摘 要:介紹廈門宇電自動(dòng)化科技有限公司的AI一518P人工智能溫度控制儀在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用情況針對(duì)拉伸溫度控制策略,重點(diǎn)講述調(diào)試關(guān)鍵參數(shù)過程 的設(shè)計(jì)及實(shí) 驗(yàn)過程,本文涉及 的技術(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

引言

在合金材料拉伸試驗(yàn)中,溫度控制的精準(zhǔn)性是整個(gè)試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵所在,因?yàn)樵谠囼?yàn)中,不同溫度下合金材料的抗拉強(qiáng)度完全不同,因此試驗(yàn)中的溫度控制環(huán)節(jié)尤為重要,常常溫度 要求控制在目標(biāo)值的士0.5℃內(nèi)。對(duì)于熱工儀表技術(shù)人員來說,如何更好地使用溫控儀表 及相關(guān)的功率調(diào)壓器,掌握它們重要的工作參數(shù),讓設(shè)備滿足試驗(yàn)要求尤為重要。之前,中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上采用的是昂貴的進(jìn)口儀表,本次使用廈 門宇電自動(dòng)化科技有限公司的AI一518P人工智能控制儀來替代進(jìn)口儀表,同時(shí)要求達(dá)到試驗(yàn)中的溫度控制精度。

1 控制方案設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)分析 

本設(shè)備溫度控制系統(tǒng)主要由3根星形連接的電阻絲、3塊固態(tài)繼電器、3個(gè)AI一518 P人工智能溫度控制儀及接觸器等組成,與拉伸裝置及測(cè)量應(yīng)力傳感器等構(gòu)成試驗(yàn)裝備。AI一518P主要負(fù)責(zé)對(duì)試樣加熱爐溫度實(shí)行精確控制,具備位式控制(ON一OFF)、PID控制、Al人 工智能調(diào)節(jié)APID等多種調(diào)節(jié)方式,其中AI一518 P采用先進(jìn)的綜合了AI人工智能技術(shù)的PID調(diào)節(jié)算法,解決了標(biāo)準(zhǔn)PID算法容易超調(diào)的問題且控制精度高,我們把這種改良過的PID算法 稱為APID算法。由于本試驗(yàn)設(shè)備—電爐采用了AI人智能調(diào)節(jié)APID方式,因此可以很好地滿 足工藝條件的要求。我們通過設(shè)置P(比例帶)、(I積分時(shí)間)、D(微分時(shí)間)、參數(shù)嘆(輸出周期)、d:回差(死區(qū)、滯環(huán))來調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度控制。此外為了保證拉伸試驗(yàn) 的有效性,當(dāng)溫度超出試驗(yàn)允許范圍時(shí),儀表給出報(bào)警,停止試驗(yàn),以免浪費(fèi)試樣。

1.2 升溫過程

在合金材料拉升試驗(yàn)中,首先要求對(duì)試樣均勻加熱,以每分鐘10℃為宜。加熱到目標(biāo)溫 度300℃后,要求溫度穩(wěn)定在30士0.5℃后方可進(jìn)行合金材料拉伸試驗(yàn)。在升溫過程中,保證 試樣均勻迅速升溫而又不局部過熱是關(guān)鍵,當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度后,要求溫度保持穩(wěn)定又是控制 難點(diǎn),所以要選擇好加熱器的安放位置和加熱功率的大小。在本設(shè)備中,加熱器采用上中下3個(gè)電阻絲單獨(dú)加熱,1臺(tái)AI-58lP人工智能溫度控制儀控制1個(gè)電阻絲。根據(jù)計(jì)算,每個(gè)加熱 管功率均為1kw,接線方法為星型接法。以目標(biāo)溫度30℃為例,從室溫到280℃是快速升溫過程,這一環(huán)節(jié)由于升溫速率快,相互關(guān)聯(lián),AI-58lP人工智能溫度控制儀需要全功率輸出。

1.3 拉伸過程

高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)工作環(huán)節(jié)主要是合金拉伸過程,即在一定溫度下對(duì)工件進(jìn)行拉伸,檢測(cè) 應(yīng)力。所謂應(yīng)力是指拉伸試驗(yàn)過程中的任一時(shí)刻,負(fù)荷除以試樣原始橫截面面積的商。這個(gè)階段要求工件處在恒溫狀態(tài),溫度控制要求比較嚴(yán)格,控制溫度與目標(biāo)溫度誤差一般要求不大于0.2℃,AI-58lP人工智能溫度控制儀利用改良的控制算法能很好地完成溫度 的精準(zhǔn)控制。

2 控制系統(tǒng)的調(diào)試

2.1參數(shù)設(shè)定

   為了保證溫度控制的效果,在調(diào)試過程中,需要對(duì)儀表參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,以初步確定P,I和D等參數(shù)的數(shù)值。對(duì)于AI-58lP人工智能溫度控制儀,首先對(duì)儀表的P,I和D利用經(jīng)驗(yàn)法或湊 試法進(jìn)行初試,等待溫度升高到30℃時(shí),啟動(dòng)自整定功能,此時(shí)儀表會(huì)自動(dòng)調(diào)整P,I和D參 數(shù),一般經(jīng)過幾個(gè)周期震蕩,就能整定出滿意的控制參數(shù)。

2.2儀表的輸出周期

儀表的輸出周期參數(shù)Ci也是對(duì)本實(shí)驗(yàn)影響較大的參數(shù),它的設(shè)置范圍為0.5-125s,反 映了儀表運(yùn)算的快慢。Ci值增大,比例作用增強(qiáng),微分作用減弱;Ci值減小,則比例作用減弱,微分作用增強(qiáng)。Ci值不小于5s時(shí),則微分作用被完全消除,系統(tǒng)成為比例或比例積分調(diào)節(jié)。魷、小于滯后時(shí)間的15/時(shí),其變化對(duì)控制影響較小,例如系統(tǒng)滯后時(shí)間t為 100s,則Ci設(shè) 置為0.5s或1.0s的控制效果基本相同。由于儀表輸出4-2 0mA線性電流,Ci值小可使智能 溫度控制儀輸出響應(yīng)較快,提高控制精度,但由此可能導(dǎo)致輸出電流變化頻繁,本處設(shè)置為2s。

d:回差(死區(qū)、滯環(huán)),用于避免因測(cè)量輸入值波動(dòng)而導(dǎo)致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報(bào)警頻繁 產(chǎn)生/解除。d:值越大,通斷周期越長(zhǎng),控制精度越低。反之,d:值越小,通斷周期越短,控制精 度較高,但容易因輸入波動(dòng)而產(chǎn)生誤動(dòng)作,使繼電器或接觸器等機(jī)械開關(guān)壽命降低。這里采用 固態(tài)繼電器,筆者在這里取d:=0.2,實(shí)驗(yàn)證明,可以很好適應(yīng)控制要求。

2.3 儀表 自整 定

    在整個(gè)調(diào)試過程中,自整定是最重要的環(huán)節(jié),當(dāng)啟動(dòng)自整定后,屏幕(第1排數(shù)碼管) 閃動(dòng)“At”字樣,儀表PV窗口值保持不變,程序指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)可能反復(fù)震蕩幾次,時(shí)間持續(xù)幾分鐘甚至幾個(gè)小時(shí),這一過程中,設(shè)備要盡可能按照實(shí)際試驗(yàn)情況設(shè)定,例如,如果試驗(yàn)溫度為300℃,即首先讓儀表運(yùn)行加熱,等爐子實(shí)際溫度接近300℃時(shí)啟動(dòng)自整定,嚴(yán)格按操作先后順序進(jìn)行。整定結(jié)束后,Ctrl值從2變?yōu)?。參數(shù)Ci(控制周期)及dF(回差) 的設(shè)置,對(duì)自整定過程也有影響,一般來說,這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)定值越小,理論上自整定參數(shù)準(zhǔn)確度越高,推薦Ci=2,d:=0.3。自整定結(jié)束后,實(shí)際溫度總是低于設(shè)定溫度0.1-0.6 ℃不等,即存在靜差,但沒有周期震蕩現(xiàn)象。此時(shí)需要人工調(diào)整P,I和D等控制參數(shù),甚至微調(diào)調(diào)壓器 的前置放大器,達(dá)到輸出功率與AI-58lP儀表輸出功率匹配。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),如果偏差較大且變化較慢,則可以優(yōu)先減少I,加大比例參數(shù)P,加快響應(yīng)速度。最后,筆者經(jīng)過一段時(shí)間摸索,將 本系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整為P=567,I=148.6,D=551,將d:調(diào)整為0.2,效果較好。

值得注意的是:手動(dòng)自整定啟動(dòng)前,手動(dòng)輸出值應(yīng)在10%-90%范圍內(nèi),否則將無法整定 出正確的參數(shù)。

同時(shí)利用儀表的強(qiáng)大通信功能,與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng),監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),方便查詢。

3 結(jié) 束 語

從2011年6月至今,該人工智能溫度控制儀在我院高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)臺(tái)上一直使用,代替 了昂貴的進(jìn)口儀表,能完全滿足工作要求。通過工作中的摸索實(shí)踐和不斷的學(xué)習(xí)積累,根據(jù) 不同設(shè)備的工況和條件,按照溫控的要求,獲得了符合要求的控制參數(shù),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效 益與試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種應(yīng)用國內(nèi)儀表替代進(jìn)口儀表,只要對(duì)其中的重要參數(shù)進(jìn)行合理的修改，不僅適用于該系統(tǒng),也適用于其他的控制系統(tǒng),以滿足多種系統(tǒng)的需求。

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