1 引言

陶瓷生產是一門古老、歷史悠久的傳統工業，陶瓷輥道窯的生產過程均采用傳統的手工操作，爐溫波動幅度大，造成瓷磚質量不高，甚至出現產品不合格的情況，再加上現場環境條件差，工人的勞動強度大，操作員工增加，對企業的經濟效益影響較大。為了提高陶瓷生產水平，根據企業的實際需求和工廠提出的工藝要求，我們研制了一套分布式智能控制系統對輥道窯爐溫度進行集中監控，從而提高瓷磚的質量與產量，改善工人的勞動條件，提高生產效率。

2 輥道窯溫度分布式控制系統的組成及原理

為分散控制系統，分散型控制系統，集散控制系統。行業內業稱4C技術既Control控制技術；Computer 計算機技術；Communication 通信技術；Cathode Ray Tube CRT顯示技術。分布式控制系統由多臺計算機分別控制生產過程中多個控制回路，同時又可集中獲取數據、集中管理和集中控制的自動控制系統 。分布式控制系統采用微處理機分別控制各個回路，而用中小型工業控制計算機或高性能的微處理機實施上一級的控制 。各回路之間和上下級之間通過高速數據通道交換信息。分布式控制系統具有數據獲取、直接數字控制、人機交互以及監控和管理等功能。分布式控制系統是在計算機監督控制系統、直接數字控制系統和計算機多級控制系統的基礎上發展起來的，是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。

該系統由上位機與下位機兩大部分組成，上位機與下位機通過RS-485通訊協議完成信息的傳遞，上位機由586微機加RS232C/RS485轉換器構成，位于集中控制室，完成向下位機（現場控制器）發送命令、接收現場控制器數據及數據分析、存儲、報表打印、顯示等功能。上位機是指人可以直接發出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的。上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據（一般為模擬量），轉換成數字信號反饋給上位機。6個控制器通過電動比例調節閥調整噴油量達到分別控制窯爐內6點溫度，從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定，該系統特別適合于象輥道窯這樣的小規模DCS系統。

3 智能溫度控制器的設計

3.1 概述

常規PID控制器由于具有原理簡單，穩定性好，易于實現等優點，因而在過程控制中得到廣泛應用，但在輥道窯溫度控制系統中，工業生產過程中，對于生產裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數值上，或按一定的規律變化，以滿足生產工藝的要求。PID控制器是根據PID控制原理對整個控制系統進行偏差調節，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。不同的控制規律適用于不同的生產過程，必須合理選擇相應的控制規律，否則PID控制器將達不到預期的控制效果。PID 控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。可以通過數學的方法證明，在其他控制方法導致系統有穩定誤差或過程反復的情況下，為此，在PID控制器設計時，首先采用基于繼電反饋的整定方法，確定PID調節器參數，再對PID參數實行實時Fuzzy校正，使其具有自適應功能，從而滿足系統變工況的要求。

3.2 溫控器的控制策略

3.2.1 PID參數自整定

根據繼電振蕩原理，繼電反饋系統框圖如圖1所示。若繼電器輸出幅度為b，則根據非線性理論，繼電器的描述函數為 ，其中誤差信號的幅度為不斷調整繼電特性的幅值，使系統發生自振蕩，然后測取振蕩周期與幅度，便可得出臨界增益 與臨界周期 。利用這兩個參數，根據Ziegler-Nichols方法，可得出PID參數。PID參數整定完畢后，此參數作為PID控制器Fuzzy校正的初值，并自動轉入PID參數Fuzzy校正控制。一般在系統初次投入時整定，并把整定值存入EEPROM中。

其中 Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

3.2.2 PID參數實時Fuzzy校正

根據上述自整定得出的PID參數，當輥道窯爐參數或工況發生變化時，系統的性能將下降，甚至無法滿足工藝要求，所以必須對PID參數進行在線調整。目前較多地采用自校正PID算法，但這種方法是基于被控對象精確的數學模型，為此，我們采用模糊控制技術，模糊控制技術是近代控制理論中的一種高級策略和新穎技術。模糊控制技術基于模糊數學理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應性和合理性提高，成為智能控制技術的一個重要分支。根據系統運行過程中的偏差絕對值 及偏差的積累絕對值 ，對PID參數進行實時校正，當參數或工況發生變化時，逐步調整值，使系統控制性能處于最優狀態。的修正規則如下：

（1）比例系數 增大，系統響應速度加快，穩態誤差減小，因此在偏差大的情況下，要增大 值。但是 過大會使系統產生超調，甚至不穩定，因此在偏差小的情況下，要減小 值。將偏差絕對值 的模糊子集取為很大（VB）、大（B）、中（M）、小（S）和很小（VS）， 的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則 的修正量 的Fuzzy控制規則如表1所示。其中， 的基本論域為[0，10]，分為11個量化等級，即 =｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝， 的基本論域為[-0.5，+0.5]，分為11個等級即 =｛-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5｝。

（2）在PID控制器中，積分作用是為了消除穩態誤差，加強積分作用（減小 ）有利于減小穩態誤差，但過強的積分作用會引起積分飽和，使系統超調加大，甚至引起振蕩。因此，在調節過程中的初期，即誤差的積累 較小時，應減弱積分的作用（加大 ）。而在調節過程的后期，即誤差累積 較大時，應加強積分作用（減小 ）。將誤差累積絕對值 的模糊子集取為VB、B、M、S和VS， 的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則 的修正量 的Fuzzy控制規則如表2所示。其中， 的基本論域為[0，10]，分為11個量化等級，即 =｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝， 的基本論域為[-5，+5]，分為11個量化等級即 =｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。

（3）微分在PID控制中的作用主要是改善系統的動態性能，控制超調。對于變工況且不確定系統，在調節過程的初期，即誤差的累積絕對值 較小時，應加強微分的作用（即增大 ），而在調節過程的后期，即誤差累積的絕對值 較大時，應減弱微分的作用（即減小 ），將 的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則 的修正量 的Fuzzy控制規則如表2所示。其中， 的的基本論域為[-1，1]，分為11個量化等級即 =｛-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。

智能溫度控制系統結構圖如圖2所示，當要整定參數時把開關打在T，參數整定完畢，切換到自動位置A，參數自調整控制器對控制對象進行調節。

4 智能控制器的實現

4.1 控制器的硬件系統

控制器的硬件主要由微處理機系統，輸入通道，輸出通道，鍵盤及顯示等部分組成。

（1）微處理機系統：由8031單片機，2764 EPROM（用于存放監控及控制程序），2816EEPROM（用于存放自整定的參數及溫度設定值），譯碼電路與鎖存器等組成。

（2）輸入通道：由熱電偶冷端補償電路，放大電路（OP07，741），V/F，光電耦合，計數器，定時器等組成。熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導體兩端接合成回路時，當兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內產生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產生的熱電勢所對應的溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關，與熱電極的長度、直徑無關。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用。采用兩級放大器可將毫伏級信號放大到需要幅度0～5V，由上V/F轉換成頻率量，再通過軟件的定時，計數完成A/D轉換工作。

（3）輸出通道：由D/A轉換器，V/I轉換器，輸出鎖存器和光電隔離電路組成。D/A轉換器將輸出轉換為0～5V的電壓信號，經V/I轉換器輸出0～10mA標準電流信號。

（4）鍵盤及顯示部分：由8279，4個鍵與4個LED組成。

4.2 控制器的軟件設計

控制器的軟件主要由監控軟件與控制軟件組成，其軟件框圖如圖3所示

4.3 調度與應用

為了不影響窯爐的正常生產，在PID參數整定前，先手動調節爐溫到正常工作點（1200℃）附近，并設定電動比例調節閥的開度在工作點附近±10% 范圍內變化，使PID調節器參數整定時，爐溫變化幅度較小，如圖4所示，其中前10 min為參數整定時間。溫度的變化情況，采樣周期t=15s。

該系統已在現場長期連續運行，性能穩定，可靠性高，采用溫度智能控制后，在設定溫度1200℃時，溫度波動范圍從原來手動控制時的 ℃降為 ℃，（見圖4），說明該系統具有良好的控制性能。

5 結論

（1）由于采用分布式控制系統，上位機為586微機，軟件資源豐富，可進行集中監控、畫面顯示、參數設定等工作，下位機能方便地與上位機交換信息，也可以單獨運行，對現場進行實時控制，系統可靠性高，且價格低廉。

（2）溫度控制器采用PID參數自整定技術，可以大大縮短現場調試時間，特別適合于缺乏自動化工程技術人員的工廠。

（3）對于無法確定精確數學模型及變工況（象燃油爐）控制對象，采用PID控制時，先采用自整定技術確定PID參數的初值，然后根據實時數據，對PID參數進行在線Fuzzy調整，是一種非常實用且有效的控制策略。