1 引 言

　　在工業(yè)過程控制中，存在許多復(fù)雜控制對象，它們具有大慣性、受隨機因素干擾、非線性等特點。如用于軋鋼生產(chǎn)的加熱爐，受外界擾動較大處于非穩(wěn)定狀態(tài)，并且系統(tǒng)特性隨溫度變化，具有非線性，特別是從待軋到軋鋼的過渡過程，要求既能快速升溫，又具有較強的抗干擾能力。若采用以固定參數(shù)為主的常規(guī)PID串級控制，其抗干擾能力及跟隨效果均較差。因此，采用單回路控制和串級控制兩種控制方式，設(shè)計一種變結(jié)構(gòu)智能調(diào)節(jié)器，使其適用于待軋和軋鋼過程及其過渡過程。利用串級控制較強的抗干擾能力，在待軋的時候采用串級控制，使溫度保持在待軋溫度范圍內(nèi)，得到軋制信號后切換到單回路控制，利用單回路的快速性，使加熱爐在流量給定的條件下快速升溫，當(dāng)接近軋鋼溫度時，再切換到串級控制，使其保持在軋鋼溫度范圍內(nèi)正常運行。
　　模糊控制對對象模型難以確定、非線性、大滯后情況有良好的控制品質(zhì)，它只根據(jù)設(shè)定值的過程變量偏差來確定調(diào)節(jié)器的輸出，選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)則可以達到快速響應(yīng)。因此，將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合,在系統(tǒng)偏差較大時,側(cè)重于模糊控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；在系統(tǒng)偏差較小、系統(tǒng)漸趨穩(wěn)定時，側(cè)重于PID調(diào)節(jié)。這樣,既可利用PID控制的靜差小、穩(wěn)定性好的優(yōu)點,又具有模糊控制對參數(shù)適應(yīng)性強和調(diào)節(jié)速度快的特點。使系統(tǒng)在整個運行過程中既滿足快速性的要求,又具有較強的抗擾動能力。在包頭鋼鐵公司軋鋼廠（簡稱包鋼軋鋼廠）加熱爐上的應(yīng)用表明,調(diào)節(jié)效果有明顯的改善。

2 變結(jié)構(gòu)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計

2.1 變結(jié)構(gòu)控制調(diào)節(jié)器構(gòu)成
　　變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)如圖1所示。在圖1中加熱爐是主要調(diào)節(jié)對象，具有大慣性、非線性的特點。主調(diào)節(jié)器由模糊控制和PID控制組成。而副對象是調(diào)節(jié)閥，其時間常數(shù)往往很小，以防止出現(xiàn)大的超調(diào)和波動。副調(diào)節(jié)器為P調(diào)節(jié)器。

圖1 變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)

由圖1可以看出，各種方式的切換利用模式識別，當(dāng)滿足相應(yīng)的切換條件時進行切換。
2.2 模糊控制器的設(shè)計
2.2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 選擇模糊控制器的輸入變量為誤差e及誤差的變化ec,輸出變量u為控制量的變化量,相應(yīng)的模糊集為E,EC,U,是一個雙輸入單輸出的二維模糊控制器。對誤差E、誤差變化EC及控制量U的模糊集及其論域定義如下：E、EC和U的模糊集為:{NB,NS,ZZ,PS,PM,PB}，PB，PS，ZZ，NS，NB分別對應(yīng)正大、正小、零、負小、負大；將誤差e,誤差變化率Δe和控制量u的模糊語言變量E，EC以及U的論域分成5個等級[2>。它們的隸屬函數(shù)選trimf(三角形)，如圖2所示。

圖2 E,EC,U的隸屬度函數(shù)

2.2.2 模糊控制規(guī)則 相應(yīng)控制規(guī)則可用如下模糊條件語句來描述：if E is NB and EC is NB then U is PB經(jīng)過總結(jié)和歸納得到25條控制規(guī)則,相應(yīng)可構(gòu)成一個模糊控制規(guī)則表（見表1）。

表1 模糊控制規(guī)則

3 硬件構(gòu)成及軟件設(shè)計

　　調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成見圖3。工業(yè)現(xiàn)場標準的模擬信號可以直接經(jīng)過儀表放大器INA114放大進入MSP430模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，采用MSP430本身提供的2.5V電壓作為該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓。作為實驗板，僅對外部兩路差分信號采樣，即4～20mA DC和0～10V DC信號。JTAG接口用來調(diào)試程序，因為MSP芯片采用的是表面封貼的封裝TQFP64，通過插座實現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)和目標板的連接不方便。RS485通訊用于組建小型控制網(wǎng)絡(luò)。模擬信號輸出采用2個8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，可分別輸出4～20mA和0～10V DC信號。為方便操作，設(shè)計了調(diào)整參數(shù)用的小鍵盤，只有3個鍵即增加、減小和確認鍵。設(shè)置的參數(shù)和調(diào)節(jié)曲線用低功耗液晶屏顯示。

圖3 調(diào)節(jié)器硬件構(gòu)成

軟件設(shè)計包括主程序和鍵盤掃描、顯示、數(shù)據(jù)采集處理、控制算法等子程序模塊。主程序流程見圖4。軟件程序在計算機上采用IAR開發(fā)系統(tǒng)，用C語言編寫而成，通過JTAG接口直接進行仿真和下載到MSP430的Flash存儲器中。

圖4 主程序流程

　　注：E=給定值-輸出值

4 應(yīng)用試驗結(jié)果

　　利用設(shè)計的變結(jié)構(gòu)智能調(diào)節(jié)器和傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器對包鋼軋鋼廠加熱爐分別進行調(diào)節(jié)控制試驗。待軋溫度700℃，軋鋼溫度1100℃，得到的溫度變化波形如圖5、圖6所示。

圖5 常規(guī)PID控制溫度變化曲線

圖6 變結(jié)構(gòu)控制溫度變化曲線

由圖5可以看出，待軋時，加熱爐的溫度保持在700℃，5s后得到軋鋼信號，溫度上升很慢，28s后加熱爐在熱量損失的情況下，即擾動的情況下，其抑制擾動的能力很弱。溫度恢復(fù)也很慢。
　　由圖6可以看出，待軋時，變結(jié)構(gòu)控制使加熱爐維持在700℃，在10s后得到軋鋼信號，切換到單回路控制，在流量給定下，溫度快速上升到950℃，然后平滑的切換到串級控制，利用串級控制較強的抗擾性，使溫度平滑的上升到1100℃，開始軋鋼。在23秒的時候，加熱爐在熱量損失的情況下，溫度的變化也很小，并且很快恢復(fù)軋鋼溫度，不影響正常軋鋼，快速性和抗擾性都比傳統(tǒng)的PID串級控制有了明顯的改善。

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