西安石油大學碩士學位論文 大型真空退火爐溫度及均溫性控制研究 姓名：李鑫 申請學位級別：碩士 專業：測試計量技術及儀器 指導教師：胡長嶺；張乃祿 20110520 論文題目： 碩士生：指導教師： 大型真空退火爐溫度及均溫性控制研究 測試計量技術 李鑫（簽名） 胡長嶺（簽名） 張乃祿（簽名） 摘要 真空退火爐是真空熱處理生產中應用廣的加熱設備，退火爐的爐溫動態特性直接 影響產品的質量，溫度及均溫控制的檢測是真空退火爐加熱關鍵性的技術，本課題針 對真空退火爐溫度及均溫控制設計了大型管材真空退火爐溫度及均溫控制系統。 稀有金屬管材真空退火爐具有爐腔容積大、加熱溫區多、各溫區間溫度擾動大、控 溫精度要求高、多溫區均溫性差異大等特點。本課題針對管材真空退火爐溫度及均溫控 制研究，從生產設備及主要技術參數為出發點，提出了針對真空退火爐溫度及均溫性控 制策略。控制策略方面采用變參數自整定模糊ＰＩＤ控制算法實現ＰＩＤ參數的在線優化 以及通過使用ｏＰＣ技術實現各溫區溫度的局部調整，以達到大型真空退火爐真空度自 動控制、爐區溫度高精度和多溫區高均溫性控制的目的。并在實驗中建立了一階慣性純 滯后溫度控制數學模型，進行模型辨識。硬件實現上利用工控機（ＩＰＣ）作為上位機，可 編程控制器ＰＬＣ和可編程溫度控制儀表作為下位機，采用多總線結構，構成ＩＰＣ＋ＰＬＣ＋ 智能儀表溫度控制系統。軟件方面采用ＫｉｌｌｇＶＩＥＷ６．５３組態軟件設計人機界面，將生產 過程中的溫度及其控制參數等實時數據采集到上位系統，并在上位畫面中記錄、顯示、 報警反饋及在線運算。實際牛產運行表明系統的設計實現了真空退火爐爐區溫度高精度 和多溫區高均溫性控制，對穩定產品質量，降低能耗具有顯著的經濟和社會效益。 關鍵詞：稀有金屬管材真空退火爐均溫性控制 變參數自整定模糊Ｐｍ控制 論文類型：研究應用 Ｉｌ 英文摘要 Ｓｕｂｊ ｅｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｎｉｆｏｒｍｉ略ｆｏｒＬａｒｇｅ Ｖａｃｕｕｍ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆ．ｕｒｎａｃｅ ＳｐｅｃｉａＫ坶：ＴＩｅｓｔ Ｍ．ｅａｓｕ心ｍｎｅｔ １１ｅｃｎｏｌｏｇｎｙ ａｎｄＩｎｓｔｎＩｍｅｎｔ Ｎａｍｅ： Ｌｉ）【ｉｎ （ｓｉｇｎａｔｕｒｅ） Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：Ｈｕ ＣｈａｎｇＵｎｇ（ ＺｈａｎｇＮａｉｌｕ（ｓｉ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｖ，ａｃｕｕｍ鋤ｅａｌｉｌｌｇ‰１ａｃｅ ｉｓａｋｉＩｌｄｏｆ ｌｌｅａｔｉｒ喀ｅｑｕｉｐｍｅｍ ｔ１１ａｔｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄｉＩｌＶａｃｕｕｍ ｈｅａｔ ｔａｔＩｎｅｎｔ，ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｄｙｎａｒｎｊｃ ｃｌｌａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉＩｌｎｕｅｒｌｃｅｏｎｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙ ｄｎｃｔ虹Ｉｎ ｔｈｊｓ ｒｅｓｅａｒｃ也ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ南ｒＶａｃｕｕｍ ａＩｍｅａｌｉｎｇ如ｎｌａｃｅ ｌａ唱ｅ－ｓＣａｌｅｐｉｐｅ，旬ｃｕｓｉｒ培ｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆ ｔｅｎ】ｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅＩＩ】ｐｅｒａｔｕｒｅｕｎｉｆｏｍｌｉｔｙＶａｃｕｕｍ ａｎｎｅａｌｉｌｌｇ向ｍａｃｅ ｆｏｒｒａｒｅｍｅｔａｌｍｂｅｓ１１ａｓｔｈｅｃ１１ａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｈｉｇｈｃａｐａｃｉｔｙ 如ｎｍｃｅｃｌｌａＩＩｌ＿ｂｅｒ，ｖａｒｉｅｔｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｚｏｎｅｆｏｒ ｂｅａｔｉｌｌｇ，ｓｔｒｏｎｇ硫ｅ—．ｅｒｅｌｌｃｅ ａｓｗｅｌｌａｓ ｇｒｅａｔ ｄｉ彘ｒｅｎｃｅｓｏｆｔｅｎ】ｐｅｍｔｕｒｅｕｎｉｆｏ刪ｔｙ ｉＩｌｅａＣｈ ｚｏｎｅ，ａｎｄ１１ｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ ｔｅＩｎｐｅｒａｃｌｌｒｅ—ｃｏｎｔｒ０１．Ｉｌｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ＶａｃｕｌＪｍａｎｎｅａｌ訪ｇ如ｍａｃｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉＶｅ白ｃｉｌｉｔｙ ａｎｄ瑚ａｉｎｔｅｃｌｌｌｌｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒＳ，ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｂｌｅＩｎｓ ｏｆｔｈｅ ｃｕｕｍ ａｍｌｅａｌｉｒ培 向ｍａｃｅ． Ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｔｍｔｅｇＭ ｔｈｅＶａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｌｆｔｍｌｉｌｌｇｆｉｌｚｚｙ ＰＩＤｃｏｎｔｒ０１ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓｕｓｅｄｔｏ ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｏｎｌｉＩｌｅ ｏｐｔｉＩ玎ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆＰＩＤ ｐａｒａＩｎｅｔｅｒ．Ｗ１１ａｔ’ｓＩｎｏｒｃ，ｌｏｃａｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ旬ｒ ｅａｃｈ ｔｅｎ】ｐｅｒａｔｕｒｅ ｚｏｎｅｃａｌｌｂｅｒｃａｌｉｚｅｄ ＯＰＣｔｅｃｈｎｏｌｏ黟Ａｌｌ 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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒａ心ｍｅｔａＩｐｉｐｅ，ＶａｃｕｕｍａｎｅａＫｎｇｆｕｍａｃｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｌｌｅｕｎｉｆｏｍＩｉ毋ｃｏｎｔｍｌ， Ｖａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒａｄａｐ“ＶｅＦｕｚｚｙ—ＰＩＤ ｃｏｔｒｏｌ Ｔｈｅｓｉｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｙ ｌＩＩ 章緒論 章 緒論 １．１課題目的及意義 真空熱處理是提高金屬材料機械性能及其制造質量的重要手段。近年來稀有金屬材 料的性能要求隨著工業技術的發展越來越高，真空熱處理技術也向著優質高效、節能環 保和無公害方向發展。真空熱處理生產中應用廣的加熱設備是真空退火爐，真空退火 爐加熱關鍵性的技術就是對溫度及均溫控制的檢測，促使人們更加積極地研究控制熱 加工工藝過程的方法。真空退火爐熱處理過程通常呈現大滯后、非線性、時變性等特點， 而且真空退火爐由于加熱空間大，溫度場存在強耦合、現場強干擾，給溫度及均溫控制 帶來極大的不確定性，嚴重影響產品質量。因此，為了滿足熱處理工藝要求，提高稀有 金屬產品質量，解決真空退火爐溫度及均溫控制問題具有重要的現實意義。 退火爐的爐溫動態特性直接影響產品的質量，我們結合實際的稀有金屬管材真空退 火爐設備特點和工藝特性以及稀有金屬真空退火的的加熱過程，將現有的先進控制策略 應用于管材真空退火爐的溫度監控系統中去，采用變參數自整定模糊ＰＩＤ控制算法，通 過對退火溫度、溫度均勻性和真空度的準確穩定控制，以及穩定的可操作控制系統，實 現了大型管材真空退火工藝過程的自動檢測與溫度的控制及溫度均勻性控制，提高 了溫控系統的穩定性，自適應性和魯棒性，使得系統運行可靠，溫度控制精度高，溫度 均勻性一致，參數調整方便。這樣做的目的主要是減少稀有金屬材料產品的生產工作周 期，提高稀有金屬管材的產品質量。同時通過對真空度的檢測以及加熱過程中對溫度和 溫度均勻性進行有效地控制，可以減少對周邊環境的污染，從而可以改善生態環境和對 構建可持續發展型社會具有重要的意義。 １．２題目的來源 本課題來源于寧夏東方鉭業股份有限“十一五＂科技支撐計劃項目，在國內外 已有的智能算法及現代控制技術基礎上，針對十米稀有金屬管材大型真空退火爐，進行 真空退火爐溫度及多溫區均溫性控制研究，實現稀有金屬管材產品生產設備自動化檢測 控制，提高稀有金屬管材產品的加工質量。 １．３真空退火爐溫度及均溫性控制的發展歷程與應用現狀 １．３．１國外的發展歷程和應用現狀 由于真空熱處理技術具有無脫碳、無氧化、脫脂、脫氣、表面質量好、變形微小、 熱處理零件綜合力學性能優異、使用壽命長、無公害、無污染等優點。因此，幾十年來， 在國際上真空熱處理技術始終是國際金屬熱處理技術發展的熱點。 美國能源部工業技術廳、美國金屬學會熱處理學會等權威部門針對美國熱處理工業 西安石油入學碩士學位論文 ２ｌ世紀的發展遠景進行了預測【ｌ】，未來對熱處理工業質量要求高，生產效率不斷得到提 高，控制效果好，工作環境衛生，清潔無污染，生產中采用智能系統控制對標準的閉環 控制系統進行控制，提高產品的性能，控制結果使工藝時間減少一半，大大地降低成本。 所有這些設想，為真空熱處理技術的發展提供了廣闊的平臺和機遇，同時促進了現有的 各種先進控制策略在真空熱處理設備控制系統中的應用。 早在２０世紀２０年代，美國無線電就研制了ＶＡＣ．１０型線 年美國芝加哥一家企業將真空熱處理應用于生產中，這是真空熱處理技術工業應用的起 點，至今已逾半個多世紀。對于真空熱處理爐，國外發展的較為先進，生產的真空熱處 理爐性能指標比較高、有很好的實用價值。如美國的ＶＦＳ，法國的ＥＣＭ，俄 羅斯爾熱爾夫，對于像大型真空爐這樣爐膛體積大，有效工作區范圍大、真空度要 求高的控制系統，美國的ＶＦＳ不但具備完善的理論基礎，而且在應用上還具有非 常強的實踐操作能力。國外真空熱處理設備采用ＰＬＣ做為控制系統核心，在很大程度 上便于系統的擴展，能夠適應工業生產過程的各種需要，是一種理想的熱處理過程自動 控制系統產品。溫度控制策略方法形式多樣，包括自適應ＰＩＤ，模糊控制、神經網絡、 遺傳算法等。系統總體通用性強，控制功能完善，組態靈活和安裝簡單規范，操作顯示 集中和人機界面友好，數據處理和調試方便，運行安全可靠和控制效果好以及造價低等 優點腳。 在真空退火爐溫度控制系統方面，２００６年，日本ＲＫｃ儀表開發出一種新型的 軌道安裝式高密集度多用溫度控制系統，用于真空退火爐設備的加熱溫度自動控制，該 控制系統型號為ＳＲＺＤＩＮ型，其控制準確度為Ｏ．２％級，系統掃描周期為２５０ｎｌｓ。該控 制系統根據控制對象方式可以分為單加熱控制和加熱／冷卻控制兩種型號，控制模式分 為位式控制、比例控制和多級控制三種。為了滿足大型真空退火爐加熱溫區多的要求， 該控制系統具有強大的擴展功能，多可擴展至１６個功能模塊，每個功能模塊可以控 制４個單加熱溫區或者８個加熱／冷卻溫區。每個模塊具有１０個標準信號輸入通道，可 以從工業現場采集標準的熱電偶信號、電壓或者電流信號，具有很強的兼容性。由于真 空退火牛產工藝中對設備的正常運行要求極高，該加熱控制系統針對這一要求設計了很 多報警功能，包括控制回路開斷報警、加熱電阻帶熔斷報警、控制網絡故障報警等，很 好的滿足了真空退火的生產工藝要求。另外，該加熱控制系統采用集成化設計，整個系 統被集成安裝在一個控制盤內，外部控制面板界面清晰，人機交互性能好，檢修維護方 便，克服了以往真空退火溫度控制器存在分散性的弊端［３】。 智能控制【４Ｊ是一門新興的交叉前沿學科，是自動控制學科發展過程中一個嶄新的階 段。目前智能控制的研究與應用已深入到眾多的領域，例如航空航天、軍事、工業以及 冶金行業等。智能控制的發展過程經歷了一下階段： ２０世紀２０年代，布萊克、奈奎斯特和博德在貝爾實驗室的一系列工作中奠定了經 典反饋控制理論基礎。經典控制理論是對由微分方程和差分方程描述的動力學系統進行 章緒論 控制的理論和方法，研究的是單變量常系數線性系統，只適用于單輸入單輸出控制系統 （ＳＩＳＯ）。 ２０世紀６０年代以后，產生了線性系統理論、控制理論、系統辨識、隨機控制 理論、自適應控制理論和魯棒控制理論等現代控制理論。現代控制理論主要表現為控制 對象結構的轉變、分析方法的改變、研究方法的改變和建模手段的改變等幾個方面。 ２０世紀６０年代初，ＦＷＳｍｉｔｈｓ首先采用性能模式識別器來學習控制方法，試 圖用模式識別技術來解決復雜系統的控制問題，１９６５年，美國加利福尼亞大學伯克利 分校的扎德（Ｌ．Ａ．ｚａｄｅｌｌ）教授提出了模糊集合理論，鐵氟龍噴涂為模糊控制奠定數學基礎。 ２０世紀７０年代初，普渡大學傅京孫（ｋＳ．Ｆｕ）等人從控制論的角度總結了人工智能 技術與自適應、自組織、自學習控制的關系，提出了智能控制的概念，并正式提出智能 控制是人工智能技術與控制理論的交叉。 ２０世紀７０年代中期，智能控制在模糊控制的應用上取得了重要的進展。１９７４年英 國倫敦大學瑪麗皇后分校的Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ教授把模糊理論用于控制領域，鐵氟龍噴涂把扎德教授 提出的ＩＦ—Ｔｈｅｎ型模糊控制規則用于模糊推理，通過實驗取得了良好的結果。 ２０世紀８０年代后，專家系統技術的逐漸成熟和神經網絡研究的重大突破，使得智 能控制的研究和應用領域逐步擴大。 ２０世紀９０年代以后，智能控制的研究勢頭異常迅猛，智能控制進入了應用階段， 其應用研究領域由工業過程控制擴展到軍事、航天航空等高科技領域。模糊技術的發展 已經相當成熟，模糊控制在工業控制中的比重日益增加并取得了良好的控制效果。 １．３．２國內的發展歷程和應用現狀 我國真空熱處理技術的發展趨勢和國際熱處理工業的發展趨勢同步，今后我國需要 制造大量的真空熱處理設備投入生產運行。真空退火爐是真空熱處理牛產中應用廣的 加熱設備，加熱時溫度的控制以及溫度均勻性的檢測控制就成為關鍵性的技術，促 使人們更加積極地研究探索控制熱加工工藝過程的方法。 國內現有熱處理設備大都采用傳統控溫方式，爐子加熱、保溫系統和密封結構等陳 舊落后，熱損失大，保溫性能差，均溫誤差大，只能在傳統低端產品的熱處理中進行， 不能適應新工藝新材料等對產品熱處理的較高要求。隨著電子計算機技術、先進控制儀 表的應用和智能控制算法的快速發展，使熱處理電爐的智能化控制技術日趨成熟。同時 近年來隨著工業的發展，對金屬材料的性能也提出了更多更高的要求，因而國內熱處理 設備朝著高可靠、高穩定、高節能和高均溫性以及無超調方向發展。 國內對退火爐溫度及均溫控制的研究始于上世紀８０年代，近年來隨著計算機技術 的飛速發展，對于退火爐溫度的計算機控制達到了的應用規模。 國內針對退火爐溫度及均溫性控制系統的應用主要表現在：在硬件上應用工業控制計算 機、可編程控制器、數字化儀表替代早期的繼電器及模擬儀表的使用，使系統的運行維 兩安石油大學碩：十：學位淪文護更加方便：在控制算法的應用上，運用新型智能化控制方法，與ＰＩＤ控制系統相結合， 如自適應控制、自整定ＰＩＤ控制等，增加控制系統的自適應性、魯棒性和可靠性；使用 上位機對退火爐的生產調度進行管理，使牛產過程更加合理，提高了生產效率。 目前，國內對退火爐的溫度及均溫控制己經做了一些研究，并且已取得了很大的進 展，針對不同類型的退火爐建立不同的數學模型，并設計了許多相應的控制策略及優化 方法，這些研究中大部分是針對冶金行業用到的半連續退火爐、連續退火爐和罩式退火 爐等的研究。北臺球墨鑄鐵管廠對原有的一臺退火爐進行技術改造，該退火爐為直火加 熱式混合煤氣爐，技術改造采用西門子ＰＬＣ與ＰＨＩＬＩＰＳ的ＫＳ４２９０系列數字式調 節器組成先進的時序脈沖燃燒控制系統，調節器對事先設定好的退火加熱溫度與爐膽內 熱電偶檢測到的爐膽實時溫度進行采樣比對，并且計算出溫度偏差，輸出４～２０Ｉｌ認信 號至ＰＬｃ，運行ＰＬＣ內部程序后，輸出一系列時序脈沖信號控制各個燃燒器和燒嘴， 通過對燒嘴的燃燒時序和燃燒時間的控制來實現對爐膽內部溫度的控制，改造后的退火 爐實際運行效果良好，控溫精度高，系統動態響應好，溫度波動小，并且節約了能源【５１。 在真空退火爐控制策略方面，西安理工大學信息與控制工程研究中心李曉斌等人利 用神經網絡、自適應免疫遺傳算法等智能方法，針對非線性不確定系統和滑模變結構控 制做出一些理論與應用研究，提出了一種智能變結構線】。海 洋大學工程學院李曉斌、吳燕翔等針對真空釬焊溫度的建模與解耦控制提出的一階滯后 系統的多變量預測函數解耦控制算法，得到一個解析的控制量計算方程，實現釬焊溫度 一階滯后系統的多變量預測函數解耦控制【＿７１，都是比較新穎的計算機模型建立及控制策 略方法。在爐溫指標上，國產真空爐的豐要技術指標現在也已達到或接近國際先進水平。 爐溫均溫性控制在５．６以內，達到美國ＭＩＬ．Ｆ．８０１３３和ＭＩＬ．８０２３３規定的指標；壓升 率指標一般均低于０．６６Ｐａ／ｌｌ；設備工作溫度和極限真空度以及ＰＬＣ型智能化控制系 統可滿足用戶需要【８】。 西安石油大學的張乃祿教授，通過多年來對真空退火爐系統工藝和監控系統的的研 究以及控制策略的分析，針對稀有金屬管材真空退火爐的工藝特點和控制要求，結合現 場的實際情況，在如何提高退火爐溫度準確性以及多溫區均勻性控制的基礎上，做了一 系列的研究，采用自適應ＰＩＤ與Ｆｕｚｚｙ控制相結合的控制思想，研制出多套運用于板材 和小型管材真空退火爐的監控系統，現場調試的數據分析和實際運行結果表明：設計的 監控系統能夠有效實現退火爐控溫精度高，溫度均勻性一致，退火過程系統運行可靠、 穩定，在稀有金屬冶金行業的應用取得了廣闊的前景。 １．４智能控制算法在溫度及均溫控制中的應用 由于工業加熱過程中溫度及均溫控制的復雜性，使控制理論在溫度控制上的應用受 到了限制，但是隨著計算機控制在工業加熱過程中的廣泛應用，強大的計算能力解決了 過去許多無法求解的問題。至今一種基于溫度控制模型的理論體系已經基本形成，通過 章緒論對模型識別、結構分析、算法優化、參數整定和魯棒穩定性的研究，基本上解決了加熱 系統中溫度及均溫控制效果的問題。工業控制用的計算機（ＩＰＣ）、可編程控制器（ＰＬＣ）、 智能控制儀表以及智能控制算法提供了溫度及均溫性控制系統強有力的硬件和軟件平 智能控制算法廣泛應用于各種溫度控制器的設計之中，目前在過程控制計算機中配置的先進控制策略主要有：自適應控制（包括自適應ＰＩＤ控制）、模糊控制及故障診斷、 神經網絡以及遺傳算法等。采用先進的控制策略可以解決真空退火爐系統自身帶來的時 變性、非線性和大時滯等問題。這里對幾種智能控制算法做一個綜述【９】： （１）神經網絡 人工神經網絡（Ａｎｉｆｉｃｉａｌ Ｎｅｕｒａｌ ＮｅｔｗｏｒｋＡＮＮ），又稱并行分布處理模型或連接機 制模型，是基于模仿人類大腦的結構和功能而構成的一種信息處理系統或計算機系統。 人工神經類似于人類智能，具有很多與之相類似的特點，比如良好的容錯性強、高度的 并行性和非線性、知識分布存儲、自適應和聯想記憶功能以及綜合推理能力等。它由大 量人工神經元連接而成，通過模仿生理學上的人的大腦神經網絡結構和功能，是一種能 夠進行復雜邏輯操作、非線性和自適應以及動態信息處理的系統。神經網絡在控制領域 中的應用包括非線性映射和函數逼近功能、模式記憶與聯想功能和優化計算功能。ＢＰ 神經網絡（簡稱ＢＰ網絡）模型是目前應用廣泛的神經網絡之一，也稱誤差反向傳播神 經網絡，它是由非線性變換單元組成的前饋網絡，在模式識別、圖像處理與分析以及工 業控制等領域有廣泛應用。神經網絡應用于溫度控制系統，就是將采集到的已轉化為數 字信號的溫度作為網絡的輸入，在計算機上不斷完善和修正直到系統收斂到網絡權值， 將調整好的輸出發送至ＰＩＤ控制器作為其控制參數，從而達到神經網絡ＰＩＤ控制參數 自整定的目的。 （２）遺傳算法【Ｉｕ 遺傳算法（ＧｅｎｅｔｉｃＡ１９０ｒｉｔｌｌＩ＝【ｌｓ，ＧＡ），是由２０世紀中后期，由美國Ｍｉｃｌｌｉｇａｎ大學的 ＪｏｌｌＩｌＨｏｌｌａｎｄ教授提出的。遺傳算法是一種新的全局隨機優化算法，這種算法參照遺傳 學中生物進化的基本原理，結合優勝劣汰和適者生存的進化論思想，運用計算機科學模 擬自然界中生物群體由低級到高級、由簡單到復雜的生物進化過程，使所要解決的問題 從初始解逐漸逼近解或準解。遺傳算法被作為一種新的全局優化搜索算法提出 后，由于其思想簡單、易于實現以及表現出來的健壯性，經過發展，現在已經逐漸成為 控制策略中很重要的智能算法之一，獲得了廣泛的應用，在自適應控制以及工程實踐等 很多領域都取得了良好的效果。遺傳算法應用于溫控系統就是將經過傳感器轉化后得到 的溫度數字信號送入計算機，然后將其與給定溫度的差值進行比較，在軟件上采用遺傳 算法對３個ＰＩＤ參數進行優化控制，然后將控制量輸出。遺傳算法的具體實現是將３ 個ＰＩＤ參數串接在一起，構成遺傳空間中的一個完整的個體，通過繁殖、遺傳、交叉和 變異等操作生成新的群體，通過多次搜索即可求出適應度值的個體。遺傳算法的特 西安石油人學碩士學位論文 點是在溫度控制中具有很高的穩定度，溫度控制精度也比較高。 （３）模糊控制（ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒ０１）【１２】 模糊控制是由美國加利福尼亞大學著名教授扎德（Ｌ－Ａ．ｚａｄｅｈ）首先提出的，它是以 模糊數學、模糊集合論、模糊語言和模糊規則推理為理論基礎，從行為上模仿人的 模糊推理和決策過程，采用計算機控制技術構成的具有反饋通道的閉環結構的一種 智能控制方法。該方法將采集到的實時輸入信號模糊化，然后將模糊化后的信號作為 模糊控制規則的輸入，將操作人員或專家經驗變成模糊規則存入計算機中，經過模糊判 斷完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執行器上。對某些數學模型不確定或者不 易取得數學模型的對象模糊控制應用比較方便。對于溫度控制系統，通常它的數學 模型是不易建立的，即便是模型已經建立，但是其控制參數也是時刻變化的。ＰＩＤ控制 比較簡單和方便，但前提是需要建立在模型已經確定的情況下，適用于解決線性和無參 數變化的控制系統問題當中：而模糊控制則僅依賴于現場操作人員的經驗和直觀判斷進 行分析判斷，不需要建立對象的模型，非常適合應用于非線性和參數變化等控制系 統問題。模糊控制應用于溫度控制系統，是將溫控對象的偏差和偏差變化率以及輸出量 的真實確定量進行模糊化后轉化為其相應的模糊值，形成模糊規則，然后將這些模糊規 則整理成ＩＦ＋ＴＨＥＮ條件語句，后建立模糊模型；系統通過查詢模糊規則表，形成模 糊算法；計算機經過計算處理求出輸出控制量的量來驅動執行機構，實現溫度的穩 定控制。模糊控制較之ＰＩＤ控制具有響應快、超調量小等特點。 （４）模糊控制與ＰＩＤ結合（Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ）【１３】 模糊語言和模糊規則是模糊控制系統的動態特性及性能指標。模糊控制的特點是不 依賴于系統的數學模型，只要求掌握現場操作人員或有關專家的經驗、知識和操作 數據，適用于復雜系統與模糊性對象等：系統的魯棒性強，尤其是適用于非線性時變、 滯后系統以及對干擾有較強抑制能力的控制系統。模糊控制的缺點是系統沒有明確的控 制結構，存在較大穩態誤差等。ＰＩＤ控制器雖然結構簡單、容易實現，魯棒性強，是 成熟的控制器，在工業生產過程中廣泛使用。但ＰＩＤ本質是線性控制，而模糊控制具有 非線性，因此，將模糊控制與ＰＩＤ結合將兼顧兩者的優點。具體做法是用ＰＩＤ控制算 法確定控制作用，其實質在一般ＰＩＤ控制系統基礎上，加上一個模糊控制規則環節，以 模糊規則調節ＰＩＤ參數的自適應控制。當溫差較小時采用ＰＩＤ控制，系統的靜態性能 好，滿足控制精度要求，當溫差較大時采用Ｆｕｚｚｙ控制，系統動態性能好，響應速度快。 因此使用Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制，相比較其中任一單一的控制方式模糊控制或ＰＩＤ調節器，有 更好的控制性能【ｌ訓。 綜上所述，智能控制算法不論是神經網絡、模糊控制還是遺傳算法，都屬于比較高 級的控制算法，對于像真空退火爐這種大容積、加熱空間大、熱分布不均勻和溫度控制 呈現大滯后、非線性、時變性等特點的控制對象，將其中某一種算法或者幾種算法同 ＰＩＤ結合以調節ＰＩＤ參數，能夠實現和解決真空退火爐溫度及均溫控制復雜帶來的問題。 章緒論 溫度控制系統采用自適應神經網絡的優點是系統具有很強的魯棒性和動態響應快，但缺 點是容易陷入局部。采用遺傳算法的特點是實現結構與參數的快速全局尋優引。采 用Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制可以在不需要知道系統的準確模型的前提下，結合ＰＩＤ控制和模糊控 制的優點在線調整ＰＩＤ參數，實現溫度的控制及多溫區均溫性控制。在實際溫度控 制系統的應用中，根據不同的加熱對象和所要求的控制曲線和控制精度，選擇不同的控 制方法。 １．５論文的主要內容及結構 本文針對寧夏東方鉭業股份有限十米稀有金屬管材真空退火爐控制系統工程， 結合稀有金屬管材真空退火爐溫度模型和溫度以及均溫性控制要求，介紹了真空退火爐 溫度控制的現狀、發展趨勢，通過對加熱系統的分析，實現真空退火爐爐溫及均溫控制的現場監控；用工控機（ＩＰＣ）作上位機，可編程控制器ＰＬｃ和可編程溫度控制儀表作為 下位機，采用多總線結構，構成ＩＰＣ＋ＰＬＣ＋智能儀表監控系統；控制策略采用變參數自 整定模糊ＰＩＤ控制算法實現ＰＩＤ參數的在線優化，通過使用ｏＰＣ技術，局部調整各區 溫度，以達到大型真空退火爐真空度全過程自動控制、爐區溫度高精度和多溫區高均溫 性控制：建立真空退火爐溫度控制模型，在控制策略上將真空度到達設定值作為退火溫 度控制的先決條件，實現真空度與溫度的耦合控制，提高多溫區的均勻性；通過對稀有 金屬管材真空退火爐溫度及均溫控制研究實現了大型管材真空退火過程的自動檢測與 優化控制，提高了溫控系統的穩定性，自適應性和魯棒性，使得系統運行可靠，溫度控 制精度高，溫度均勻性一致，參數調整方便。鐵氟龍噴涂 章緒論部分。介紹了本課題的研究背景和意義，國內外管材真空退火爐溫度 及均溫性控制現狀、方法以及智能控制算法在真空退火爐溫度及均溫控制系統的應用， 后提出了本課題的主要研究內容。 第二章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制模型分析。通過對大型管材真空退 火爐設備結構和特點的分析，根據真空退火爐主要技術參數控制要求，建立了真空退火 爐溫度控制模型并進行系統辨識。針對稀有金屬管材真空退火爐溫度及均溫控制的功能 要求，控制系統在硬件上對加熱系統的控制實現做了介紹，并設計了多總線網絡結構系 第三章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制策略分析及實現。通過對大型管材真空退火爐退火溫度精度控制以及多溫區均溫性控制分析，從模糊控制的角度進行分 析，設計了基于管材真空退火爐溫度的變參數自整定Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器，并對控制效果 進行了仿真。為控制系統在軟件上的實現提供了理論基礎。 第四章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制軟件實現。通過對大型管材真空退 火爐退火溫度精度控制以及多溫區均溫性控制分析，在軟件上采用ＫｉｌｌｇＶＩＥＷ６．５３組態 軟件設計了人機界面，實現數據的記錄和報警的反饋；控制策略軟件方面，采用 西安石油人學碩士學位論文Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ變參數自整定技術實現ＰＩＤ參數在線ＰＣ技術，在上位機中通 過溫度局部調整，達到大型管材真空退火爐溫度控制精度高、均溫性控制一致性目的。 第五章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制系統測試與結果分析。本章主要介 紹了大型管材真空退火爐溫度及均溫控制系統調試目的及意義，對現場的測試做了分 析，后從實際運行的溫度控制精度、溫度均勻性等幾個方面檢驗了大型管材真空退火 爐計算機控制系統的控制效果。 第六章結論。本章對大型管材真空退火爐溫度及均溫控制分析和論文進行了總結， 并提出了本控制分析策略在應用上的不足和對今后技術應用和發展的展望。 第二章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制模型分析 第二章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制模型分析 ２．１管材線管材真空退火爐結構及特點 真空退火爐的結構一般分為外熱式和內熱式兩種，本課題討論的對象大型管 材真空退火爐為臥式真空電阻爐，單室內加熱。爐身長１００００ｍｍ，爐寬６００ｍｍ， 爐高６００ｍｍ。管材真空退火爐由爐體、加熱系統、真空系統、冷卻水系統、電控 系統以及導軌等組成。線－ｌ真空退火爐模型 爐體包括殼體、加熱室、前爐門、后爐門和導軌。殼體為臥式圓筒形雙層結 構，采用焊接方式組成一個爐體。整個爐體分別由圓柱形反射屏、加熱器、電極 以及爐體組焊件等組成。爐體上安裝有充氣接口及閥門、放氣閥、標溫接口等。 爐內安裝有托料導軌和料車進出導軌。分前后開門，前門裝料，爐門兩端均有氣 動缸鎖緊，自動開閉。爐體從爐門由外向里分為六個溫區，安裝有六個獨立的加 熱帶，分別對各個溫區進行加熱，爐體外側裝有三臺冷卻風機，使爐內加熱保溫 完成后快速冷卻。 Ｃｒ２０Ｎｉ８０電阻具有帶電阻率高，高溫強度好，加工性能好，用后不變脆，使 用壽命長等特點，所以該爐體的加熱器采用Ｃｒ２０Ｎｉ８０電阻帶，其常用工作溫度為 ８００～１０００。隔熱屏和加熱器固定在爐膽上，筒形隔熱反射屏采用全金屬結構， 反射屏由多層不銹俐板組成。加熱器均勻合理布置于加熱室內，加熱器之間盡量 減小距離，以減小兩區交界處的溫差，提高爐體溫度均勻性。每個溫區都有校溫 熱電偶及接口，實現測溫及控溫功能。 線套真空機組組成，每套機組由１臺機械泵、１臺擴散泵、ｌ臺羅 茨泵及相關閥門管道等組成。真空系統的作用是在工件加熱前對整個爐體進行抽 高真空，以防止稀有金屬管材氧化和去氫，以去除殘余應力，使工件溫度均勻。 退火爐線所示。 西安石油大學碩士學位論文圖２－２退火爐真空系統模型 冷卻系統的功能主要是在真空退火爐按照加熱工藝曲線對工件完成加熱及保 溫后對爐體進行快速冷卻，它分爐內冷卻和水冷系統兩部分。冷卻水系統為爐體、 電極、真空泵等提供多路冷卻水。系統提供兩套冷卻水進出水管，一套用于快冷 系統，用于快冷系統的進水管道進入熱交換器前串接冷水機組，循環水經過冷水 機組降溫后進入快冷系統的熱交換器。一套用于爐體和真空系統等冷卻。為了提 高設備的工作效率，設備設置氣體快速冷卻系統。爐內熱量通過熱交換器和爐體 循環水冷卻帶走。 電控系統用于控制整個真空退火爐工作過程，系統采用了穩定工控機ＩＰＣ＋可 編程控制器ＰＬＣ＋智能儀表的控制系統，完成真空控制和溫度的加熱控制。電控柜 由一立電源柜，一臺真空系統柜（ＰＬＣ柜），一臺加熱系統柜（控制六個溫區 加熱）和一個操作臺組成【ｌ６１。 真空退火爐主要有以下幾個特點： １）溫度范圍廣，加熱溫度可達９００； ２）爐體溫度的控制及爐內溫度均勻性好，工件加熱均勻，變形微小； ３）爐內真空度的穩定控制，加熱和冷卻工序循環短，熱效率較高； ４）結構較為復雜，易于實現全程的自動化，加熱環境整潔，工作中無污染， 操作安全。 ２．１．２線）加熱溫度：加熱溫度為９００，爐體工作溫度為５００￣８５０； ２）有效均溫區：矽ｍ； ３）爐溫均勻度：墊５； ４）控溫精度：士１，能分段設置溫度曲線； ｌＯ 第二章大型管材真空退火爐溫度及均溫性控制模型分析 ５）極限／工作線Ｐ柚； ７）工作周期＜２０ｌｌ／爐（自然冷卻，開始抽線Ｉｌｌｉｎ（空爐，室溫升到８５０）。 ２．２管材真空退火控制需求分析 根據稀有金屬的材料和特性、結合真空退火爐工藝過程，在已有的真空退火爐設備 基礎上，針對稀有金屬管材真空退火爐溫度控制精度及多溫區溫度均勻性控制的技術參 數和功能要求，對計算機控制系統提出了包括硬件控制和軟件監控兩方面的功能要求： １）系統硬件功能要求： 溫度準確性及多溫區均溫控制系統：系統分為六個溫區，六個加熱器獨立加熱，中 間爐體部分沿縱向向內共分為４段加熱，前后爐門各ｌ段加熱。加熱器合理布置于加熱 室內，加熱器之間盡量減小距離，以減小兩區交界處的溫差。爐體分布有６個控溫熱偶， 分別控制每段加熱。在爐體內均勻安裝１６個均溫巡檢熱偶對爐體進行均溫性檢測，控 制系統實現真空退火爐區溫度高精度和多溫區高均溫性全過程的自動檢測與優化控制。 真空系統和冷卻系統：系統配有電離規和電阻規分別測量爐內的高、低真空度，進 行真空計測量值顯示和連鎖控制；真空測量用規管應合理布置，采用電阻規測量前級管 道壓力；通過ＰＬＣ機實現真空退火爐真空度全過程自動控制。冷卻水系統用來監測水 流以確保設備在正常條件下運行，系統具有水壓、水流、水溫和缺水報警及聯鎖控制等 功能。 ２）系統軟件功能要求： 選用研華工控機做為上位機，工業現場的監控畫面要求簡潔明了，對退火爐的工作 狀況進行實時監控。工控機配備有數據采集板卡和通訊接口，與溫度控制儀表通訊，顯 示爐內溫度的過程值與設定值，由上位機下發參數指令和設置好的程序對溫度控制儀表 實現各段溫度控制，從而實現工控機對整個加熱過程的管理監控和對設備的控制。可在 監控畫面上直接繪制工藝曲線，下傳至溫控儀表，針對不同的退火材料和退火工藝，建 立不同的工藝控溫曲線數據庫，供生產時調用，實現各個溫區的加熱溫度控制；工控機 與真空計通訊，顯示真空計測得的爐內真空度；監控畫面顯示主要工藝參數，例如溫度、 真空度和功率等等；工控機自動對退火生產過程中的工藝參數以及設備故障報警情況記 錄并存盤，系統硬盤可以存儲半年以上的數據，供用戶實時參數和歷史數據打印。 ２．３系統硬件結構設計 真空退火爐控制系統在硬件上采用工控機（ＩＰＣ）作上位機，可編程控制器ＰＬｃ和可 編程溫度控制儀作為下位機，采用ＲＳ．４８５總線和Ｐｒｏ勱ｕｓ總線的多總線結構，構成 ＩＰＣ＋ＰＬＣ＋智能儀表的智能控制系統，實現大型真空退火爐生產過程中溫度和真空度的 西安石油大學碩＋學位論文 控制，以及多溫區溫度的均勻性控制。控制系統組成原理如圖２．３所示。 圖２—３控制系統組成原理圖 ２．３．１加熱控制硬件組成 退火爐爐溫由改變加熱元件的輸出功率來調節，綜合考慮爐內真空度和溫度控制精 度以及多溫區溫度均勻性等多方面因素，將爐體加熱室沿縱向分為６個加熱區，加熱元 件分布在６個區內，并均勻地安裝在加熱室內壁。各個區加熱元件都為星形連接，電源 為三相３８０Ｖ，加熱總功率為９８０ＫＷ。真空退火生產過程中，工作溫度一般在５００～ ８００。Ｃ，本系統選用熱電偶作為測溫和控溫的傳感元件，熱電偶是工業上應用廣泛的 溫度傳感器，具有結構簡單、使用方便、準確度高、熱慣性小、穩定性好等優斟１７】，在 每個加熱區安置熱電偶用來檢測和控制各區溫度，熱電偶通過補償導線組加熱元件進行控制，這樣有利于對爐體實現分段控溫，提高 爐內溫度的控制精度。為使爐內溫度分布均勻、熱交換順利，將加熱器合理布置于加熱 室內，盡量減小加熱器之間距離，以減小兩區交界處的溫差，從而提高爐體溫度均勻性。 根據退火生產工藝，稀有金屬管材的熱處理過程分為三個階段，即升溫階段、保溫階段 和降溫階段，在升溫階段允許溫度超調量為１０，而保溫階段要求溫度控制精度 為士ｌ。由于真空退火爐爐體熱慣性大，時間滯后明顯，為保證爐內溫度的控制及 溫度均勻一致性，還應綜合考慮爐體本身特性、加熱元件的分布情況以及被加熱工件的 本質特征。 針對以上分析本系統在硬件上設計了基于工控機、智能儀表３５０４以及調功器 （ＫＴＹ３Ｓ）的溫度檢測與加熱控制閉環控制系統。其具體實現方式是：在上位工控機的監 １２ 二章 人型管材真空退火爐溫度及均溫性控制模型分析 控畫面上，按照工藝要求繪制出加熱溫度曲線，檢查無誤后，確認下傳，通過ＲＳ．４８５ 將溫度控制曲線秒鐘），采用英杰晶閘管調功器ＫＴＹ３Ｓ作為各個溫區功率調節設備，調功器接收到 由智能溫度儀表輸出４—２０ｍＡ連續變化的控制信號，送入周期開關，周期開關輸出一系 列脈沖寬度固定、變周期的開關量信號，控制晶閘管通、斷時間比值，用于調節連接現 場的變壓器，從而改變真空退火爐的加熱功率，實現晶閘管功率調節器調節功率的控制。 系統加熱帶采用星型法連接。該系統特點是周期跟隨調節器輸出電流而變化，具有良好 的線性關系，使調制的方波電壓按信號電流的大小，在Ｏ％．１００％范圍內比例地連續調 節退火爐加熱的平均功率，以保持爐溫恒定。現場６個溫區采用６個控溫熱偶，在爐體 內均勻安裝１６個均溫巡檢熱偶對爐體進行均溫性檢測，從而實現溫度控制的高精度性 和溫度一致性【ｌ８１，加熱系統控制原理如圖２．４所示。 圖２—４加熱系統控制原理 當系統工作線Ｐａ），按下加熱啟動按鈕，啟動加熱系 統，智能溫控儀３５０４開始工作，它將從上位機發送過來的加熱曲線按照時間順序調整 設定值，并且對爐體內各個溫區的熱電偶采集回來的的實時溫度數據進行接收，將加熱 溫度過程值與儀表內部設定好的溫度曲線上的實時溫度設定值進行比對，當過程溫度值 低于設定值時，３５０４加熱輸出為ｏｎ；當過程溫度值高于設定值時，３５０４加熱輸出為ｏｍ 控制量采用４．２０ｍＡ模擬量信號發送給ＫＴＹ３Ｓ三相晶閘管功率控制器，功率控制器再 根據接收到模擬量控制信號，采取過零觸發的調功方式對輸出加熱功率進行調節，調功 器負載為變壓器，變壓器次級連接加熱電極（水冷式），加熱電極采用導套結構與爐體 內的Ｃｒ２０Ｎｉ８０電阻帶連接。由于稀有金屬在高溫下容易被氧化和吸附雜質，所以整個 西安石油人學碩士學位論文 退火過程中，都要求保持爐內真空度符合高真空的要求，爐體上均勻分布有１６個測溫 熱電偶對爐體溫度進行均溫性檢測，并通過溫度巡檢設備反饋到上位機，熱電偶為檢測 傳感器、智能溫度控制儀表３５０４作為控制器、ＫＴＹ３Ｓ三相晶閘管功率控制器作為執行 器，實現了加熱監控系統對真空退火爐整個加熱過程的的閉環控制。整個溫控系統構成 一個加熱閉環控制系統【ｌ ８１。 ２．３．２多總線結構系統組成 大型管材真空退火爐的生產過程中要求對溫度、真空度、功率、機械動作等多個參
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