专利名称：大型立式淬火炉的电加热控制系统的制作方法
专利说明大型立式淬火炉的电加热控制系统 本发明涉及一种电加热控制系统，特别是用于大型立式淬火炉的电加热控制系统。淬火炉是用于对金属进行热处理的大型设备，广泛应用于钢铁、机械和治金行业。用合适的温度对锻件进行热处理，可以降低它的变形阻力，但温度过高会引起晶粒长大、氧化或过烧，严重影响产品质量。目前，在淬火炉的热处理中，加热过程分为升温、保温两个阶段，但电热主回路采用晶闸管电路，移相触发控制电压改变电功率来控制温度，主回路结构复杂，故障率高，对电网产生谐波污染；保证升温速率导致升温阶段超调量过大，引起产品过烧，满足超调量要求则升温过程太长；保温阶段的温度波动过大，影响产品质量，采用多区段加热方式，炉体庞大，各区段相互耦合。为了满足大型淬火炉的快速升温、升温阶段超调量小以及保温阶段的高精度控制要求，本发明对淬火炉进行三段式调制PWM智能控制，包括以下内容用固态继电器代替晶闸管直接控制电热元件的接通与断开，控制电热元件的输出功率。固态继电器具有结构简单、控制方便、故障率低的特点，用脉冲宽度调制(PWM)方法通过PLC控制加热元件开断，可以降低电压和电流的变化率，延长控制元件的使用寿命，同时以过零触发调功方式取代移相触发，消除电网污染。用分段调制智能控制技术，用自学习增量式PID智能控制算法，将热处理炉的整个加热保温过程分为三个阶段，第一阶段固态继电器处于全通状态；第二阶段根据炉温与测量温度情况减小固态继电器的通断占空比；当炉内平均温度到达给定温度的临界区时，系统进入保温段，即控制的第三阶段。
采用上述控制策略后，保证了快速升温，低超调，提高了淬火炉的升温和保温阶段的温度控制精度和均匀性，消除了对电网的谐波污染。同时简化了系统结构，降低了故障率。
图1为本发明的间歇式加热炉的结构示意图2为本发明第三阶段解耦控制的原理图；图3为本发明三段式调制PWM智能控制过程示意图。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
淬火炉加热炉体结构图如图1所示。炉子采用底卸式强制空气循环加热工作方式，由两台风机1强制空气循环增强炉温均匀性，提高升、降温速度，2为工件表面，炉壁保温材料选用矿渣棉，工作室壁3为不锈钢材料。炉温由改变电热元件4功率来调节，电热元件4沿轴向分为多段紧帖炉壁，置于加热室5内，称为炉壁电热面6，组成多个加热区，每个加热区的电热元件4加热电流分别由一个三相固态继电器控制，7为热电偶。
淬火炉的加热过程分为三个阶段，第一阶段固态继电器的通断占空比为1，始终处于全通状态，实现快速升温；第二阶段是温度达到一定值后，减小固态继电器的通断占空比，控制温度超调；第一阶段和第二阶段的控制输出采用增量式PID智能控制方法，不考虑各区段之间的耦合作用。当炉内平均温度到达给定温度的临界区时，系统进入控制的第三阶段，第三阶段淬火炉采用解耦自学习增量式PID智能控制方式，根据实际工程特点，忽略非相邻区段之间的耦合作用，仅考虑相邻区段之间的耦合，将相邻区段之间的温度差和自学习得到的系数乘积作为控制量的修正值，通过调整系数大小抵销各区段之间的耦合作用，具体过程如下第一阶段当各区段的温度测量值和设定值之间差值的加权平均值ΔT＜Δ1时，固态继电器的通断比为100％，其中Δ1＝Tg×(70％-80％)Tg为设定为工件温度的设定值。
ΔT=Σi=1I(Tg-Tci)PiI]]>Tci为各区段的温度测量值，I为区段总数。
Σi=1IPi=1]]>为加权系数，根据各区段对工件的加热影响来确定，如炉顶和炉口的系数比中间区段的加权系数要小。
第二阶段Δ1＜ΔT＜Δ2，炉温接近温度设定值，为降低超调，ΔKP，i取负值，由偏差大小进行自调整，从而降低炉温上升速度。而ΔTI，i和ΔTD，i不断增加至专家经验值，并以此为基础作适当调整作为下一阶段的基准，保证温度平稳上升到设定值。
Δ2＝Tg×(90％-95％)Δ2根据待加热构件热惯性的不同，取温度设定值的90％-95％Δui(k)=Kp,i{ei(k)-ei(k-1)}+T0TI,iei(k)+TD,iT0{ei(k)-2ei(k-1)+ei(k-2)}]]>第三阶段，ΔT＞Δ2，为进一步抑制超调，ΔKP，i＜0，ΔTI，i＜0，TD，i＝0，最终消除静差。控制原理图如图2所示。
Δui(k)=KP,i{ei(k)-ei(k-1)}+T0TI,iei(k)]]>+αi,i-1(k){ei,i-1(k)-ei,i-1(k-1)}+αi,i+1(k){ei,i+1(k)-ei,i+1(k-1)}]]>αi，i-1(k){ei，i-1(k)-ei，i-1(k-1)}和αi，i+1(k){ei，i+1(k)-ei，i+1(k-1)}是解耦项，分别用于抵销第i-1和第i+1条支路对第i条支路的耦合作用。
α1，0(k)＝aI，l-1(k)＝0ei，i-1(k)＝[Yi(k)-Yi-1(k)] ei，i+1(k)＝[Yi(k)-Yi+1(k)]如果r1＞ε1，|αi，i-1(k)|＝r1|αi，i-1(k-1)|如果r2＞ε2，|αi，i+1(k)|＝r2|αi，i+1(k-1)|当ei，i-1(k-1)＞ε3ei，i+1(k-1)＞ε4，r1，r2满足以下条件r1=|ei,i-1(k)ei,i-1(k-1)|]]>r2=|ei,i+1(k)ei,i+1(k-1)|]]>ε1、ε2、ε3、ε4是非常小的常数。
如果ei，i-1(k-1)＜ε3，ei，i+1(k-1)＜ε4，|αi，i-1|，|αi，i+1|＝0αi，i-1(k)和αi，i+1(k)的符号由ei，i-1(k-1)和{ei，i-1(k)-ei，i-1(k-1)}的符号决定。
最后由自学习得到的各个支路参数计算出电流通断占空比，通过PLC控制电热元件通电流时间，从而将保温阶段各个区段的温度保持在设定温度允许波动的范围内，整个过程三段式调制PWM智能控制过程示意图如图3所示。
权利要求
1.一种大型立式淬火炉的电加热控制系统，包括PLC控制器、调功柜、发热元件和温度测量计，其特征在于在调功柜中用固态继电器控制电热元件的通电时间，用脉冲宽度调制方法通过PLC调节电热元件的输出功率，分三阶段控制淬火炉的升温和保温加热(1)当各区温度的测量值和设定值差值的加权平均值小于工件温度设定值的70-80％时，固态继电器始终处于全通状态；(2)温度达到(1)所述的条件至测量值和设定值差值的加权平均值小于工件温度设定值的90-95％时，用增量式PID智能控制方式减小固态继电器的通断占空比；(3)炉内平均温度到达温度设定值的90-95％的临界区时，采用解耦自学习增量式PID智能控制方式，考虑相邻区段之间的耦合，将相邻区段之间的温度差和自学习得到的系数乘积作为控制量的修正值，通过调整系数大小抵销各区段之间的耦合作用。
全文摘要
一种大型立式淬火炉电加热控制系统，用固态继电器控制电热元件的电流，用脉冲宽度调制方法调节电热装置的输出功率，分为三个阶段完成淬火炉升温和保温加热固态继电器始终处于全通状态；温度接近设定值后，调节固态继电器的通断占空比；炉内平均温度到达给定温度的临界区时，采用解耦自学习增量式PID智能控制方式，考虑相邻区段之间的耦合，将相邻区段之间的温度差和自学习得到的系数乘积作为控制量的修正值，通过调整系数大小抵销各区段之间的耦合作用，使炉内温度达到控制精度，满足均匀性要求。
文档编号C21D1/32GK1896288SQ200510031868
公开日2007年1月17日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者喻寿益, 桂卫华, 贺建军, 李迅, 周继能, 周璇, 阳春华, 王雅琳 申请人:中南大学