隧道炉自适应温度控制系统
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QN+ 1 = QN +
T (X N Γ NX N ) - 1 T (X N Κ+ X Γ N X N ) - 1X N + 1 T N+ 1 T
X N + 1X N + 1 [ C N + 1 - X N + 1Q N ]
( 7)
3 控制系统的计算机仿真与实际控制结果
用M atlab 对上述温度控制系统进行仿真, 初始 温度为 28℃, 目标温度为 350℃, 图 4 中曲线 1 为前 10 m in 过渡过程温度变化仿真曲线, 曲线 2 为前 10 m in 过渡过程实际温度变化曲线。 过渡过程约在 5 m in 内达到稳定状态, 结果比较, 两者大体吻合, 系 统温度在 ( 350 ± 0. 2 ) ℃内变化, 取得了满意的准确 度和稳定度。
N… Κ 其中: 0< Κ < 1; Κ为遗忘因子。 T 取目标函数为: J N = Ε NΓ NΕ N
当:
5J N 5 QN
QN = Q
T = 0, 则有: Q N = (X N Γ NX N )
其中: C N = [C ( 1) , C ( 2) , …C (N ) ] T T X N = [ X ( 1) , X ( 2) , …X (N ) ] 温度控制值 Q 为:
[ 参考文献 ]
[ 1 ] 黄勇. 机床数控系统的发展趋势 [J ]. 机械, 1997, 24 ( 1 ) : 46248. [ 2 ] 张龙波. 运动控制芯片 LM 628 及应用 [J ]. 自动化技术
及应用, 1997, 16 ( 1) : 42244.
[ 3 ] 王会良. 基于经济型运动控制卡的开发 [J ]. 洛阳工学院
学报, 2002, 23 ( 4) : 75278.
责任编辑 修 ・9・
间可任意调节, 反应灵敏, 工作可靠; 2) 采用热风循 环, 使上下温度更均匀, 平行流动, 换热效率高, 专利 加热元件, 功率密度低; 3) 选用新型保温材料, 隔热 保温性强; 4) 采用远红外加热技术, 根据生产工艺 要求, 炉内温度可实现分段控制, 加热元件布置合 理, 能源消耗低; 5) 采用调速电机变速, 速度在 0 ～ 8. 5 m m in 连续可调, 以适应不同材质产品的要求; 6 ) 发热电阻丝、 温度传感器损坏自动报警电路; 7 ) 操作简单、 安全, 使用寿命长。 硬件系统结构框图如图 1 所示。 4 路温度传感 器测量隧道炉内各部分的温度, 产生的信号经温度 补偿、 放大、 滤波后, 由 89C51 单片机对该信号进行 A D 变换, 将模拟信号变换成数字信号, 经过处理 后, 一方面 L CD 显示隧道炉内实际温度, 另一方面 通过温度自适应控制算法形成控制信号, 控制信号 为脉宽调制波, 由脉宽控制每一周期加热脉冲数 量[ 2 ] , 从而控制红外发热管的输出功率, 达到控制炉 温的目的。 该系统有精确的温度控制、 实时 L CD 显 示、 打印及超温极限、 温升趋势、 发热电阻丝、 温度传 感器损坏报警功能。
2. 1 D ah lin 数字控制器 D ah lin 算法是设计 1 个合适的数字控制器, 使
图 3 参数自适应数字控制系统
辨别器根据受控制对象的输入、 输出数据及加 权最小二乘估计, 求到未知参数的估计值, 使性能指 标渐近地达到最优。 由式 ( 2) 受控对象的传递函数得 其 Z 变换式为:
隧道炉自适应温度控制系统
A dap tive T em perature Con tro l System fo r T unnel Stove
广东五邑大学 ( 529020) 王小平 王大承
【摘要】将参数自适应 D ah lin 算法用于隧道炉加热控制中, 建立了系统的最优控制模型。 提出 先使温度快速稳定在目标温度附近, 通过系统辨识与参数估计, 使目标温度达到自适应温度, 实现了自适应温度控制。仿真结果证明, 方案是可行的。研制的 89C51 组成的温度控制系统, 在实际应用中取得了满意效果。 关键词 温度控制 自适应 D ah lin 算法 隧道炉
1 硬件系统
本隧道炉的主要特点: 1 ) 电控柜采用先进数 显自适应自动控温系统、 ～ 400℃之 L CD 显示, 在 28 关以及限位开关等, 这些主令电器信号的变化应实 时反映到系统中去, 根据相应的信号变化, 软件系统 采取相应的措施, 完成相应的操作。
4 结语
本文提出的 PC + 多轴控制器的方式对弧齿锥 齿轮进行简易数控加工的方法, 不仅取代了传统老 式铣齿机的摇台、 偏心机构、 刀倾角调整等复杂机 构, 而且也节省了六轴联动的数控铣齿机的昂贵成 本, 同时也保证了一定的加工精度和加工效率, 尤其 适合单件小批量生产。 目前, 该系统已在国内的一家 工厂投入了使用, 结果表明, 该系统工作可靠, 操作 方便, 自动高效, 成本低廉, 具有一定的推广价值。
- Ts
d
( 3)
式中: b0 = K ( 1- e
a1 = - e
Ts T
) ; b1 = K e
(e
- Ts T
- 1)
; d ≥1; b0 , b1 , a 1 , d 为对象参数, 此控
图 1 硬件系统结构框图
制规律可消除振玲现象, 又适用于逆不稳定系统。 2. 2 温度控制系统辨识与参数估计[ 729 ] 参数自适应数字控制系统如图 3 所示。
G (z ) =
( b0 + b1 Z - 1 ) Z C (z ) = U (z ) 1 + a1 Z - 1
d
( 4)
将式 ( 4) 写成差分方程形式为:
C (K ) = a1C ( K -
1) + b0U ( K - d ) ( 5) ( 6)
整个闭环系统的传递函数相当于带有纯滞后的一阶 惯性环节。 鉴于系统的参数测量扩大非准确性, 时变 性以及不同工况, 利用系统识辨原理, 应用参数自适 应 D ah lin 算法, 有效地解决了逆不稳定现象和振动 ・10・
可知该温度控制器的控制结果满意。
Q = [ a1 , b0 , b1 ] ;
1 2 目标函数为: J N = t T ( t) - T d ) d t 2 0 式中: tf 为计算指标函数的终止时刻, T d 为输
T
∫
tf
入的目标温度。 T 定义误差矢量为: Ε N = [ Ε( 1 ) , Ε( 2 ) , …Ε( n ) ] 令: Ε N = C N - X NQ N 为了提高跟踪时变参数的估计能力, 保证可信 度, 引入加权系数矩阵Γ N :
+ b1U ( K - d - 1)
将式 ( 5) 写成矩阵形式为: T C (K ) = X (K )Q 式中:
《新技术新工艺》 ・机械加工与自动化 2004 年 第 6 期
T X ( K ) = [ - C ( K - 1) , U ( K - d ) , U ( K - d - 1) ];
10
图 5 隧道炉内 5h 的温度记录
Γ
N
=
… 0Κ …
0wenku.baidu.com
0 0
1
4 结语
隧道炉温度控制过程的主要特点是惯性及纯 滞后比较大, 非线性严重, 干扰因素多。 通过建立参 数自适应数学模型, 利用M atlab 对上述温度控制系 统进行仿真, 该温度控制系统可以克服大部分干扰 与不确定因素影响, 达到令人满意的准确度和稳定 性, 印染厂在使用该系统之后, 运行统计结果为: 1 ) 隧道炉内温度误差由原来的±3℃降至±0. 2℃, 生 产经验表明能及时了解隧道炉内材质加热过程中的 异常情况; 2) 热惯性降低, 其日平均温度控制偏差 由± 2℃降至± 0. 1℃, 月平均安定系数达 0. 98; 3 ) 生产稳定性提高; 4 ) 6 个月生产报表统计结果表 明, 产 品 产 量 提 高 了 6. 3% , 产 品 合 格 率 提 高 了 3. 8% , 取得了较好的经济效益。
图 2 数字系统原理框图
[ 5、 6] 为: D ah lin 数字控制器的脉冲传递函数 - Ts
D c (z ) =
( 1 - e T 1 ) ( 1 + a1 z - 1 ) ( b0 + b1 ) [ 1 - e T 1 z T - (1- f) s T - Ts 1
-
(1 - e T 1 ) z - Ts f T
现象, 保证了控制器的输出准确、 平稳[ 4 ]。 由于隧道炉热惯性大, 因此可把被控对象看成 一个带纯滞后的一阶惯性环节, 其传递函数为: C ( s) K - Σs ( 1) G ( s) = = e 0 R ( s) Td s+ 1 式中: K 为放大系数; T d 为对象惯性时间常数; Σ0 为对象滞后时间常数, 由于系统时间常数远大于 滞后时间常数, 可近似将系统看成一阶环节, 上述系 统可写成: Y P ( s) Ke ( 2) G P ( s) = = U P ( s) Td s+ 1 其数字系统原理框图如图 2 所示。
Keywords tem perature con tro l, adap tion, D ah lin algo rithm , tunnel stove
隧道炉加热是印染加工过程中的重要工艺流 程, 炉内有 4 个 B T S I 电流型温度传感器, 炉内壁分 布 8 组 48 支红外发热管, 待加工的材片通过输送链 送至炉内加热、 脱水、 烘干、 出炉。 由于不同染料对温 度的敏感性不同, 不同材质要求目标温度不同, 因 此, 必须控制隧道炉内不同的目标温度, 满足生产工 艺的要求。 然而, 其加工过程是一个受多种因素干扰 的热工过程, 是典型的大惯性、 非线性、 时变的复杂 [1 ] 系统 。它具有以下特点: 1) 控制对象热惯性大; 2) 热处理工件不同、 控制对象的参数经常发生变化; 3) 加速度设定类, P I D 滤波器参数设定类, 运动控制 类, 系统保护类, 系统运动参数及运动状态读取类等 等。 软件系统是在 W indow s98 以上操作系统支持 下, 在高效、 快速、 功能强大的 C + + B uilder 的开发 环境中, 结合 HDM C 2 CP 2630 运动控制卡的指令集 开发的。 整个软件系统采用模块化结构的思想, 主要 包括如下 3 个模块: 1 ) 零件参数管理 该模块主要负责接收并储 存用户输入的待加工零件的各种加工参数, 作后续 查询和计算用。 例如: 形状参数、 精度参数、 修正参数 等。 另外对输入参数形成的文件进行相应的操作, 例 如: 打开、 关闭、 存储、 返回等。 2) 数控加工系统 该模块利用 HDM C 2 CP 2630 提供的指令, 将输入到系统中的各种加工参数进行 相应地运算、 处理, 生成伺服电机的驱动信号, 并且 将工作台的当前位移和分度盘的当前旋转角度显示 到界面上。 另外, 该部分还对 HDM C 2 CP 2630 本身以 及软件的窗体界面做了相应的设置, 例如: 卡的初始 化、 控制模式选择、 窗体界面的颜色、 PI D 参数设置、 字体等。 3 ) 采集外设数据 为了加工、 维护方便, 机床 及电气控制面板上设置有很多的按钮、 旋钮、 控制开 《新技术新工艺》 ・机械加工与自动化 2004 年 第 6 期 给定的温度值较高; 4 ) 温度控制过程中, 以恒定的 速率升、 降温或保温。 针对此情况, 本文使用了隧道 炉加热的自适应 D ah lin 算法, 建立了控制系统的最 优数学模型。 本文提出先使温度快速稳定在目标温 度附近, 通过系统辩识与参数估计, 研制了 89C51 组成的温度控制系统, 实现了自适应温度控制。
2 参数自适应温度控制算法
温度控制的主要任务是要排除各种干扰因素 的影响, 维护被控温度的恒定不变。 温度控制系统不 仅要有较好的稳定性, 而且还应能尽快结束过渡过 程达到稳定, 避免控制量的超调而出现振荡。 在自动 控制系统中通常采用 P I 积分、 比例) 控制, D ( 微分、 由于温度控制存在很强的干扰, 为了使 P I D 能较好 地工作, 必须频繁调节 P I D 的参数。 实践表明, P I D 调节器在随机干扰下工作不理想, 基于这种原因, 采 用自适应温度控制系统, 它较好地解决了随机干扰 而造成控制器出现较大误差[ 3 ]。
T (X N Γ NX N ) - 1 T (X N Κ+ X Γ N X N ) - 1X N + 1 T N+ 1 T
X N + 1X N + 1 [ C N + 1 - X N + 1Q N ]
( 7)
3 控制系统的计算机仿真与实际控制结果
用M atlab 对上述温度控制系统进行仿真, 初始 温度为 28℃, 目标温度为 350℃, 图 4 中曲线 1 为前 10 m in 过渡过程温度变化仿真曲线, 曲线 2 为前 10 m in 过渡过程实际温度变化曲线。 过渡过程约在 5 m in 内达到稳定状态, 结果比较, 两者大体吻合, 系 统温度在 ( 350 ± 0. 2 ) ℃内变化, 取得了满意的准确 度和稳定度。
N… Κ 其中: 0< Κ < 1; Κ为遗忘因子。 T 取目标函数为: J N = Ε NΓ NΕ N
当:
5J N 5 QN
QN = Q
T = 0, 则有: Q N = (X N Γ NX N )
其中: C N = [C ( 1) , C ( 2) , …C (N ) ] T T X N = [ X ( 1) , X ( 2) , …X (N ) ] 温度控制值 Q 为:
[ 参考文献 ]
[ 1 ] 黄勇. 机床数控系统的发展趋势 [J ]. 机械, 1997, 24 ( 1 ) : 46248. [ 2 ] 张龙波. 运动控制芯片 LM 628 及应用 [J ]. 自动化技术
及应用, 1997, 16 ( 1) : 42244.
[ 3 ] 王会良. 基于经济型运动控制卡的开发 [J ]. 洛阳工学院
学报, 2002, 23 ( 4) : 75278.
责任编辑 修 ・9・
间可任意调节, 反应灵敏, 工作可靠; 2) 采用热风循 环, 使上下温度更均匀, 平行流动, 换热效率高, 专利 加热元件, 功率密度低; 3) 选用新型保温材料, 隔热 保温性强; 4) 采用远红外加热技术, 根据生产工艺 要求, 炉内温度可实现分段控制, 加热元件布置合 理, 能源消耗低; 5) 采用调速电机变速, 速度在 0 ～ 8. 5 m m in 连续可调, 以适应不同材质产品的要求; 6 ) 发热电阻丝、 温度传感器损坏自动报警电路; 7 ) 操作简单、 安全, 使用寿命长。 硬件系统结构框图如图 1 所示。 4 路温度传感 器测量隧道炉内各部分的温度, 产生的信号经温度 补偿、 放大、 滤波后, 由 89C51 单片机对该信号进行 A D 变换, 将模拟信号变换成数字信号, 经过处理 后, 一方面 L CD 显示隧道炉内实际温度, 另一方面 通过温度自适应控制算法形成控制信号, 控制信号 为脉宽调制波, 由脉宽控制每一周期加热脉冲数 量[ 2 ] , 从而控制红外发热管的输出功率, 达到控制炉 温的目的。 该系统有精确的温度控制、 实时 L CD 显 示、 打印及超温极限、 温升趋势、 发热电阻丝、 温度传 感器损坏报警功能。
2. 1 D ah lin 数字控制器 D ah lin 算法是设计 1 个合适的数字控制器, 使
图 3 参数自适应数字控制系统
辨别器根据受控制对象的输入、 输出数据及加 权最小二乘估计, 求到未知参数的估计值, 使性能指 标渐近地达到最优。 由式 ( 2) 受控对象的传递函数得 其 Z 变换式为:
隧道炉自适应温度控制系统
A dap tive T em perature Con tro l System fo r T unnel Stove
广东五邑大学 ( 529020) 王小平 王大承
【摘要】将参数自适应 D ah lin 算法用于隧道炉加热控制中, 建立了系统的最优控制模型。 提出 先使温度快速稳定在目标温度附近, 通过系统辨识与参数估计, 使目标温度达到自适应温度, 实现了自适应温度控制。仿真结果证明, 方案是可行的。研制的 89C51 组成的温度控制系统, 在实际应用中取得了满意效果。 关键词 温度控制 自适应 D ah lin 算法 隧道炉
1 硬件系统
本隧道炉的主要特点: 1 ) 电控柜采用先进数 显自适应自动控温系统、 ～ 400℃之 L CD 显示, 在 28 关以及限位开关等, 这些主令电器信号的变化应实 时反映到系统中去, 根据相应的信号变化, 软件系统 采取相应的措施, 完成相应的操作。
4 结语
本文提出的 PC + 多轴控制器的方式对弧齿锥 齿轮进行简易数控加工的方法, 不仅取代了传统老 式铣齿机的摇台、 偏心机构、 刀倾角调整等复杂机 构, 而且也节省了六轴联动的数控铣齿机的昂贵成 本, 同时也保证了一定的加工精度和加工效率, 尤其 适合单件小批量生产。 目前, 该系统已在国内的一家 工厂投入了使用, 结果表明, 该系统工作可靠, 操作 方便, 自动高效, 成本低廉, 具有一定的推广价值。
- Ts
d
( 3)
式中: b0 = K ( 1- e
a1 = - e
Ts T
) ; b1 = K e
(e
- Ts T
- 1)
; d ≥1; b0 , b1 , a 1 , d 为对象参数, 此控
图 1 硬件系统结构框图
制规律可消除振玲现象, 又适用于逆不稳定系统。 2. 2 温度控制系统辨识与参数估计[ 729 ] 参数自适应数字控制系统如图 3 所示。
G (z ) =
( b0 + b1 Z - 1 ) Z C (z ) = U (z ) 1 + a1 Z - 1
d
( 4)
将式 ( 4) 写成差分方程形式为:
C (K ) = a1C ( K -
1) + b0U ( K - d ) ( 5) ( 6)
整个闭环系统的传递函数相当于带有纯滞后的一阶 惯性环节。 鉴于系统的参数测量扩大非准确性, 时变 性以及不同工况, 利用系统识辨原理, 应用参数自适 应 D ah lin 算法, 有效地解决了逆不稳定现象和振动 ・10・
可知该温度控制器的控制结果满意。
Q = [ a1 , b0 , b1 ] ;
1 2 目标函数为: J N = t T ( t) - T d ) d t 2 0 式中: tf 为计算指标函数的终止时刻, T d 为输
T
∫
tf
入的目标温度。 T 定义误差矢量为: Ε N = [ Ε( 1 ) , Ε( 2 ) , …Ε( n ) ] 令: Ε N = C N - X NQ N 为了提高跟踪时变参数的估计能力, 保证可信 度, 引入加权系数矩阵Γ N :
+ b1U ( K - d - 1)
将式 ( 5) 写成矩阵形式为: T C (K ) = X (K )Q 式中:
《新技术新工艺》 ・机械加工与自动化 2004 年 第 6 期
T X ( K ) = [ - C ( K - 1) , U ( K - d ) , U ( K - d - 1) ];
10
图 5 隧道炉内 5h 的温度记录
Γ
N
=
… 0Κ …
0wenku.baidu.com
0 0
1
4 结语
隧道炉温度控制过程的主要特点是惯性及纯 滞后比较大, 非线性严重, 干扰因素多。 通过建立参 数自适应数学模型, 利用M atlab 对上述温度控制系 统进行仿真, 该温度控制系统可以克服大部分干扰 与不确定因素影响, 达到令人满意的准确度和稳定 性, 印染厂在使用该系统之后, 运行统计结果为: 1 ) 隧道炉内温度误差由原来的±3℃降至±0. 2℃, 生 产经验表明能及时了解隧道炉内材质加热过程中的 异常情况; 2) 热惯性降低, 其日平均温度控制偏差 由± 2℃降至± 0. 1℃, 月平均安定系数达 0. 98; 3 ) 生产稳定性提高; 4 ) 6 个月生产报表统计结果表 明, 产 品 产 量 提 高 了 6. 3% , 产 品 合 格 率 提 高 了 3. 8% , 取得了较好的经济效益。
图 2 数字系统原理框图
[ 5、 6] 为: D ah lin 数字控制器的脉冲传递函数 - Ts
D c (z ) =
( 1 - e T 1 ) ( 1 + a1 z - 1 ) ( b0 + b1 ) [ 1 - e T 1 z T - (1- f) s T - Ts 1
-
(1 - e T 1 ) z - Ts f T
现象, 保证了控制器的输出准确、 平稳[ 4 ]。 由于隧道炉热惯性大, 因此可把被控对象看成 一个带纯滞后的一阶惯性环节, 其传递函数为: C ( s) K - Σs ( 1) G ( s) = = e 0 R ( s) Td s+ 1 式中: K 为放大系数; T d 为对象惯性时间常数; Σ0 为对象滞后时间常数, 由于系统时间常数远大于 滞后时间常数, 可近似将系统看成一阶环节, 上述系 统可写成: Y P ( s) Ke ( 2) G P ( s) = = U P ( s) Td s+ 1 其数字系统原理框图如图 2 所示。
Keywords tem perature con tro l, adap tion, D ah lin algo rithm , tunnel stove
隧道炉加热是印染加工过程中的重要工艺流 程, 炉内有 4 个 B T S I 电流型温度传感器, 炉内壁分 布 8 组 48 支红外发热管, 待加工的材片通过输送链 送至炉内加热、 脱水、 烘干、 出炉。 由于不同染料对温 度的敏感性不同, 不同材质要求目标温度不同, 因 此, 必须控制隧道炉内不同的目标温度, 满足生产工 艺的要求。 然而, 其加工过程是一个受多种因素干扰 的热工过程, 是典型的大惯性、 非线性、 时变的复杂 [1 ] 系统 。它具有以下特点: 1) 控制对象热惯性大; 2) 热处理工件不同、 控制对象的参数经常发生变化; 3) 加速度设定类, P I D 滤波器参数设定类, 运动控制 类, 系统保护类, 系统运动参数及运动状态读取类等 等。 软件系统是在 W indow s98 以上操作系统支持 下, 在高效、 快速、 功能强大的 C + + B uilder 的开发 环境中, 结合 HDM C 2 CP 2630 运动控制卡的指令集 开发的。 整个软件系统采用模块化结构的思想, 主要 包括如下 3 个模块: 1 ) 零件参数管理 该模块主要负责接收并储 存用户输入的待加工零件的各种加工参数, 作后续 查询和计算用。 例如: 形状参数、 精度参数、 修正参数 等。 另外对输入参数形成的文件进行相应的操作, 例 如: 打开、 关闭、 存储、 返回等。 2) 数控加工系统 该模块利用 HDM C 2 CP 2630 提供的指令, 将输入到系统中的各种加工参数进行 相应地运算、 处理, 生成伺服电机的驱动信号, 并且 将工作台的当前位移和分度盘的当前旋转角度显示 到界面上。 另外, 该部分还对 HDM C 2 CP 2630 本身以 及软件的窗体界面做了相应的设置, 例如: 卡的初始 化、 控制模式选择、 窗体界面的颜色、 PI D 参数设置、 字体等。 3 ) 采集外设数据 为了加工、 维护方便, 机床 及电气控制面板上设置有很多的按钮、 旋钮、 控制开 《新技术新工艺》 ・机械加工与自动化 2004 年 第 6 期 给定的温度值较高; 4 ) 温度控制过程中, 以恒定的 速率升、 降温或保温。 针对此情况, 本文使用了隧道 炉加热的自适应 D ah lin 算法, 建立了控制系统的最 优数学模型。 本文提出先使温度快速稳定在目标温 度附近, 通过系统辩识与参数估计, 研制了 89C51 组成的温度控制系统, 实现了自适应温度控制。
2 参数自适应温度控制算法
温度控制的主要任务是要排除各种干扰因素 的影响, 维护被控温度的恒定不变。 温度控制系统不 仅要有较好的稳定性, 而且还应能尽快结束过渡过 程达到稳定, 避免控制量的超调而出现振荡。 在自动 控制系统中通常采用 P I 积分、 比例) 控制, D ( 微分、 由于温度控制存在很强的干扰, 为了使 P I D 能较好 地工作, 必须频繁调节 P I D 的参数。 实践表明, P I D 调节器在随机干扰下工作不理想, 基于这种原因, 采 用自适应温度控制系统, 它较好地解决了随机干扰 而造成控制器出现较大误差[ 3 ]。