真空烧结炉温度模糊控制系统仿真

2011-08-26 褚向前合肥工业大学真空科学技术与装备工程研究所

　　针对粉末冶金真空烧结炉时变性、大滞后、非线性的特点，采用PID 控制效果不理想，选用了模糊控制算法。建立了PID 控制和模糊控制仿真模型，进行了对比，结果表明，采用模糊控制后，系统响应速度很快，达到稳态时间仅为3.2 s，不存在超调量，稳态误差为1.2℃，稳态精度很高；系统仿真输出与给定输入波形较接近，系统调节时间短，很快进入稳定状态，且振荡很微小。模糊控制优于传统PID 控制，能够满足粉末冶金真空烧结炉温度的控制要求。

　　粉末冶金真空烧结炉是一个时变性、大滞后、非线性加热系统，由于其本身物理、化学机理的复杂性，影响因素众多，难以获得精确数学模型。当参数变化较大、控制精度要求较高时，一般PID 控
制效果很难令人满意。模糊控制不需要系统给出精确的数学模型，根据人的实际经验制定控制规则，做出控制决策表，系统根据决策表进行控制，特别适合烧结炉这类复杂的工业生产对象。烧结过程中影响制品质量的主要因素是烧结温度和烧结时间，特别对温度的要求十分苛刻，最大温差一般不允许超过给定值的±3℃~5℃，因此必须加以严格控制^[1~3]。本文对烧结带（如图1 中的4 所示）中的温度采用了模糊控制并进行了仿真^[4]。

　　连续式真空烧结炉由烧除- 预热带、烧结带、缓冷带和最终冷却带组成^[5]，如图1 所示。

连续式真空烧结炉

1.自动装料台；2.烧除带；3.转换室；4.烧结带；5.真空缓冷带；6.强迫对流冷却带；7.自动卸料台

图1 连续式真空烧结炉

1、模糊控制器的建立

　　首先，假设误差论域为[- 60,+60], 选定输入语言变量误差E 的模糊论域N 为:N= {-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，则量化因子Ke=6/60=0.1，选定量化的七个语言值为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。根据经验对这七个语言值赋值。

　　同理，假设误差变化率Kec 的论域为[-30,+30]，选定输入语言变量误差EC 的模糊论域N 为:N= {-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，则量化因子Kec=6/30=0.2，选定量化的七个语言值为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。根据经验对这七个语言值赋值。对于输出U 取和上面相同的值，则获得表1输入和输出的变量赋值表。

输入和输出的变量赋值表

表1 输入和输出的变量赋值表

3、结论

　　采用模糊控制后，系统响应速度依然很快并且不存在超调量而且稳态精度也很高，系统仿真输出与给定输入波形较为接近，系统调节时间短，很快便可进入稳定状态，且振荡很微小。因此，模糊控制优于传统PID 控制，能够满足粉末冶金真空烧结炉温度的控制要求。

参考文献

　　[1] 戴永年，杨斌.有色金属材料的真空冶金[M]．北京：冶金工业出版社，2000.

　　[2] 果世驹. 粉末烧结理论[M]. 北京：冶金工业出版社，1998.

　　[3] 张峰. 立式高温真空烧结炉控制系统的设计[J]．真空，2010，47(2):68- 71.

　　[4] Tong Shaocheng, Li Changying, Li Yongming.Fuzzy adaptive observer backstepping control for MIMO nonlinear systems [J].Fuzzy Sets and Systems, 2009,160 (19):2755- 2775.