夏百花，韋 穎，方 飛

（安徽三聯(lián)學院 電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601）

電阻爐是熱處理工藝過程中應用最廣、數(shù)量最多的電加熱設備。隨著控制技術日新月異的發(fā)展，對電阻爐溫度控制的要求也就越來越高。電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或熔化工件和物料的熱加工設備，其溫度控制具有單向性、大慣性、大滯后等復雜特點，主要分為升溫、保溫和降溫3個部分，其中，升溫、保溫依賴電阻絲加熱完成，而降溫則主要依靠自然環(huán)境進行冷卻。

1 系統(tǒng)框架

電阻爐溫度控制系統(tǒng)多采用閉環(huán)控制，首先，將電阻爐實際溫度值通過溫度傳感器測量出來；其次，通過負反饋與設定溫度進行比較得到偏差信號，送入控制器中得到控制信號，控制可控硅，以此改變電阻絲的加熱電流或電壓，從而實現(xiàn)電阻爐的溫度控制[1]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)框架

本文主要是采用傳統(tǒng)PID控制、Smith控制和模糊控制3種算法實現(xiàn)對電阻爐溫度的控制，并進行仿真及對仿真結果的比較分析。

2 控制算法比較

理論分析和實驗結果表明，均將電阻爐當作具有自平衡能力且存有滯后的被控對象，因此其數(shù)學模型可用一階慣性和純滯后兩個環(huán)節(jié)進行描述，系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：

2.1 不加控制器仿真

不外加控制器的仿真模型控制如圖2所示，其仿真結果如圖3所示，可以看出，此系統(tǒng)具有100 ms的延遲，并且在仿真時間內(nèi)僅上升到了70°左右（設定值為100°），且調(diào)節(jié)時間較長。

圖2 不加控制器的系統(tǒng)仿真模型

圖3 不加控制器的仿真結果

2.2 PID控制器仿真

PID控制器所采用的控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，控制規(guī)律如圖4所示。

圖4 PID控制原理

其PID控制器的輸入與輸出之間的關系為：

對于此系統(tǒng)，在筆者有限的經(jīng)驗范圍內(nèi)，未找到使系統(tǒng)穩(wěn)定的合適PID值。雖然PID控制器憑借結構簡單、參數(shù)調(diào)整方便等諸多優(yōu)點應用于大多數(shù)控制系統(tǒng)中，但在此系統(tǒng)中延遲較大，難以實現(xiàn)對溫度的控制[2]。

2.3 Smith預估控制算法仿真

Smith預估控制算法是一種針對大時間滯后系統(tǒng)進行補償?shù)某Ｓ梅椒āD5為Kp=0.7，KI=0.16，Td=1.3時的Smith控制系統(tǒng)仿真結果。

可以看出，該控制方法超調(diào)量較大，動態(tài)過程調(diào)節(jié)時間較長。但在此系統(tǒng)中，當其溫度一旦出現(xiàn)超調(diào)量，就無法采用控制手段來降溫，因而應用傳統(tǒng)的控制理論和控制方法難以達到理想的控制效果[3]。

2.4 模糊控制算法仿真

智能控制方案是一類無需人為干預就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動調(diào)節(jié)控制規(guī)律，以實現(xiàn)控制目標的控制策略。它和常規(guī)控制理論不同的地方在于：（1）不需要建立精確的數(shù)學模型。（2）不需要進行定量計算與困難性分析。它是一種無模型控制方案，即在不知道對象精確模型的情況下，在自我的調(diào)節(jié)作用下，使得實際響應曲線近似于理想響應曲線[4]。

模糊控制是智能控制的一個重要分支，本設計采用的模糊控制器采用兩輸入一輸出的控制方法，其中輸入為表示溫度誤差E和誤差變化率EC，輸出為控制加熱的供電電壓U，均為模糊變量。

此系統(tǒng)輸入為單位階躍信號，選取量化因子Ke=0.7，Kec=0.05，比例因子Ku=0.02，建立如圖6所示模糊控制系統(tǒng)，其Matlab仿真結果如圖7所示。可以得出，系統(tǒng)在整個響應過程中未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，且動態(tài)調(diào)節(jié)時間減小。

圖6 模糊控制系統(tǒng)仿真模型

圖7 模糊控制系統(tǒng)仿真結果

3 結語

對于一個純滯后時間較長且不允許出現(xiàn)超調(diào)的電阻爐溫度控制來說，由于系統(tǒng)本身是一個自衡系統(tǒng)，雖能最終到達穩(wěn)定狀態(tài)，但調(diào)節(jié)時間較長；而對于常規(guī)PID控制來說，比例、積分和微分3個參數(shù)不易找到，故不選用此算法；廣泛適用于滯后系統(tǒng)的Smith預估算法雖然也能穩(wěn)定，但其算法中需要知道被控對象的準確數(shù)學模型，故不選用此方法；由于電阻爐本身結構較為復雜，其數(shù)學模型很難得到，當采用模糊控制時，整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間較小，且沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，故選用此方法。