辊道窑温度分布式智能控制系统的组成、工作原理及应用介绍

1导言

陶瓷生产是一个古老而传统的行业，历史悠久。陶瓷辊道窑生产工艺采用传统的手工操作，炉温波动大，导致瓷砖质量低，甚至出现不合格产品。另外，现场环境条件差，工人劳动强度大，操作人员增多，对企业经济效益影响很大。为了提高陶瓷生产水平，根据企业的实际需要和工厂提出的工艺要求，我们开发了一套分布式智能控制系统，对辊道窑的温度进行集中监控，以提高瓷砖的质量和产量，改善工人的工作条件，提高生产效率。

辊道窑分布式温度控制系统的组成及原理

它是一个分散控制系统，一个分散控制系统和一个分散控制系统。4C技术在业内被称为控制控制技术；计算机技术；通信技术；阴极射线管CRT显示技术。分布式控制系统是多台计算机分别控制生产过程中的多个控制回路，同时又能集中采集数据、管理和控制的自动控制系统。分散控制系统采用微处理器分别控制各个回路，而采用中小型工业控制计算机或高性能微处理器实现上层控制。电路之间以及上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据采集、直接数字控制、人机交互、监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监控系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的。它是一个比较完善的生产过程控制和管理系统。

该系统由上位机和下位机两部分组成。上位机通过RS-485通信协议传输信息。上位机由586微机和RS232C/RS485转换器组成，位于集控室内。它可以向下位机(现场控制器)发送命令，接收现场控制器数据，分析、存储、打印和显示报表等。上位机是指一台计算机，通常是PC机，在这里人们可以直接发出控制命令，各种信号变化(水压、水位、温度等。)显示在屏幕上。下位机是直接控制设备获取设备状态的计算机，通常是PLC/MCU之类的。上位机发出的命令先给下位机，然后下位机把命令解释成相应的定时信号，直接控制相应的设备。下位机不时读取设备状态数据(通常是模拟的)，转换成数字信号，反馈给上位机。六个控制器通过电动比例控制阀调节喷油量来控制6o 时钟，从而保证窑炉烧成带的温度恒定。该系统特别适用于辊道窑等小型DCS系统。

3智能温度控制器的设计

3.1概述

常规PID控制器原理简单、稳定性好、易于实现，在过程控制中得到广泛应用。但在辊道窑温度控制系统中，在工业生产过程中，生产装置的温度、压力、流量、液位等过程变量往往需要维持在某一值或按照一定规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器根据PID控制原理调整整个控制系统的偏差，使被控变量的实际值与过程要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器达不到预期的控制效果。PID控制器是工业控制应用中常见的反馈回路元件。该控制器将收集的数据与参考值进行比较，然后使用差值计算新的输入值。这个新输入值的目的是使系统的数据达到或保持在参考值。与其他简单的控制操作不同，PID控制器可以根据历史数据和差异的出现率来调整输入值，这可以使系统更加精确和稳定。用数学方法可以证明，当其他控制方法导致系统存在稳态误差或过程重复时，因此，在PID控制器的设计中，首先采用基于继电反馈的整定方法来确定PID调节器的参数，然后对PID参数进行实时模糊校正，使其具有自适应功能，以满足系统在变工况下的要求。

3.2恒温器的控制策略

PID参数的自整定

根据继电器振荡原理，继电器反馈系统框图如图1所示。如果继电器的输出幅值为B，根据非线性理论，继电器的描述函数为，其中误差信号的幅值为不断调整使系统自激振荡的继电器特性的幅值，然后通过测量振荡周期和幅值可以得到临界增益和临界周期。利用这两个参数，根据齐格勒-尼科尔斯方法，可以获得PID参数。PID参数设定后，该参数作为PID控制器模糊校正的初始值，自动转入PID参数模糊校正控制。一般在系统第一次投入运行时进行设定，设定值存储在EEPROM中。

其中Kp是比例系数；Ti是积分时间常数；Td是微分时间常数。

3 . 2 . 2 PID参数的实时模糊校正

根据上述自整定PID参数，当辊道窑的参数或工况发生变化时，系统的性能会下降，甚至会不能满足工艺要求，因此PID参数必须在线调整。目前，自整定PID算法被广泛应用，但这种方法是建立在被控对象的精确数学模型基础上的。因此，我们采用模糊控制技术，这是现代控制理论中的一种先进策略和新颖技术。模糊控制技术以模糊数学理论为基础，通过模拟人类的近似推理和综合决策过程，提高控制算法的可控性、适应性和合理性，成为智能控制技术的一个重要分支。根据系统运行过程中偏差的绝对值和累计偏差的绝对值，实时修正PID参数。当参数或工况发生变化时，逐步调整数值，使系统控制性能处于最佳状态。修订后的规则如下：

(1)比例系数增大，系统响应速度加快，稳态误差减小。因此，在偏差较大的情况下，应增大该值。但如果偏差过大，系统就会超调甚至不稳定。因此，在偏差较小的情况下，应减小该值。如果将偏差绝对值的模糊子集取为很大(VB)、大(B)、中(M)、小(S)、很小(VS)，模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，那么修正量的模糊控制规则如表1所示。其中，[0，10]的基本宇宙分为11个数量级，即

(2)在PID控制器中，积分的作用是消除稳态误差。加强积分函数(减小)有利于减小稳态误差，但积分函数过强会造成积分饱和，增加系统的超调量，甚至引起振荡。因此，在调整过程的初期，即误差积累较小的阶段，积分的作用应该减弱(增强)。在平差过程的后期，即误差积累较大时，应加强(减少)积分作用。若累计误差绝对值的模糊子集为VB、B、M、S、VS，模糊子集为PB、PS、O、NS、NB，则修正量的模糊控制规则如表2所示。其中，[0，10]的基本论域分为11个数量级，即={0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}，[-5，5]的基本论域分为11个数量级，即={-5，4}。

(3)微分在PID控制中的作用主要是改善系统的动态性能，控制超调量。对于具有变功和不确定性的系统，在调整过程的前期，即误差累积绝对值较小时，应加强(即增加)微分的作用，而在调整过程的后期，即误差累积绝对值较大时，应减弱(即减少)微分的作用，将变量的模糊子集取为PB、PS、O、NS、NB，则修正量的模糊控制规则如表2所示。其中，的基本论域为[-1，1]，分为11个量化级，即={-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0.2，0.4，0.6，0.8，1}。

智能温控系统的结构框图如图2所示。设置参数时，将开关拨到T，设置好参数后，再拨到自动位置A，参数自调整控制器将对被控对象进行调整。

4智能控制器的实现

4.1控制器硬件系统

控制器的硬件主要由微处理器系统、输入通道、输出通道、键盘和显示器组成。

(1)微处理器系统：由8031单片机、2764 EPROM(用于存储监控程序)、2816EEPROM(用于存储自设定参数和温度设定值)、解码电路和锁存器等组成。

(2)输入通道：由OP07热电偶冷端补偿电路、放大电路(OP07，741)、V/F、光电耦合、计数器、定时器等组成。热电偶是测温仪表中常用的测温元件。当两个成分不同的导体连接成回路时，当两个连接点的热电偶温度不同时，回路中就会产生热电流。如果热电偶的工作端和参比端有温差，显示仪表会指示热电偶产生的热电势对应的温度值。热电偶的热电热会随着测量端温度的升高而增加，其大小只与热电偶材料和两端温度有关，与热电偶的长度和直径无关。各种热电偶的形状根据需要往往差别很大，但基本结构大致相同。它们通常由热电极、绝缘保护管、接线盒等主要部件组成，通常与显示仪表、记录仪表和电子调节器一起使用。采用两级放大器，将毫伏信号放大到所需的0 ~ 5 V的幅度，再通过上V/F转换成频率，通过软件的定时和计数完成A/D转换。

(3)输出通道：由D/A转换器、V/I转换器、输出锁存器和光电隔离电路组成。D/A转换器将输出转换成0 ~ 5 V的电压信号，V/I转换器输出0 ~ 10 mA的标准电流信号。

(4)键盘和显示器：由8279、4个按键和4个led组成。

4.2控制器的软件设计

控制器的软件主要由监控软件和控制软件组成，其软件框图如图3所示。

4.3调度和应用

为了不影响窑的正常生产，在设置PID参数之前，手动调节炉温到正常工作点(1200)附近，并设置电动比例控制阀的开度在工作点附近10%的范围内变化，这样t

该系统已在现场长时间连续运行，性能稳定，可靠性高。采用智能温度控制后，当温度设定为1200时，温度波动范围由原手动控制的(见图4)减小，表明系统具有良好的控制性能。

5结论

(1)由于采用了集散控制系统，上位机为586微机，软件资源丰富，可用于集中监控、画面显示、参数设定等。下位机可以方便地与上位机交换信息，也可以独立操作，实时控制现场。该系统可靠性高，价格低。

(2)温度控制器采用PID参数自整定技术，可大大缩短现场调试时间，特别适用于缺乏自动化工程技术人员的工厂。

(3)对于能够在不确定精确数学模型和变工况(如油炉)的情况下，采用PID控制时，先用自校正技术确定PID参数的初始值，然后根据实时数据对PID参数进行在线模糊调整，是一种非常实用有效的控制策略。