基于Matlab的電阻爐溫度控制系統仿真

李 艷

(四川工業科技學院,四川 德陽 618500)

電阻爐是一種借助電熱體元件通過電流熱效應實現加熱的工業設備。從20世紀20年代開始,電阻爐在工業生產中的使用頻率逐漸增加,可用于金屬熱處理、非晶材料熱處理等,其多出現在機械制造、冶金等領域。雖然科學技術不斷發展,電阻爐不斷經過改良,但溫度控制仍然是影響電阻爐工作效率的重要因素之一。傳統的電阻爐溫度控制方法基于PID算法,即基于比例、積分和微分的反饋控制系統。但是,PID控制器的性能受到環境因素、負載變化和系統非線性的影響,這可能導致溫度控制的不穩定性和誤差。因此,采取更為精細化的控制方法對于電阻爐的運行具有重要的意義。本文基于模糊PID控制原理設計一種電阻爐溫度控制系統,并采用Matlab仿真環境對溫度控制系統進行實驗,檢驗其效果,以提升電阻爐的溫度控制效果,為電阻爐的溫控系統設計提供參考。

1 模糊PID算法

傳統PID是一種現行調節算法,其將實際值與設定值之間的偏差作為控制量進行連續性調整,從而實現對控制對象的連續性調整。

模糊PID算法是一種類似于傳統PID的控制系統,它使用模糊邏輯來處理輸入和輸出之間的模糊關系。模糊PID算法使用模糊規則和模糊推理來計算控制輸出,其中根據輸入和輸出之間的不確定性和復雜性,控制器可以產生不同程度的輸出響應,這對于對非線性系統的控制有很大的幫助[1]。具體來說,模糊PID算法處理大量的不確定的和模糊的信息,將這些信息轉換為清晰可理解的規則和決策。它使用模糊邏輯來處理這些規則并生成出最終的控制信號,使得系統達到一個穩定的工作狀態[2]。

與傳統PID相比,模糊PID的一個優勢是它可以通過修改模糊控制器的規則或輸入來改善控制效果。電阻爐這種工業設備,其溫度的變化具有較大的慣性以及不確定性,在加熱的過程中容易出現時變性、滯后性等問題,因此,對于電阻爐溫度控制,使用模糊PID算法將會是一種更具優勢的控制方法[3]。

2 電阻爐溫度控制系統設計

2.1 電阻爐模型選擇

選擇北京同德創業科技有限公司生產的SX-10-12型號箱式電阻爐作為研究對象。電阻爐溫度適用范圍300～1300 ℃,溫度控制精度±5%。電阻爐模型如圖1所示。

圖1 SX-10-12型號箱式電阻爐

電阻爐采取一體化設計,結構輕巧緊湊,封閉式硅酸鋁爐膛,輕質保溫磚,保證熱量的充分使用。平行側開式爐門,使熱端遠離操作。功能鍵實現溫度設定。輔助菜單,實現過升報警、偏差修正、菜單鎖定。選配排氣裝置,利于灰化。鎳鉻鋁合金加熱絲封閉式嵌入硅酸鋁爐膛,減少揮發氣體對加熱絲的腐蝕。

2.2 基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統整體設計方案

由于電阻爐的溫度控制具有復雜性,其常表現為非線性、慣性、強耦合型。因此在進行控制過程中擬采用利用爐溫與給定溫度之間的偏差進行自動調節,使得電阻爐的溫度能夠穩定在設定值內,提升爐溫變動的均勻性[4-5]。

在電阻爐溫度控制系統中,需要實現輸入端口、輸出端口、模糊控制器和模糊推理機等模塊功能。具體設計上可以采取以下方案:輸入端口:溫度傳感器,通過模擬轉換進行模擬信號處理和噪聲消除[6]。輸出端口:控制電路,通過模擬轉換將控制信號轉換為電位器的控制信號輸入至電阻絲以控制其加熱速度。模糊控制器:模糊PID控制算法,根據輸入的溫度信號進行計算控制輸出。模糊推理機:基于模糊邏輯進行動態調整,確定物理量之間的關系和定規則維護[7]。

2.3 系統硬件設計

系統整體設計結構如圖2所示。

圖2 箱式電阻爐溫控系統流程

1)溫度傳感器選擇

電阻爐的溫度檢測元件需要具有安裝方便,能夠適應電阻爐高溫、密閉的工作環境?，F有溫度傳感設備包括熱電阻以及熱電偶兩種。熱電阻傳感設備具有測量的敏感性,且電路結構簡單,但其容易發生損壞,不具備經濟性。熱電偶傳感設備是通過高壓焊接工藝將不同化學成分的熱電導體端口相連形成的一種傳感回路,具有更為廣泛的測溫范圍(200～1 600 ℃),相較熱電阻溫度傳感設備,熱電偶的精準度更高且耐用[8-9]。因此本系統溫度傳感設備選擇熱電偶,并通過信號采集卡進行信號采集和采集信號處理,實現數字量輸出與傳輸。

2)壓力傳感器選擇

箱式電阻爐在工作過程中爐內的溫度較高,壓力傳感設備是采集高溫壓力的重要設備。其原理是爐內溫度升高時會使得傳感器的膜片發生位移,作用于傳感設備電阻增大,從而實現環境壓力信號的轉換。選用擴散硅式壓力傳感設備,其具有靈敏度高、溫度穩定性好的優勢[10]。

3)控制電路

由PWM控制電路和電源電路兩部分組成。其中PWM控制電路使用PLC控制器實現高速計算和控制。電源電路將負載和控制器之間隔離,保護控制器和負載,穩定工作。

4)控制器

控制器是進行電阻爐溫度控制系統設計的核心設備。常見的控制器種類包括單片機、PLC控制器以及ARW控制器。單片機控制器能夠支持C語言匯編,但其硬件的設計過于復雜,且容易受到電阻爐工作環境和磁場變動的影響,運行可靠性較差[11]。PLC控制器作為一種工業數字計算機類型,能夠隨時隨地實現內存中數據的處理以及命令執行。且隨著科學技術水平不斷提高,PLC控制器功能不斷改進?，F階段PLC控制器具有靈活變動的組態程序、功能齊全的輸入/輸出模塊,在工業生產中應用更具優勢。ARW控制器體積小,具有快速的數據處理功能,但其抗干擾能力差、故障率高[12]。綜合考慮電阻爐控制器的工作環境,因此選擇PLC控制器作為電阻爐溫控系統控制器元件。

2.4 系統軟件設計

軟件設計方案如下:輸入處理:通過采集卡對溫度信號進行采樣和處理,得出數字量輸出后送入控制器。狀態預測:基于過去的歷史數據和控制規律,預測未來溫度趨勢并進行調整。誤差計算:計算當前輸出值和實際值之間的誤差,作為模糊控制系統的輸入[13]。模糊控制:基于處理好的溫度誤差信息,采用模糊PID算法控制器來計算控制信號。

模糊控制系統基本原理如圖3所示。

圖3 模糊處理系統設計原理

如圖3所示,模糊處理系統中的數據庫以及規則庫是進行溫度控制模糊PID算法的基礎。數據庫中主要包含以往的歷史處理數據,規則庫中為電阻爐溫度模糊控制規則,包含模糊PID控制算法以及規則控制表范圍和語句條件。在輸入口,系統將采集到的電阻爐溫度確定值轉為模糊值。根據數據庫以及規則庫中的數據完成模糊推理規程,將輸入量轉化為模糊矢量,然后將得到的模糊矢量轉化為清晰化的輸入量,從而實現被控過程。

3 電阻爐溫度控制系統Matlab仿真實驗

3.1 仿真環境

Matlab軟件具有數字運算以及圖像處理等便捷功能,相較于其他設計軟件,其自身能夠完成統計學數據的分析,開發數值算法,準確地執行多種向量函數。除此之外,Matlab具有可視化工具,能夠進行數據采集和分析。因此Matlab為電阻爐的溫度控制實現提供了較好的仿真環境。

3.2 構建仿真模型

在Matlab軟件中構建仿真模型。首先進入Simulink界面進行系統模型的搭建,設置電阻爐溫度控制系統仿真結構圖,進行模糊推理系統的編輯界面,完成對輸入、輸出量的命名。將命名文件保存為電阻爐爐溫控制。在編輯器界面根據電阻爐輸入、輸出量的數值確定卻只范圍以及數值分布,得到隸屬函數類型,保存得到隸屬函數編輯界面[14]。其次在隸屬函數編輯界面設置模糊控制規則。最后將得到的控制規則模塊嵌入電阻爐爐溫控制文件中,進行程序仿真運行。

3.3 仿真運行結果

在仿真測試過程中,將電阻爐的溫度范圍設置為900 ℃,并設置溫度波動上下限分別為905 ℃以及895 ℃,電阻爐溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 電阻爐仿真溫度變化曲線

由圖4可知,該電阻爐溫度上升速度較快,能夠在3 min內實現預定溫度的上升,且借助模糊PID控制規則嫩鞏固將電阻爐的溫度精度控制在±5 ℃內。溫度控制過程無超調量,溫度曲線變化曲線較為平穩,具有較好的溫度控制效果。這進一步說明了基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統設計方案擁有多重算法優化、多重硬件保護和多重軟件約束三重優勢。在高精、高效、高質的控制過程中,保證了整套系統的穩定性和可操作性。

4 結 語

熱處理是進行工業生產的重要流程,熱處理能夠改變部件的性能以及質量。箱式電阻爐作為工業熱處理的重要設備之一,其存在明顯的溫度變化問題。因此本文提出了一種電阻爐的溫度控制系統設計,并將系統設計在Matlab仿真環境下進行檢驗,結果發現所設計的系統能夠提高電阻爐溫度控制精度,提升工業生產的自動化控制水平。