变规则模糊温度控制策略在中频感应焊后热处理中的应用

第４０卷第２期２０１９年４月　青岛科技大学学报（自然科学版）Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１９　 文章编号：１６７２－６９８７（２０１９）０２－００９６－０６；ＤＯＩ：１０．１６３５１／ｊ．１６７２－６９８７．２０１９．０２．０１４变规则模糊温度控制策略在中频感应焊后热处理中的应用赵朋成，张　克（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛２６６０６１）摘　要：对厚壁焊接压力容器焊后热处理工艺使用的中频电磁感应加热的温度控制算法进行研究，根据模糊控制原理和热处理要求的升温速度可控、保温温度稳定、降温速度可控，提出了变规则模糊温度控制策略并编写了控制程序。

为变规则模糊温度控制策略设计了两种判定规则，当温度偏差较大时，采用粗调模糊规则，实现温度以限定值进行升降温；当温度偏差较小时，采用精调模糊规则，得到较高的控制精度，利用此变规则模糊温度控制策略确保厚壁焊接压力容器在升降温时实现温度偏差在±１℃的范围内。

最后，利用这种控制策略对特定工件的电磁感应加热过程进行了测试。

实验结果表明采用此算法能够满足加热控制的相应要求。

关键词：中频电磁感应加热；温度控制算法；滞后非线性惯性体系；变规则模糊控制中图分类号：ＴＰ　２７３ 文献标志码：Ａ引用格式：赵朋成，张克．变规则模糊温度控制策略在中频感应焊后热处理中的应用［Ｊ］．青岛科技大学学报（自然科学版），２０１９，４０（２）：９６－１０１．ＺＨＡＯ　Ｐｅｎｇｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｋｅ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｕｚｚｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙｉｎ　ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｂｙ　ｍｅｄｉｕｍ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ），２０１９，４０（２）：９６－１０１．收稿日期：２０１８－０７－１９基金项目：山东省教育厅科研计划项目（Ｊ１２ＬＡ１６）．作者简介：赵朋成（１９７２—），男，副教授．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｆｕｚｚｙ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｎ　Ｐｏｓｔ－Ｗｅｌｄ　ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ　ｂｙ　Ｍｅｄｉｕｍ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ＨｅａｔｉｎｇＺＨＡＯ　Ｐｅｎｇｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｋｅ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔ－ｉｎｇ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｐｏｓｔ　ｗｅｌｄ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ－ｗａｌｌ　ｗｅｌｄｅｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｒａｔｅ，ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｕｌｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅ－ｇｙ　ｉｓ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｄｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ．Ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｒｕｌｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｕｌｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｃｏａｒｓｅ　ｆｕｚｚｙ　ｒｕｌｅ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｆａｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆｓｍａｌｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｆｉｎｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｕｌｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｈｉｇｈｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｃｃｕ－ｒａｃｙ．Ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｕｌｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｅｎｓｕｒｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｔｈｉｃｋ－ｗａｌｌ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｉｓ　ｈｅａｔｅｄ　ａｔ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ±１℃．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　第２期 赵朋成等：变规则模糊温度控制策略在中频感应焊后热处理中的应用ｏｆ　ａ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｖａｒｉａ－ｂｌｅ　ｒｕｌｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ａｒｅ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｓｕｃｈ　ａ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｕｍ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｕｌｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ 中频感应加热由于其加热均匀、高效可控及易于实现机械化、自动化等特点，在厚壁焊接压力容器的热处理工艺中得到了广泛的应用［１－４］。

相对于常规焊接压力容器的加热需求，厚壁焊接压力容器焊接结构的焊前预热和焊后热处理工艺特别要求加热时容器的内外壁温度均匀，升降温速率可控、保温稳定。

然而中频感应加热是一个复杂的滞后非线性惯性体系［４］，常规ＰＩＤ控制很难满足厚壁压力容器热处理工艺中温度控制的要求。

模糊控制在温度控制领域具有更好的表现。

模糊控制的优异性催生了很多复合温度控制方法，比如利用模糊控制动态调节ＰＩＤ的参数以此实现感应炉的温度控制［５］、利用Ｍａｍｄａｎｉ模糊推理规则控制输出功率［６］、通过变论域原理与模糊控制的结合实现感应加热的温度控制［７］、通过专家ＰＩＤ和模糊控制的复合应用实现对飞机座舱温度的控制［８］等。

图１是厚壁焊接压力容器中频感应加热系统原理图。

图１中ＤＳＰ通过控制ＩＧＢＴ的开关来控制输出功率，ＡＲＭ控制整个系统的运行。

在温度控制系统中，ＡＲＭ通过温度传感器采集被加热工件的温度，然后根据温度控制规则选择相应的功率值并把这个值送给ＤＳＰ，ＤＳＰ控制系统输出相应的功率。

温度控制规则在ＡＲＭ中运行，ＤＳＰ只负责功率的调节，这个方式降低了ＤＳＰ的负担，并提高了系统运行的稳定性。

图１　中频电磁感应加热系统原理图Ｆｉｇ．１　Ｍｅｄｉｕｍ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ 本工作针对厚壁焊接压力容器中频感应加热系统的特点提出了一种变规则模糊温度控制策略和算法，研究该控制策略和算法在厚壁焊接压力容器中频感应加热系统中的表现。

１　变规则模糊控制策略１．１　模糊控制原理模糊控制的基本原理是将设定值与实际输出值的偏差值ｅ（ｔ）和偏差变化率ｅｃ（ｔ）这两个精确值模糊化为相应的模糊量Ｅ（ｔ）和ＥＣ（ｔ），将Ｅ（ｔ）和ＥＣ（ｔ）对照模糊规则找到一个适当的输出值Ｕ（ｔ），将这个值转化为控制输出值并按照规则解模糊化为一个精确输出值ｕ（ｔ）［９］。

１．２　变规则模糊温度控制系统变规则模糊温度控制系统是在变规则模糊控制策略的基础上发展而来的，包含变规则模糊控制策略、温度测量系统和输出模块三部分，图２是变规则模糊温度控制系统流程图。

变规则模糊温度控制策略的设计思想是预先设定功率值为零，根据模糊规则逐渐增加功率，直至达到一个稳定的功率范围。

由于被加热工件的温度Ｔｓ（ｔ）不是直接控制量，工件温度Ｔｓ（ｔ）与输出功率Ｐｓ（ｔ）并不是线性关系，所以在设计规则的时候要考虑ｅｃ（ｔ）与ｕ（ｔ）对加热功率的影响，避免出现温度超调的现象。

其具体方法是：设定一个判定值Ｇ，当偏差｜ｅ（ｔ）｜≤Ｇ时，采用规则１进行粗调，实现系统的快速收敛，即加快系统的响应速度；当偏差｜ｅ（ｔ）｜＜Ｇ时，采用规则２进行精调，降低系统的超调量，以期达到响应过程参量无超调。

Ｇ的选取与工艺要求有关，Ｇ表示热处理工艺的转变点。

７９青岛科技大学学报（自然科学版）第４０卷在图２中，Ｔｔ是工件目标温度；Ｔｓ（ｔ）是被加热工件实际温度；Ｕ（ｔ）是模糊功率值，ｕ（ｔ）是精确功率值，Ｐｓ（ｔ）是电源输出功率值；ｅ（ｔ）是温度偏差，ｅｃ（ｔ）是温度偏差变化率，这两项都是精确值，Ｅ（ｔ）和ＥＣ（ｔ）是相应的模糊值。

ｅ（ｔｎ）和ｅｃ（ｔｎ）的表达式分别如式（１）和（２）所示。

ｅ　ｔ（）ｎ＝Ｔｔ－Ｔｓ（ｔｎ－１），（１）ｅｃ　ｔ（）ｎ＝ｅ（ｔｎ）－ｅ（ｔｎ－１）ｔｎ－ｔｎ－（）１。

（２）式（２）中ｔｎ－ｔｎ－１表示一个加热（采样）周期。

图２　变规则模糊温度控制程序流程图Ｆｉｇ．２　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｕｌｅｆｕｚｚｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ１．３　变规则模糊温度控制策略的设计当温度偏差｜ｅ（ｔ）｜≥Ｇ时，采用粗调模糊控制规则；当温度偏差｜ｅ（ｔ）｜＜Ｇ时，采用精调模糊控制规则。

大型厚壁焊接压力容器的热处理工艺要求一般不超过７５０℃。

Ｇ可以根据加热工艺中的温度转变点或者根据升温速度要求进行设置，它们之间的关系如式（３）所示：Ｇ≥Ｓ·Ｔｔ－Ｔｐｔｔ·（ｔｎ－ｔｎ－１），（Ｓ＝２，３，…），（３）其中：Ｓ是系数，数值越大温度曲线越平滑，但会增大工件目标温度处的波动；Ｔｐ是工件初始温度；ｔｔ是工件升温时间，其值不大于热处理工艺时间；此处根据工艺要求和升温速度设定Ｇ＝６０℃。