摘要: 針對粉末冶金燒結過程中溫度具有非線性、時滯、隨機性和動態時變等特點，采用了一種參數自調整的模糊控制策略，對真空燒結爐的溫度進行控制。經實踐證明：各項指標均優于傳統的PID控制方式，取得了令人滿意的控制效果。
關鍵詞：真空燒結爐 ；溫度 ；模糊控制
中圖分類號：TP273 ；TF345.7 文獻標識碼：A
Temperature Fuzzy Control System for Vacuum Sintering Furnace Based- on Parameter Self-Control
HUANG Hao
( Hunan Railway Professional Technology College , Zhuzhou, Hunan , 412oo1 )
Abstract: The powder metallurgy sintering procession had such characteristics as non-linear, time-delay, random and time-various. According to these traits, we used a parameter self-adjusting fuzzy control system to control the temperature of vacuum sintering furnace. It shown that every quality index and control effect of this model is better than that of traditional PID controller after practice.
Keyword: vacuum sintering furnace ; temperature ; fuzzy control

0 引言

        燒結爐作為粉末冶金生產的關鍵設備，燒結溫度的控制直接影響到產量的質量。其加熱過程具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，很難用數學方法建立精確的數學模型。因此用傳統的PID 控制不能適應多變的燒結爐工況，難以滿足控制精度和升、降溫實時性要求，容易產生超調或升溫速度慢等現象。為此考慮采用一種參數自調整的模糊控制技術：即通過在線調整參數改善系統的響應速度，提高精度。將它對真空燒結爐溫度進行控制，取得了很好的控制效果。

1 真空燒結工藝簡介與控制方法研究

         燒結是在低于粉末體熔點的溫度下進行加熱，使毗連的顆粒相互間形成冶金結合。燒結溫度和保溫時間要按制品的化學成分合理的確定，在實際生產中，如果升溫太快，可能使坯塊中的成型劑、水分以及某些雜質劇烈揮發，導致坯塊產生裂紋。降溫速度對制品性能同樣有很大影響，不能過快，要視具體情況來定。[1]
圖1給出了燒結工藝的溫度控制要求示意圖。燒結過程大致包括：(1).自由升溫段(ob)；(2).恒速升溫段(cd)，即要求燒結溫度上升的速度按照某一斜率進行；(3).保溫段(bc、df 和gh)，即要求在這一過程中溫度基本保持不變；(4).恒速降溫段（fg），即要求溫度下降的速度按某一斜率進行；(5).自由降溫段（hi）。在實際加熱過程中，控溫段數會隨著燒結材料不同而不同。









圖1 燒結溫度控制要求示意圖
        從圖中可看到，除了ob（自由升溫段）和hi（自由降溫段）不需要精確的溫度控制以外。其它各段都必須按具體的要求，進行精確的溫度控制以保證制品的質量。而爐溫的變化具有大慣性，大滯后和超調明顯的特點，常規PID控制以及一般的模糊控制都較難高性能的適應。
因此采用一種參數自調整模糊控制系統來進行控制，其結構如圖2所示。


圖2 參數自調整模糊控制系統結構

        它能根據燒結爐中不同階段溫度的實時變化趨勢，通過自適應調整機構對模糊控制器的比例因子進行在線自動調整，使得溫度響應具有超調小、響應快、適應性強、穩定性高等性能。
參數自調整模糊控制系統的工作原理是:在基本的模糊控制器基礎上增加調整控制機構，分為面向對象的控制級和面向控制器的規則調整級。面向對象的控制級是基本模糊控制器；面向控制器的規則調整級是自適應調整機構，用來調整量化因子Ke、Kec和比例因子Ku。通過在線調節Ke 、Kec 和Ku，對燒結爐實現精確、有效的控制。

2 參數自調整模糊溫度控制器

參數自調整模糊溫度控制器的設計分為兩步：基本模糊控制器的設計和模糊自適應機構的設計。

2.1 基本模糊控制器的設計
輸入語言變量有兩個，為實際溫度與給定值之間的溫度偏差e和偏差變化率ec ，而輸出變量選為系統控制通過加熱裝置的電流的可控硅導通角的變化量u 。
e, ec 和 u 的基本論域分別為[-xe, xe] ；[-xec, xec] ；[-yu, yu]。
分別規定其模糊子集為:

集合中各元素分別代表：PL＝“正大”，PM＝“正中”，PS＝“正小”，NS＝“負小”，NM＝“負中”，NL＝“負大”。
它們的論域等級分別為:
E = {-n，-n+1,… 0,…,n-l,n}
EC = {-m，-m+1,… 0，…,m-1 ,m}
U = {-l, l+1,… 0，…,l-1,l}
模糊控制器的控制規則可由e，ec和u描述，第i條規則Ri可寫成：
If e = and ec = then u =
模糊控制規則如表1所示。

量化因子Ke、Kec的作用是將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集的論域，比例因子Ku將經模糊控制算法給出的控制量轉換到控制對象能接受的基本論域中。量化因子和比例因子對溫度控制系統性能有如下的影響:
(1)量化因子Ke較大時，系統的升溫速度較快，但超調量較大，過渡過程較長。從理論上講，增大Ke相當于縮小了誤差的基本論域，增強了誤差的控制作用，因而導致了上升速度變快，但由于出現了超調，使過渡過程變長。
(2)量化因子Kec較大時，系統的超調量減小，Kec越大，超調量越小，但系統的響應速度變慢，可見，Kec對超調量有較強的遏制作用。
(3)輸出比例因子Ku增大，相當于系統總的放大倍數增大，系統的響應速度加快，但是Ku取值過大時，則會導致系統振蕩甚至發散。Ku值過小時，系統的前向增益很小，系統的輸出上升速率較小，響應過程變長。[2]

2.2 模糊自適應機構的設計
         對于具有大慣性、大滯后和超調嚴重等特點的燒結爐溫度控制過程，采用固定的量化因子和比例因子難以達到最佳的控制狀態。因此我們在控制過程中根據實時的e和ec的大小，改變Ke、Kec及Ku的取值，來調整不同階段上的控制特性，以達到良好的控制效果。
根據量化因子和比例因子對控制系統的影響，我們總結出參數自調整的基本原則是：
1. 當偏差e或偏差變化率ec較大時，減小Ke與Kec，同時增大Ku，以快速減小e，保證系統的快速與穩定性；
2. 當偏差ｅ或偏差變化率ec較小時，系統已接近穩態，需要大分辨率以提高系統的控制精度以及提高系統的阻尼程度，應增大Ke與Kec，同時減小Ku，以避免系統超調并使系統盡快進入穩態精度范圍。
依據上述原則，Ke 和 Kec 的變化與 Ku 的變化趨勢正好相反。為簡單起見，取 Ke和 Kec 變化的倍數與 Ku 變化的倍數互為倒數。設放大倍數語言變量N的論域為：[1/8 ,1/4 ,1/2 ,1 ,2 ,4 ,8]，經離線模糊推理運算和結合實際修改，得到在線參數修改表（表2）。
表2 模糊參數修改查詢表 


        實際運行時，以最初設定的Ke（0）、Kec（0） 對e 和 ec 進行量化，查參數修改表得到N值（即參數應放大或縮小的倍數），計算Ke = Ke（0）N ， Kec = Kec（0）N ,
Ku = Ku（0）/ N ，然后用修改后的Ke , Kec , Ku 作為模糊控制器的新參數，進行控制量運算和輸出。

3 實際應用效果與結論 

        將這種參數自調整的模糊控制系統應用于某集團的真空燒結爐的溫度控制上，取得了令人滿意的控制效果。
        根據圖1所示的燒結生產工藝曲線，原先采用傳統PID控制的升溫、保溫及降溫整個過程的溫度記錄曲線如圖4所示。現在使用參數自調整的模糊控制系統后，得到了圖5所示的溫度記錄曲線。由圖4及圖5不難看出，傳統PID控制效果差，超調嚴重，穩態精度也差，難以達到工藝要求，不能保證產品質量。而采用了模糊控制系統后，控制精度大大提高，升溫跟蹤誤差在 5℃以內，保溫段精度可達 3℃。


圖4 傳統PID控制溫度記錄曲線


圖5 模糊控制后的溫度記錄曲線

        以上結果證明：通過采用參數自調整的模糊控制系統，改變了國內粉末冶金行業多年來一直依靠傳統PID控制燒結過程的落后局面。由于該系統在總