一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法及装置，该方法是采用集中监测，分散控制的方式；所述集中监测是将所有PLC收集的现场数据以及PLC本身的状态数据通过总线网络集中到总控计算机，通过总控计算机实现控制系统全局范围的动态监测；所述分散控制是当还原蒸馏炉内夹套温度处于大偏差状态时，采用位式Bang-Bang控制方式，当还原蒸馏炉内夹套温度处于中偏差状态时，采用模糊控制方式，当还原蒸馏炉内夹套温度处于小偏差状态时，采用PID控制方式。本发明为大滞后、大惯性、时变、非线性温度控制系统提供了一种控制策略，以保证温度控制的精度。
【专利说明】一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法及装置，属于大惯性温度控制技 术领域。
【背景技术】
[0002] 现有海绵钛行业还原蒸馏炉温度通常由PLC/DCS的模拟量输出来调节调功器晶 闸管的导通角，以调节炉内加热电阻丝加热功率，从而使温度参数满足工艺要求。海绵钛生 产过程中，对炉内夹套温度的控制精度要求相当高，温度的控制精度直接影响到产品的纯 度。由于炉内夹套温度系统具有大滞后、大惯性、时变、非线性、反应机理复杂等特点，尚未 出现精确的数学模型，其控制系统的设计一直是控制界的一个热点与难点。目前，大都是采 用在上位机人工调节，不论是在节能降耗还是在精度方面都得不到理想的效果。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于，提供一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法及装置，为大滞后、 大惯性、时变、非线性温度控制系统提供了一种控制策略，以保证温度控制的精度，从而克 服现有技术的不足。
[0004] 本发明的技术方案： 本发明的一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法为，该方法是采用集中监测，分散控制 的方式；所述集中监测是将所有PLC收集的现场数据以及PLC本身的状态数据通过总线网 络集中到总控计算机，通过总控计算机实现控制系统全局范围的动态监测；所述分散控制 是当还原蒸馏炉内夹套温度处于大偏差状态时，采用位式Bang-Bang控制方式，当还原蒸 馏炉内夹套温度处于中偏差状态时，采用模糊控制方式，当还原蒸馏炉内夹套温度处于小 偏差状态时，采用PID控制方式。
[0005] 前述方法中，所述还原蒸馏炉内夹套温度T与工艺要求的恒定温度T2之差的绝对 值|e|大于或等于阀值ε i时为大偏差状态；还原蒸馏炉内夹套温度Τ与工艺要求的恒定温 度!^之差的绝对值|e|大于阀值ε2且小于阀值 ει时为中偏差状态；还原蒸馏炉内夹套 温度Τ与工艺要求的恒定温度1~2之差的绝对值|e|小于或等于阀值ε 2时为小偏差状态。 [0006] 前述方法中，所述模糊控制方式采用二维模糊控制器，二维模糊控制器具有两个 输入变量，一个输出变量；将还原蒸馏炉夹套内温度之差e及炉内温度变化率Ec作为输入 变量，二维模糊控制器输出变量为加热功率U。
[0007] 前述方法中，所述大偏差状态、中偏差状态和小偏差状态的控制方式由总控计算 机根据计算机内安装的组态软件的运行结果自动进行转换。
[0008] 用于上述方法的本发明的一种还原蒸馏炉内夹套温度控制的装置为，该装置包括 Bang-Bang控制器、模糊控制器和PID控制器；Bang-Bang控制器、模糊控制器和PID控制器 的输出端经晶闸管与夹套内的加热装置连接，Bang-Bang控制器、模糊控制器和PID控制器 的输入端与切换装置连接，切换装置与总控计算机连接。
[0009] 前述装置中，所述总控计算机内安装有组态软件。
[0010] 前述装置中，所述还原蒸馏炉夹套内设有PLC检测装置，PLC检测装置经信号采集 装置与总控计算机连接。
[0011] 与现有技术相比，本发明分三段对还原蒸馏炉夹套内温度进行控制，当还原蒸馏 炉夹套内温度处于大偏差时采用位式Bang-Bang控制方式，有利于加快调节速度，系统响 应快；当还原蒸馏炉夹套内温度处于中偏差时采用模糊控制方式，有利于抑制系统产生超 调；当还原蒸馏炉夹套内温度处于小偏差时采用PID控制方式，有利于消除系统静差和抑 制干扰，保证控制精度。本发明为大滞后、大惯性、时变、非线性温度控制系统提供了一种控 制策略，以满足海绵钛行业还原蒸馏炉的温度控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的控制流程示意图； 图2是本发明所用装置的结构示意图； 图3是模糊控制器的结构示意图； 图4是还原蒸馏过程对温度的工艺要求示意图。
[0013] 附图中的标记为：Ι-Bang-Bang控制器，2-模糊控制器，3-PID控制器，4-晶闸管， 5-还原蒸馏炉夹套内的加热装置，6-切换装置，7-总控计算机，8-信号采集装置。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
[0015] 本发明的实施例：本发明的一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法为，该方法是采 用集中监测，分散控制的方式；所述集中监测是将所有PLC收集的现场数据以及PLC本身的 状态数据通过总线网络集中到总控计算机，通过总控计算机实现控制系统全局范围的动态 监测；所述分散控制是当还原蒸馏炉内夹套温度处于大偏差状态时，采用位式Bang-Bang 控制方式，当还原蒸馏炉内夹套温度处于中偏差状态时，采用模糊控制方式，当还原蒸馏炉 内夹套温度处于小偏差状态时，采用PID控制方式。所述还原蒸馏炉内夹套温度T与工艺 要求的恒定温度!^之差的绝对值|e|大于或等于阀值 ει时为大偏差状态；还原蒸馏炉内 夹套温度Τ与工艺要求的恒定温度Τ2之差的绝对值| e |大于阀值ε 2且小于阀值ε i时为 中偏差状态；还原蒸馏炉内夹套温度T与工艺要求的恒定温度T2之差的绝对值| e |小于或 等于阀值ε 2时为小偏差状态。所述模糊控制方式采用二维模糊控制器，二维模糊控制器具 有两个输入变量，一个输出变量；将还原蒸馏炉夹套内温度之差e及炉内温度变化率Ec作 为输入变量，二维模糊控制器输出变量为加热功率U。所述大偏差状态、中偏差状态和小偏 差状态的控制方式由总控计算机根据计算机内安装的组态软件的运行结果自动进行转换。
[0016] 用于上述方法的本发明的一种还原蒸馏炉内夹套温度控制的装置为，该装置包括 现有技术中的Bang-Bang控制器1、模糊控制器2和PID控制器3 ;制作时，将Bang-Bang控 制器1、模糊控制器2和PID控制器3的输出端经晶闸管4与夹套内的加热装置5连接，将 Bang-Bang控制器1、模糊控制器2和PID控制器3的输入端与切换装置6连接，将切换装 置6与总控计算机7连接，总控计算机7可采用现有技术中的普通电脑、工业控制电脑或单 片机；制作时，按传统的方式，可直接将现有技术中的组态软件安装在总控计算机7内，作 为控制程序使用。为了达到更好的控制效果，在还原蒸馏炉夹套内安装一个现有的PLC检 测装置，并将PLC检测装置经信号采集装置8与总控计算机7连接即成。
[0017] 下面对本发明作进一步的说明： 图4是还原蒸馏过程对温度的工艺要求示意图，图中横坐标是时间坐标，纵坐标是温 度坐标。由图1可见，在还原蒸馏过程中，还原蒸馏炉夹套内温度T变化包括预热段、升温 段、恒温段和冷却段。其中升温段和恒温段对产品的影响最大，本发明主要是对升温段和恒 温段进行精确控制。
[0018] 图2是本发明所用的装置，由图可见，该装置主要包括Bang-Bang控制器1、模糊控 制器2和PID控制器3 ; 当还原蒸馈炉内夹套温度处于大偏差状态（|e|彡ε。时，采用位式Bang-Bang控制 方式，当还原蒸馏炉内夹套温度处于中偏差状态（ε2< |e| < h)时，采用模糊控制方式， 当还原蒸馏炉内夹套温度处于小偏差状态（|e|彡ε2)时，采用PID控制方式。三种控制方 式的切换通过切换装置6进行切换，切换装置6与总控计算机7连接。总控计算机7内安 装有组态软件。Bang-Bang控制器1、模糊控制器2和PID控制器3的输入端与切换装置6 连接，模糊控制器2和PID控制器3的输出端经晶闸管4与还原蒸馏炉夹套内的加热装置 5连接。还原蒸馏炉夹套内设有PLC检测装置，PLC检测装置经信号采集装置8与总控计算 机7连接。对所有PLC收集的现场数据以及PLC本身的状态数据。
[0019] 所谓模糊控制，如图3所示，是采用由模糊数学语言描述的控制规则来控制还原 蒸馏炉夹套内的温度。按照模糊控制规则组成的控制装置称为模糊控制器。本发明的模糊 控制器具有两个输入变量，一个输出变量；将还原蒸馏炉夹套内温度之差e及炉内温度变 化率Ec作为输入变量，二维模糊控制器输出变量为加热功率U。
[0020] 所谓Bang-Bang控制，实际上是一种时间最优控制，它的控制函数总是取在容许 控制的边界上，或者取最大，或者取最小，仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于 一个继电器，所以也是一种位式开关控制。本发明的两个边界是两个温度阀值ε?、阀值 ε 2，这种控制方式在大偏差状态具有比常规PID控制较为优越的性能，尤其是对于给定值 的提降及大幅度的扰动作用，效果更显著。在动态质量上不仅体现为过渡时间短这一特点， 而且在超调量等其他指标上也具有一定的改善。
[0021] PID控制是一种比例-积分-微分控制，是把收集到的数据与工艺要求的恒温值进 行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数 据达到或者保持在恒温值。可以使系统更加准确，更加稳定。
[0022] 本发明的工作流程如图1所示。开机后，总控计算机7启动，首先采集还原蒸馏炉 内夹套温度Τ与工艺要求的恒定温度Τ2之间的差值e和炉内温度变化率Ec ;然后与两个 温度阀值h和阀值82进行比较，并判断实时温度所处状态，再根据实时温度所处状态确 定采用哪一种控制方式。每间隔5秒重新检测一次，重新确定控制方式。
[0023] 本发明的补充说明 还原蒸馏炉的温度变化过程中的升温段和冷却段是一个大滞后、大惯性、时变、非线 性、反应机理复杂过程，无精确的数学模型，采用Bang-Bang控制和模糊控制，其他阶段采 用常规的PID控制。该控制方案在实际应用中，取得了良好的温度控制效果。
[0024] 系统需要监控的参数有：炉子夹套温度，炉内温度，加热功率（晶闸管导通角大 小)，炉内压力，各种开关信号等参数。为了检测和控制这些运行参数，将模拟量输入信号线 接入PLC输出端口，通过4?20mA的标准电流信号来控制加热功率等。
[0025] 通过对工业现场设备控制逻辑关系的分析和归纳，在系统的总体设计上采用集 中监测，分散控制的原则，实现测量/状态数据实时监视；而将所有PLC收集的现场数据以 及PLC本身的状态数据通过总线网络集中到总控计算机，用总控计算机的组态软件来实现 控制系统的全局范围的动监测和现场数据分析处理与存档。
[0026] 炉内夹套温度的控制方案。当大偏差时采用位式Bang-Bang控制有利于加快调节 速度，系统响应快；接着是状态为中偏差时采用模糊控制，响应速度快，有利于抑制系统产 生超调；最后小偏差状态，利用PID调节有利于消除系统静差和抑制干扰。整个控制策略中 两个阀值的设置很重要，如果Bang-Bang控制和模糊控制间切换的阀值过大，则系统响应 速度慢，过小则系统超调过大，达到稳态所用的时间长。模糊控制和PID控制间转换的阀值 过小会出现小幅振荡，导致稳态误差加大。两个阀值是通过多次的实验确定的。
[0027] 本发明采用二维模糊控制器，将夹套内温度之差e及炉内温度变化率Ec作为输入 变量，把加热功率U作为输出变量，（注：模糊控制器中Ec，U都是通过软件采集数据e根据 相应的模糊规则得到)。
[0028] 利用本系统的混合控制方案，采用模糊规则作为主调节，PID作为微调节的控制 策略，对系统的变化趋势提前预判断，本发明最主要的特点是为大滞后、大惯性、时变、非线 性温度控制系统提供了 一种控制策略，保证控制的精度。
【权利要求】
1. 一种还原蒸馏炉内夹套温度控制方法，其特征在于：该方法是采用集中监测，分散 控制的方式；所述集中监测是将所有PLC收集的现场数据以及PLC本身的状态数据通过总 线网络集中到总控计算机，通过总控计算机实现控制系统全局范围的动态监测；所述分散 控制是当还原蒸馏炉内夹套温度处于大偏差状态时，采用位式Bang-Bang控制方式，当还 原蒸馏炉内夹套温度处于中偏差状态时，采用模糊控制方式，当还原蒸馏炉内夹套温度处 于小偏差状态时，采用PID控制方式。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述还原蒸馏炉内夹套温度T与工艺要求 的恒定温度T2之差的绝对值|e|大于或等于阀值ε i时为大偏差状态；还原蒸馏炉内夹套 温度T与工艺要求的恒定温度1~2之差的绝对值|e|大于阀值ε 2且小于阀值￡1时为中偏 差状态；还原蒸馏炉内夹套温度Τ与工艺要求的恒定温度Τ2之差的绝对值| e |小于或等于 阀值ε2时为小偏差状态。
3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述模糊控制方式采用二维模糊控制器，二 维模糊控制器具有两个输入变量，一个输出变量；将还原蒸馏炉夹套内温度之差e及炉内 温度变化率Ec作为输入变量，二维模糊控制器输出变量为加热功率U。
4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述大偏差状态、中偏差状态和小偏差状态 的控制方式由总控计算机根据计算机内安装的组态软件的运行结果自动进行转换。
5. -种还原蒸馈炉内夹套温度控制的装置，其特征在于：包括Bang-Bang控制器（1)、 模糊控制器（2)和PID控制器（3);Bang-Bang控制器（1)、模糊控制器（2)和PID控制器（3) 的输出端经晶闸管（4)与还原蒸馏炉夹套内的加热装置（5)连接，Bang-Bang控制器（1)、模 糊控制器（2)和PID控制器（3)的输入端与切换装置（6)连接，切换装置（6)与总控计算机 (7)连接。
6. 根据权利要求5所述装置，其特征在于：所述总控计算机（7)内安装有组态软件。
7. 根据权利要求5所述装置，其特征在于：所述还原蒸馏炉夹套内设有PLC检测装置， PLC检测装置经信号采集装置（8 )与总控计算机（7 )连接。
【文档编号】C22B34/12GK104111672SQ201310135451
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】李柱作 申请人:贵阳铝镁设计研究院有限公司