真空烧结炉温度模糊控制系统仿真

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学真空科学技术与装备工程研究所 作者:褚向前

  针对粉末冶金真空烧结炉时变性、大滞后、非线性的特点,采用PID 控制效果不理想,选用了模糊控制算法。建立了PID 控制和模糊控制仿真模型,进行了对比,结果表明,采用模糊控制后,系统响应速度很快,达到稳态时间仅为3.2 s,不存在超调量,稳态误差为1.2℃,稳态精度很高;系统仿真输出与给定输入波形较接近,系统调节时间短,很快进入稳定状态,且振荡很微小。模糊控制优于传统PID 控制,能够满足粉末冶金真空烧结炉温度的控制要求。

  粉末冶金真空烧结炉是一个时变性、大滞后、非线性加热系统,由于其本身物理、化学机理的复杂性,影响因素众多,难以获得精确数学模型。当参数变化较大、控制精度要求较高时,一般PID 控
制效果很难令人满意。模糊控制不需要系统给出精确的数学模型,根据人的实际经验制定控制规则,做出控制决策表,系统根据决策表进行控制,特别适合烧结炉这类复杂的工业生产对象。烧结过程中影响制品质量的主要因素是烧结温度和烧结时间,特别对温度的要求十分苛刻,最大温差一般不允许超过给定值的±3℃~5℃,因此必须加以严格控制[1~3]。本文对烧结带(如图1 中的4 所示)中的温度采用了模糊控制并进行了仿真[4]

  连续式真空烧结炉由烧除- 预热带、烧结带、缓冷带和最终冷却带组成[5],如图1 所示。

连续式真空烧结炉

1.自动装料台;2.烧除带;3.转换室;4.烧结带;5.真空缓冷带;6.强迫对流冷却带;7.自动卸料台

图1 连续式真空烧结炉

1、模糊控制器的建立

  首先,假设误差论域为[- 60,+60], 选定输入语言变量误差E 的模糊论域N 为:N= {-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},则量化因子Ke=6/60=0.1,选定量化的七个语言值为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。根据经验对这七个语言值赋值。

  同理,假设误差变化率Kec 的论域为[-30,+30],选定输入语言变量误差EC 的模糊论域N 为:N= {-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},则量化因子Kec=6/30=0.2,选定量化的七个语言值为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。根据经验对这七个语言值赋值。对于输出U 取和上面相同的值,则获得表1输入和输出的变量赋值表。

输入和输出的变量赋值表

表1 输入和输出的变量赋值表

3、结论

  采用模糊控制后,系统响应速度依然很快并且不存在超调量而且稳态精度也很高,系统仿真输出与给定输入波形较为接近,系统调节时间短,很快便可进入稳定状态,且振荡很微小。因此,模糊控制优于传统PID 控制,能够满足粉末冶金真空烧结炉温度的控制要求。

参考文献

  [1] 戴永年,杨斌.有色金属材料的真空冶金[M].北京:冶金工业出版社,2000.

  [2] 果世驹. 粉末烧结理论[M]. 北京:冶金工业出版社,1998.

  [3] 张峰. 立式高温真空烧结炉控制系统的设计[J].真空,2010,47(2):68- 71.

  [4] Tong Shaocheng, Li Changying, Li Yongming.Fuzzy adaptive observer backstepping control for MIMO nonlinear systems [J].Fuzzy Sets and Systems, 2009,160 (19):2755- 2775.

  [5] 韩凤麟.粉末冶金设备实用手册[M]. 北京:冶金工业出版社,1997.

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