等。35區(qū)加熱回路操作分為單動及聯動操作。單動時選擇單動/聯動按鈕為單動位置，此時通過操作各區(qū)的起停按鈕實現各區(qū)的停送電操作，停送電時對應相應的指示燈亮。聯動時選擇在聯動位置，按下起動按鈕，各區(qū)接觸器吸合金屬加工網版權所有，對應運行指示燈亮;按對應聯動停止按鈕時，各區(qū)接觸器斷開，對應停止指示燈亮。聯動、單動操作前，各區(qū)動力空開及控制空開均在合位置。

1、控制儀表及記錄儀選型：在溫控系統(tǒng)中，是通過控制可控硅的導通和斷開來實現溫度調節(jié)的，為了能夠更精確的調節(jié)溫度和盡量延長加熱器的使用壽命，采用可控硅移相觸發(fā)模式工作。儀表選擇宇電AI人工智能調節(jié)器，具體型號為AI-518FX3L2S。它具有以下的特點：(1) 采用萬能輸入，使儀表僅通過簡單快捷的菜單選擇，即可實現儀表的各種分度號、標準信號及遠傳壓力信號、毫伏信號的輸入。(2) 采用模塊化通用電路結構，通過簡單的模塊組合，即可實現儀表的各種功能變換，通用性和靈活性顯著增強。(3) 采用了集成度更高的IC芯片和先進的SMT表面元件貼裝工藝以及獨特的電路屏蔽技術，從而具備超強的抗干擾力和可靠性，可在十分嚴酷的電磁干擾環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

    AI-2070C總線式無紙記錄儀，使用宇電AI 系列調節(jié)儀表作為測控輸入模塊實現

        多通道數字全屏顯示。測控儀表不僅包括各類溫度、壓力、流量、頻率等信號，也包括人工智能PID 調節(jié)、流量積算、電量測量等功能，可連接1～32 通道儀表，按需要配置，任意組合。配合圖標式功能選擇，全中文觸摸操作，操作方便，易于學習。觸摸屏可以加入流程圖，定制提供豐富多彩的工藝流程圖，可連接PLC、變頻器等設備，用于小型DCS 控制系統(tǒng)終端顯示。功能上已超越了一般的無紙記錄儀，綜合了人機界面和無紙記錄儀功能于一體；

       采用高亮度TFT 真彩液晶顯示屏的總線式無紙記錄儀；接口多樣化可選RS232/485、USB；每通道數據刷新時間50 毫秒。主機屏內存20M 空間可記錄保存數據及報警參數，內存數據記錄周期默認為每60000 毫秒（1分鐘），各通道記錄存儲的天數為：大約為4 通道：約560 天；8 通道：約346 天；16 通道：約196 天；如：修改記錄周期為2 分鐘，4 通道1120 天。數據保存按先進先出的原則。可自由設置最小1000 毫秒（1 秒）；實時導出數據到U 盤；U 盤中導入數據格式為CSV 的Excel 報表，數據備份至計算機用CSV 的Excel 報表直接打開上。數據文件導出有【自動導出】、【立即導出】；【自定義文件名手動導出】導出方式；導出文件的大小可自由設定如：1 小時、2 小時、3 小時、8 小時等。

    2、宇電AI調節(jié)器PID算法：AI系列智能工業(yè)調節(jié)器中的人工智能控制算法，既對PID算法加以改進和保留，加入模糊控制算法規(guī)則，并對給定值的變化加入了前饋調節(jié)。在誤差大時，運用模糊算法進行調節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現象，如同熟練工人進行手動調節(jié)。當誤差趨小時，采用改進后的PID算法控制輸出。其控制參數采用被控對象特征描述方式。一組(MPT)參數即可同時確定PID參數和模糊控制參數。系統(tǒng)具有無超調和高控制精度等特點。針對不穩(wěn)定的非線形復雜調節(jié)對象，表內設有自適應調節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進一步加快響應速度，改善控制品質。針對控制參數較難確定的現實，表內設有自整定專家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數確定簡單，準確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引入，不僅使復雜勞動簡化，節(jié)約了調試時間，而且提高了控制系統(tǒng)的調節(jié)品質。對于許多復雜的調節(jié)對象，例如電爐溫度控制中的電網電壓變化、外界干擾因素和工作環(huán)境多變等，針對有嚴重非線形的控制對象，國外儀表公司也推出了不少對策和方法。例如，日本導電公司生產的儀表中，采用了多組算法；歐陸和歐姆龍儀表中采用了自適應功能；KMM智能調節(jié)儀表中采用了折線模塊來適應系統(tǒng)的非線性；還有的儀表公司在儀表中采用辯識方法來提高儀表在非線性系統(tǒng)中的調節(jié)質量。在AI系列智能工業(yè)調節(jié)器中，針對有嚴重中非線性的控制對象，選擇了自適應方式來解決。其改進的特點是：當控制偏差大于估計的誤差時，自適應系統(tǒng)不是修改MPT參數(國外儀表的自適應功能是修改控制參數)，而是修改輸出值來降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會出現將原來正確控制參數改錯的現象，使響應速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進：

常規(guī)PID算法構成如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)

      在常規(guī)PID的控制系統(tǒng)中，減少超調和提高控制精度是難以兩全其美的，這主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢，而當加強積分作用時，又難以避免超調，這也是常規(guī)PID控制中經常遇到的難題。

      在AI系列智能工業(yè)調節(jié)器中，當控制參數在比例帶以外時，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對PID算法部分又加以改進如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)

       由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī)PID算法中的積分飽和現象得到較大緩解。不過從上式中可以看到，原有參數已經較難確定了，又增加了一個新參數(∫I)，所以，這些參數必然互相影響，使得新算法參數更加難以確定。為此，經過認真的研究和實驗分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對象的滯后時間有關。滯后時間越大，則比例作用響應減少，而微分作用響應增加。兩者存在的關系如下：

比例作用=K(1/t)

微分作用=K(1-1/t)d

式中，K為系數；t為滯后時間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。

由此，可將人工智能控制算法公式改為：

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