|
焙烧/煅烧/烧结炉 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
九点控制器在陶瓷材料微波烧结温度控制系统的应用 |
|
|
作者：周治国 崔晶晶 |
|
1 引言
微波烧结是一种利用微波加热来对材料进行烧结。微波烧结技术的诞生和发展从根本上改变了材料烧结的工艺现状，近年来也成为了材料和控制学科研究的重点。其中对材料烧结温度的控制将直接影响到新材料质量和性能，但由于陶瓷材料微波烧结机理的复杂性，对于这样一个复杂难测系统，进行烧结温度的控制，建立精确的数学模型是不可能的。因此，对该类系统，采用传统的PID控制难以满足要求，并且对于PID控制来说，在系统设计中，控制参数的选择是设计的核心同时增加系统设计难度以及延长了研发时间。
针对以上的问题，为了更好满足温度控制的快速性和稳定性的要求，本文采用了一种模糊智能控制的方法，即采用九点控制器，并用Matlab进行了仿真研究。
2 九点控制器原理
九点控制器的基本控制思想是:当被控对象输出值偏离设定值时，控制器自动加上一个反方向的作用力，迫使系统快速响应回归到设定值附近。
由九点控制器构成的控制系统的方框图如图1所示:
图1 九点控制器的方框图
在图1中，r(t)为系统给定的设定值，y(t)为系统的输出，则偏差e=r(t)-y(t)，偏差变化率 =(ei-ei-1)/t，t为采样周期，i和i-1分别为本次采样时刻和上次采样时刻，±e0为系统允许偏差(其中e0为误差上限，-e0为误差下限)。将系统偏差和偏差的变化率的大小各分为三种情况，再以泛布尔代数为分析工具组合为九种工作情况，每种情况都代表系统的一种运行方式，称之为工况。控制器根据不同的工况采用不同的控制规则。工况的确定和相应的控制规则如附表所示：附表 九点控制器规则表
 九点控制器依据系统给定的偏差和偏差的变化率根据附表来选择不同的工况，同时给出相应的控制作用力Ki，及时向控制对象进行能量补充和消耗，从而达到控制目的和跟踪性能要求。
由于控制规则表与相平面有一一对应的关系，故可以用相平面分析方法对九点控制器进行辅助设计，主要是设定表格中的各个参数，如图2所示：
图2 九点控制器的相平面图
图2中L1和L2所夹区域构成期望偏差变化率e的零带，L3和L4所夹区域构成期望偏差。K4+、K3+、 K2+、K1+、K4-、K3-、K2-、K1-和K0分别与Ⅰ、Ⅱ、… 、Ⅸ区控制器的参数相对应，当与具体的控制对象相结合时，由相平面分析和实验结果可以得到:K0控制稳态误差;K4-控制负超调量、K4+控制正超调量，两者组成允许误差范围的两道不可超越的界限;K3+控制启动速度;K2+影响系统的上升时间。所以只要合理地选择它们的值，就可以实现系统同时对稳态性、准确性与快速性的要求，而且其静、动态性能都要比PID控制器好。因此，九点控制器的整定相对来说比较容易。
3 九点控制器在陶瓷材料微波烧结温度控制系统中应用
在陶瓷材料微波烧结过程中，从升温到烧结、保温、降温都需要根据工艺的要求来严格控制温度，由于系统采用微波来加热，微波能又具有功率—温度瞬时响应特性，功率的变化能使温度立即产生变动，因此对烧结温度的控制实际上是通过控制微波功率的大小来实现的。
以前大多采用微机控制功率输出并辅以精确的温度测量，但仍无法使微波烧结达到较高的自动化程度。另外在烧结过程中，可能会因为没有及时改变微波功率的大小或调节谐振腔的状态而使温度过高而导致材料的熔化或加热的中止，甚至是烧结的失败。因为这对温度控制的快速性和稳定性有了很高的要求。同时该系统还具有大延时的特点。基于以上的控制要求,现采用九点控制器对设备进行自动控制。
微波烧结温度控制系统流程图如图3所示。我们采用九点控制器对大功率电力电子器件晶闸管进行控制，来实现对微波功率的控制。
图3 微波烧结温度控制系统流程图
在九点控制器控制区域内，定义偏差e=1200℃-实际温度，偏差变化率< = ei-ei-1。如图2所示，当系统进入九点控制器不同控制区域时，给予不同的控制力度Ki。
其控制过程是(图2)，当系统工作于工况I区,偏差 e为正且偏差变化率r为正(偏差继续增加)，系统需要很大的作用力阻止偏差进一步增加并使得系统响应趋近期望值，因此K4+应取很大的值;工作在系统工况II区，偏差e较大但偏差变化率e较小,系统需要较大的作用力使得系统响应趋近期望值，K3+应取较大的值;工作在系统工况Ⅲ区，偏差e为正且偏差变化率e为负(偏差继续减小)，系统需要稍小的作用力使偏差进一步减小并使得系统响应上升速度不要太快，避免产生较大的超调量，因此K2+应取较小的值;工作于系统工况Ⅷ区，偏差e处于偏差零带内且偏差变化率e为负(偏差继续减小)，系统需要反向作用力抑制系统响应上升，同时又要避免系统响应下降，故反向作用力应很小，因此K1-应取很小的值;工作于系统工况Ⅴ区，偏差e为负且偏差变化率e为负(偏差继续减小)，系统需要很大的反向作用力阻止系统响应上升，因此K4-应取很大的值;工作于系统工况Ⅵ区，偏差e为负且偏差变化率e处于偏差变化率零带，系统需要较大的反向作用力使系统响应趋向期望值，因此K3-应取较大的值;工作于系统工况Ⅶ区，偏差e为负且偏差变化率e为正，系统需要较大的反向作用力使系统响应趋向期望值，因此K2-应取较大的值;工作于系统工况Ⅳ区，偏差e处于偏差零带内且偏差变化率e为正，系统需要正向作用力阻止系统响应下降，同时又要避免系统响应上升，故正向作用力应很小,因此K1+应取很小的值。
上述控制策略中，“+”、“-”号表示控制作用力的方向。一般情况下，K4+>K3+>K2+>K1+，K4->K3->K2->K1-,K0一般取较小值，使得系统稳态时的振荡频率较小。
可看出，基于九点控制器的陶瓷材料微波烧结温度控制系统其控制策略是根据系统偏差和偏差变化率的变化取不同的比例增益以实现不同的控制策略的一种变控制策略的智能控制方法，其控制策略简单，容易实现，鲁棒性、实时性强。
4 仿真试验
九点控制器是根据偏差和偏差变化率将控制系统分为9种不同的工况，在不同的工况下采用不同的控制作用。前面也论述过，像微波烧结这一类复杂的工业过程，它具有非线性、纯滞后、随机干扰等特点，其烧结的机理也十分复杂，很难对其建立精确的数学模型，根据实验经验，我们假设控制对象是一个具有延迟环节的一阶系统，见下式：
下面进行仿真研究，以验证控制算法的有效性。在实际的控制过程中，会根据控制状况实时调整控制参数，实现系统重构。
对于假设的控制对象，经过实验计算，设九点控制器比例参数K4+>K3+>K2+>K1+、K0、K1-、K2-、K3-和K4-分别取65.7、19.4、13.5、10.6、1.4、-10.6、 -13.5、-19.4和-65.7，时间常数取0.1s，偏差和偏差变化率分别取0.01，用SIMULINK仿真，图4为九点控制器系统仿真框图。
图4 九点控制器系统仿真框图
仿真结果如图5所示：
图5 九点控制器对温度的控制效果图
由此可见，九点控制器对系统的温度有着很好的控制效果。只要调节 可以很好地抑制超调，而且将系统的温度波动控制在允许误差范围之内。
5 结束语
对于整个系统而言, 温度控制系统是一个延时滞后系统,普通的控制器在延时较大的情况下参数不易整定,但本文采用九点控制器却很好地解决这个问题。使用比较简单的控制规则，并把相平面法引入到控制器的分析中，在不同的区域采用不同的控制作用力，参数易于整定，控制结果也具有良好的动静态性能。在对陶瓷材料微波烧结温度控制仿真后的结果表明，这种处理方法是可行的、有效的。(end)
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(如果您是本文作者，请点击此处)
(9/11/2006) |
对 焙烧/煅烧/烧结炉 有何见解？请到 焙烧/煅烧/烧结炉论坛 畅所欲言吧！
|
