1 引言

陶瓷生產(chǎn)是一門古老、歷史悠久的傳統(tǒng)工業(yè)，陶瓷輥道窯的生產(chǎn)過程均采用傳統(tǒng)的手工操作，爐溫波動(dòng)幅度大，造成瓷磚質(zhì)量不高，甚至出現(xiàn)產(chǎn)品不合格的情況，再加上現(xiàn)場環(huán)境條件差，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作員工增加，對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響較大。為了提高陶瓷生產(chǎn)水平，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求和工廠提出的工藝要求，我們研制了一套分布式智能控制系統(tǒng)對輥道窯爐溫度進(jìn)行集中監(jiān)控，從而提高瓷磚的質(zhì)量與產(chǎn)量，改善工人的勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率。

2 輥道窯溫度分布式控制系統(tǒng)的組成及原理

為分散控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)，集散控制系統(tǒng)。行業(yè)內(nèi)業(yè)稱4C技術(shù)既Control控制技術(shù)；Computer 計(jì)算機(jī)技術(shù)；Communication 通信技術(shù)；Cathode Ray Tube CRT顯示技術(shù)。分布式控制系統(tǒng)由多臺計(jì)算機(jī)分別控制生產(chǎn)過程中多個(gè)控制回路，同時(shí)又可集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的自動(dòng)控制系統(tǒng) 。分布式控制系統(tǒng)采用微處理機(jī)分別控制各個(gè)回路，而用中小型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或高性能的微處理機(jī)實(shí)施上一級的控制 。各回路之間和上下級之間通過高速數(shù)據(jù)通道交換信息。分布式控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)獲取、直接數(shù)字控制、人機(jī)交互以及監(jiān)控和管理等功能。分布式控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分組成，上位機(jī)與下位機(jī)通過RS-485通訊協(xié)議完成信息的傳遞，上位機(jī)由586微機(jī)加RS232C/RS485轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，位于集中控制室，完成向下位機(jī)（現(xiàn)場控制器）發(fā)送命令、接收現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析、存儲、報(bào)表打印、顯示等功能。上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。6個(gè)控制器通過電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥調(diào)整噴油量達(dá)到分別控制窯爐內(nèi)6點(diǎn)溫度，從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定，該系統(tǒng)特別適合于象輥道窯這樣的小規(guī)模DCS系統(tǒng)。

3 智能溫度控制器的設(shè)計(jì)

3.1 概述

常規(guī)PID控制器由于具有原理簡單，穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因而在過程控制中得到廣泛應(yīng)用，但在輥道窯溫度控制系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，為此，在PID控制器設(shè)計(jì)時(shí)，首先采用基于繼電反饋的整定方法，確定PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，再對PID參數(shù)實(shí)行實(shí)時(shí)Fuzzy校正，使其具有自適應(yīng)功能，從而滿足系統(tǒng)變工況的要求。

3.2 溫控器的控制策略

3.2.1 PID參數(shù)自整定

根據(jù)繼電振蕩原理，繼電反饋系統(tǒng)框圖如圖1所示。若繼電器輸出幅度為b，則根據(jù)非線性理論，繼電器的描述函數(shù)為 ，其中誤差信號的幅度為不斷調(diào)整繼電特性的幅值，使系統(tǒng)發(fā)生自振蕩，然后測取振蕩周期與幅度，便可得出臨界增益 與臨界周期 。利用這兩個(gè)參數(shù)，根據(jù)Ziegler-Nichols方法，可得出PID參數(shù)。PID參數(shù)整定完畢后，此參數(shù)作為PID控制器Fuzzy校正的初值，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入PID參數(shù)Fuzzy校正控制。一般在系統(tǒng)初次投入時(shí)整定，并把整定值存入EEPROM中。

其中 Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

3.2.2 PID參數(shù)實(shí)時(shí)Fuzzy校正

根據(jù)上述自整定得出的PID參數(shù)，當(dāng)輥道窯爐參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的性能將下降，甚至無法滿足工藝要求，所以必須對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。目前較多地采用自校正PID算法，但這種方法是基于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，為此，我們采用模糊控制技術(shù)，模糊控制技術(shù)是近代控制理論中的一種高級策略和新穎技術(shù)。模糊控制技術(shù)基于模糊數(shù)學(xué)理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應(yīng)性和合理性提高，成為智能控制技術(shù)的一個(gè)重要分支。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的偏差絕對值 及偏差的積累絕對值 ，對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí)，逐步調(diào)整值，使系統(tǒng)控制性能處于最優(yōu)狀態(tài)。的修正規(guī)則如下：

（1）比例系數(shù) 增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，因此在偏差大的情況下，要增大 值。但是 過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至不穩(wěn)定，因此在偏差小的情況下，要減小 值。將偏差絕對值 的模糊子集取為很大（VB）、大（B）、中（M）、?。⊿）和很小（VS）， 的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表1所示。其中， 的基本論域?yàn)閇0，10]，分為11個(gè)量化等級，即 =｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝， 的基本論域?yàn)閇-0.5，+0.5]，分為11個(gè)等級即 =｛-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5｝。

（2）在PID控制器中，積分作用是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，加強(qiáng)積分作用（減小 ）有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差，但過強(qiáng)的積分作用會(huì)引起積分飽和，使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起振蕩。因此，在調(diào)節(jié)過程中的初期，即誤差的積累 較小時(shí)，應(yīng)減弱積分的作用（加大 ）。而在調(diào)節(jié)過程的后期，即誤差累積 較大時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)積分作用（減小 ）。將誤差累積絕對值 的模糊子集取為VB、B、M、S和VS， 的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示。其中， 的基本論域?yàn)閇0，10]，分為11個(gè)量化等級，即 =｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝， 的基本論域?yàn)閇-5，+5]，分為11個(gè)量化等級即 =｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。

（3）微分在PID控制中的作用主要是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，控制超調(diào)。對于變工況且不確定系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程的初期，即誤差的累積絕對值 較小時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)微分的作用（即增大 ），而在調(diào)節(jié)過程的后期，即誤差累積的絕對值 較大時(shí)，應(yīng)減弱微分的作用（即減小 ），將 的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示。其中， 的的基本論域?yàn)閇-1，1]，分為11個(gè)量化等級即 =｛-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。

智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，當(dāng)要整定參數(shù)時(shí)把開關(guān)打在T，參數(shù)整定完畢，切換到自動(dòng)位置A，參數(shù)自調(diào)整控制器對控制對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 智能控制器的實(shí)現(xiàn)

4.1 控制器的硬件系統(tǒng)

控制器的硬件主要由微處理機(jī)系統(tǒng)，輸入通道，輸出通道，鍵盤及顯示等部分組成。

（1）微處理機(jī)系統(tǒng)：由8031單片機(jī)，2764 EPROM（用于存放監(jiān)控及控制程序），2816EEPROM（用于存放自整定的參數(shù)及溫度設(shè)定值），譯碼電路與鎖存器等組成。

（2）輸入通道：由熱電偶冷端補(bǔ)償電路，放大電路（OP07，741），V/F，光電耦合，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器等組成。熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn) 熱電偶溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時(shí)，顯示儀表將會(huì)指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動(dòng)熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。采用兩級放大器可將毫伏級信號放大到需要幅度0～5V，由上V/F轉(zhuǎn)換成頻率量，再通過軟件的定時(shí)，計(jì)數(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換工作。

（3）輸出通道：由D/A轉(zhuǎn)換器，V/I轉(zhuǎn)換器，輸出鎖存器和光電隔離電路組成。D/A轉(zhuǎn)換器將輸出轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器輸出0～10mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

（4）鍵盤及顯示部分：由8279，4個(gè)鍵與4個(gè)LED組成。

4.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件主要由監(jiān)控軟件與控制軟件組成，其軟件框圖如圖3所示

4.3 調(diào)度與應(yīng)用

為了不影響窯爐的正常生產(chǎn)，在PID參數(shù)整定前，先手動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫到正常工作點(diǎn)（1200℃）附近，并設(shè)定電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥的開度在工作點(diǎn)附近±10% 范圍內(nèi)變化，使PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，爐溫變化幅度較小，如圖4所示，其中前10 min為參數(shù)整定時(shí)間。溫度的變化情況，采樣周期t=15s。

該系統(tǒng)已在現(xiàn)場長期連續(xù)運(yùn)行，性能穩(wěn)定，可靠性高，采用溫度智能控制后，在設(shè)定溫度1200℃時(shí)，溫度波動(dòng)范圍從原來手動(dòng)控制時(shí)的 ℃降為 ℃，（見圖4），說明該系統(tǒng)具有良好的控制性能。

5 結(jié)論

（1）由于采用分布式控制系統(tǒng)，上位機(jī)為586微機(jī)，軟件資源豐富，可進(jìn)行集中監(jiān)控、畫面顯示、參數(shù)設(shè)定等工作，下位機(jī)能方便地與上位機(jī)交換信息，也可以單獨(dú)運(yùn)行，對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)可靠性高，且價(jià)格低廉。

（2）溫度控制器采用PID參數(shù)自整定技術(shù)，可以大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，特別適合于缺乏自動(dòng)化工程技術(shù)人員的工廠。

（3）對于無法確定精確數(shù)學(xué)模型及變工況（象燃油爐）控制對象，采用PID控制時(shí)，先采用自整定技術(shù)確定PID參數(shù)的初值，然后根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對PID參數(shù)進(jìn)行在線Fuzzy調(diào)整，是一種非常實(shí)用且有效的控制策略。