专利名称：大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于自动控制技术领域，尤其是涉及一种大型板材真空退火炉多温区均温 性控制系统及其控制方法。
背景技术：
近年来，稀有金属板材已广泛应用于航空航天、航海、核电、石油化工等领域，而这 些行业对稀有金属板材的技术性能要求极高，板材表面不能有氧化现象且对整根板材的性 能偏差要求很严。而真空退火是稀有金属板材生产的重要工艺过程，在无氧化和无污染状 态下进行消除应力或再结晶退火，以消除加工硬化和恢复塑性。不同的真空状态和温度，会 对材质产生截然不同的效果，这是一个精密而复杂的过程，故对退火炉炉温的均勻性和真 空度有苛刻的要求，但目前国内自主研发的生产稀有金属板材的真空退火炉，特别是炉腔 容积大的大型板材真空退火炉，由于加热温区多、检测与控制不一致以及其控制技术和控 制方法还不完善，控温精度低，多温区均温性差，还难以适应稀有金属板材产业的应用研究 与发展
实用新型内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种智能化程 度高、控温精度高、均温性好、可靠性高的真空退火炉多温区均温性控制系统。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种大型板材真空退火炉多温 区均温性控制系统，其特征在于包括与真空退火炉的多个加热区对应相接并对真空退火 炉各个加热区内的加热温度进行控制的多个温控仪、分别与多个温控仪相接并与真空退火 炉的多个加热区对应相接且对真空退火炉的加热功率进行调节的多个功率调节器、与真空 退火炉的多个加热区对应相接并对真空退火炉各个加热区的温度进行检测的均温巡检仪 和通过RS485总线与多个温控仪、多个功率调节器以及均温巡检仪相接并进行通信的上位 机监控系统，所述上位机监控系统为对均温巡检仪所检测信号进行分析处理且对各温控仪 和各功率调节器的工作过程进行监控的工控机。所述温控仪和功率调节器均为五个。所述温控仪为内部集成有PID控制器的欧陆3504温控仪。所述功率调节器为KTY3S晶闸管调功器。本发明还提供了一种使用操作便捷、数据处理能力强、自适应性和鲁棒性好、实用 价值高的大型板材真空退火炉多温区均温性控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、数据初始化在上位机监控系统上对系统数据进行初始化；步骤二、计算出温度偏差e (η)的绝对值| e (η) |与温度偏差变化率ec (η)的绝对 值|ec (η) I 上位机监控系统接收输入的加热温度设定值L(n)，并用加热温度设定值L(n) 和当前均温巡检仪所采集到的加热温度采样值y (η)做差，计算出每个采样时刻温度偏 差e(n)的绝对值e(n) | = L(n)-y(n) |及温度偏差变化率ec (η)的绝对值ec (η) | =e(n)-e (n-1) | ；步骤三、采用模糊推理方法对PID控制器所要使用的控制参数进行在线整定，其 整定步骤如下301、在上位机监控系统(5)上，应用模糊化的语言将温度偏差e(n)的绝对值 e(n) I与温度偏差变化率ec (η)的绝对值| ec (η) |的范围缩小，得到两个模糊语言变量
e(n)和eC(n)，并将e(n)的语言值选为B1JpS1三档，用模糊集(BijMijS1I来代表，其中B1 代表大,M1代表中，S1代表小，即e (n) = (B1 ,M1 ,SJdfec(Ii)的语言值选为B2、M2、S2三档， 用模糊集IB2, M2, SJ来代表，其中B2代表大，M2代表中，S2代表小，BPe (n) = (B2, M2, S2I ；302、针对不同的温度偏差e (η)的绝对值| e (η) |与温度偏差变化率ec (η)的绝对 值|ec(n) |，整理出PID控制参数的模糊推理策略并在上位机监控系统上将模糊推理策略 编写成模糊推理软件；303、选择真空退火炉的五种不同的工作状态进行调试，上位机监控系统调用在步 骤302中编写的模糊推理软件实时在线整定得出五组PID控制参数{K' P1、T' n、T' dl}、 Κ ρ2、Τ i2、T d2}、{K ρ3、Τ i3、T d3}、{K p4、T i4、T d4}禾口 {K ρ5、Τ i5、T d5}， 并将整定得出的五组PID控制参数输出给温控仪；步骤四、PID参数自整定温控仪接收上位机监控系统输出给其的五组PID控制参 数并利用其自身具有的参数自整定功能整定得出五组PID控制参数{Kpl、Tn、Tdl}、{Kp2、Ti2、
、(Κρ3、Ti3、Td3}、{Κρ4Λ Ti4Λ Td4}禾口 {Kp5、Ti5、TdJ ；步骤五、实现对真空退火炉的加热控制温控仪根据上位机控制系统给定的外部 输入值实现步骤四中所述五组PID控制参数的转换，选择其中一组PID控制参数并将控制 量转换为4-20mA连续变化的控制信号输出给功率调节器，功率调节器接收温控仪输出给 其的控制信号并对输出加热功率进行调节，实现对真空退火炉加热功率的控制；步骤六、多温区均温性检测温度巡检仪对真空退火炉各个加热区的温度进行采 集并将采集到的温度信号发送给上位机监控系统；步骤七、多温区均温性分析与局部调整上位机监控系统接收温度巡检仪所采集 到的各个加热区的温度信号并将各个加热区的温度两两做差，当温度差大于5°C时，上位机 监控系统5调用预先编好的局部调整软件对PID控制参数进行局部调整后返回步骤二 ；反 之，当温度差均不大于5°C时，直接返回步骤二。上述步骤三中所述PID控制参数的模糊推理策略设有5条推理规则，采用if-then 的语句表达如下601、ife(n)isB1then Kp isK！pi' Ti isril'Td isT'dl ；
602,ife(n)isM1and ec(n)isB2；then KpisK'p2' TjisT'i2' TdisT'd2
603,ife(n)isM1and ec(n)isM2；then KpisK'p3' TjisT'i3' TdisT'd3
604,ife(n)isM1and ec(n)isS2；then KpisK'p4' TjisT'i4' TdisT'd4
605、ife(n)isS1then Kp isKIp5，Ti isri5'Td isT'd5°上述步骤三中所述真空退火炉的五种不同的工作状态分别为701、真空退火炉炉体中段500°C空载工作；702、真空退火炉前炉门500°C空载工作；703、真空退火炉后炉门500°C空载工作；
5
704、真空退火炉炉体中段500°C带料盘工作；705、真空退火炉炉体中段500°C带料盘和料工作。本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明针对大型板材真空退火炉多温区加热和电网不稳定干扰的特点，设计了 基于工控机IPC+欧陆3504温控仪+KTY3S晶闸管调功器+温度巡检仪的多温区均温性控 制系统，并设计了基于模糊-PID算法的真空退火炉多温区均温性控制方法，加热过程由上 位机监控系统实现监控和模糊-PID控制策略，并通过RS485通信将温度控制曲线和控制策 略同时下传到五个温区的欧陆3504温控仪上，而且，上位机监控系统还能够将现场设备的 启停信号、限位反馈、报警量、报警值以及欧陆3504温控仪和KTY3S晶闸管调功器中的控制 参数都采集上来并显示在相应设计好的画面中，还可以进行记录、存储、打印和在线运算， 智能化程度高，使用操作便捷，实现了真空退火炉多温区均温性的优化控制。2、本发明解决了大型板材真空退火炉多温区加热温度精确度控制难度大的难 题，大大提高了控温精度，在采用本发明所述的多温区均温性控制方法控制升温过程中， 在100°C以下的低温阶段，控温精度< 士5. 6° C，当过程设定温度在200°C之后，各温 区温度能快速、准确地跟踪设定值的变化，控温精度< 士2°C，在恒温阶段维持控温精度 (士0. 7°C。3、本发明解决了大型真空退火炉多温区加热均温性控制难度大的难题，大大 提高了炉温均勻度，在不同的目标设定值，轴向炉温均勻度< 士2. 0°C，径向炉温均勻度 ^ 士2. 0°C。4、提高大型板材真空退火炉加热温度控制的精确度，受到电网谐波不稳定干扰的 影响较大，本发明采用KTY3S晶闸管调功器实现了对真空退火炉加热功率的闭环精密调节 控制。KTY3S晶闸管调功器内部主回路采用晶闸管反并联结构，采取过零触发的调功方式， 输出波形为整周波，对电网无谐波干扰。5、本发明动态响应快，稳定性、自适应性和鲁棒性好，能够很好地满足稀有金属真 空退火炉的生产工艺要求，在钛、锆等稀有金属加工领域有广泛的应用前景。综上所述，本发明具有很高的控温精度和均温性、良好的可靠性以及自适应性和 鲁棒性，智能化程度高且使用操作便捷，满足稀有金属退火工艺对硬件、软件、以及控制精 度高的要求，动态响应快，对改善工艺水平，稳定产品质量，降低能耗具有显著的经济和社 会效益。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统的结构示意图。图2为本发明大型板材真空退火炉多温区均温性控制方法的方法流程图。附图标记说明1-真空退火炉；2-温控仪；3-功率调节器；4-均温巡检仪；5-上位机监控系统。
具体实施例方式如图1所示，本发明所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，包括与 真空退火炉1的多个加热区对应相接并对真空退火炉1各个加热区内的加热温度进行控制 的多个温控仪2、分别与多个温控仪2相接并与真空退火炉1的多个加热区对应相接且对真 空退火炉1的加热功率进行调节的多个功率调节器3、与真空退火炉1的多个加热区对应相 接并对真空退火炉1各个加热区的温度进行检测的均温巡检仪4和通过RS485总线与多个 温控仪2、多个功率调节器3以及均温巡检仪4相接并进行通信的上位机监控系统5，所述 上位机监控系统5为对均温巡检仪4所检测信号进行分析处理且对各温控仪2和各功率调 节器3的工作过程进行监控的工控机。本实施例中，所述温控仪2和功率调节器3均为五个。所述温控仪2为内部集成 有PID控制器的欧陆3504温控仪，欧陆3504温控仪控制参数精度高且具有参数自整定功 能，能够在系统中设定多组PID参数，可以通过过程值PV，设定值SP，偏差值Error，输出值 0P,手动设定Set、外部输入数值Rem等方式来决定使用哪一组PID参数。所述功率调节器 3为KTY3S晶闸管调功器，KTY3S晶闸管调功器内部主回路采用晶闸管反并联结构，采取过 零触发的调功方式，输出波形为整周波，对电网无谐波干扰。结合图2，本发明所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制方法，包括以下步骤步骤一、数据初始化在上位机监控系统5上对系统数据进行初始化；步骤二、计算出温度偏差e(n)的绝对值| e (η) |与温度偏差变化率ec (η)的绝 对值|eC(n)| 上位机监控系统5接收输入的加热温度设定值L(n)，并用加热温度设定值 L(η)和当前均温巡检仪4所采集到的加热温度采样值y(n)做差，计算出每个采样时刻温度 偏差e(n)的绝对值e(n) | = L(n)-y(n) |及温度偏差变化率ec (η)的绝对值ec (η) | =
e(n)-e (n-1) | ；步骤三、采用模糊推理方法对PID控制器所要使用的控制参数进行在线整定，其 整定步骤如下301、在上位机监控系统(5)上，应用模糊化的语言将温度偏差e(n)的绝对值 e(n) I与温度偏差变化率ec (η)的绝对值| ec (η) |的范围缩小，得到两个模糊语言变量
e(n)和eC(n)，并将e(n)的语言值选为B1JpS1三档，用模糊集(BijMijS1I来代表，其中B1 代表大,M1代表中，S1代表小，即e (n) = (B1 ,M1 ,SJJfec(Ii)的语言值选为B2、M2、S2三档， 用模糊集IB2, M2, SJ来代表，其中B2代表大，M2代表中，S2代表小，BPe (n) = (B2, M2, S2I ；302、针对不同的温度偏差e (η)的绝对值| e (η) |与温度偏差变化率ec (η)的绝对 值|ec (η) I，整理出PID控制参数的模糊推理策略并在上位机监控系统5上将模糊推理策略 编写成模糊推理软件；模糊推理策略可以描述为当|e(n) I较大时，为了使系统具有较好 的跟踪性能，应取较大的Kp和较小的Td，同时为了避免系统响应出现较大的超调，应对积分 作用加以限制，通常取Ti = 0 ；当e(n) I和|ec (η) |适中时，为使系统具有较小的超调，Kp 应取得小些，在这种情况下，Td的取值对系统的影响较大，Ti的取值要适当；当|e(n) I较小 时，为使系统具有较好的稳定性能，Kp和Ti均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出 现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当ec(n) I较大时Td可取得小些，ec(n) |较小时，Td可 取大些；303、选择真空退火炉1的五种不同的工作状态进行调试，上位机监控系统5调用在步骤302中编写的模糊推理软件实时在线整定得出五组PID控制参数{K' P1、T' η、 T dl}、{K p2、T i2、T d2}、{K p3、T i3、T d3}、{K P4、T 14 Λ T d4}禾口 {K P5、T 5Λ T' d5}，并将整定得出的五组PID控制参数输出给温控仪2 ;步骤四、PID参数自整定温控仪2接收上位机监控系统5输出给其的五组PID控 制参数并利用其自身具有的参数自整定功能整定得出五组PID控制参数{Kpl、Tn、Tdl}、{Kp2、 Ti2、Td2}、{Kp3、Ti3、Td3}、{Kp4、Ti4、Td4}禾口 {Kp5、Ti5、TdJ ；步骤五、实现对真空退火炉的加热控制温控仪2根据上位机监控系统5给定的 外部输入值实现步骤四中所述五组PID控制参数的转换，选择其中一组PID控制参数并将 控制量转换为4-20mA连续变化的控制信号输出给功率调节器3，功率调节器3接收温控仪 2输出给其的控制信号并对输出加热功率进行调节，实现对真空退火炉1加热功率的控制； 具体地，功率调节器3将接收到由温控仪2输出的4-20mA连续变化的控制信号，送入周期 开关进行调制，周期开关输出一系列脉冲宽度固定、变周期的开关量信号，控制晶闸管通、 断时间比值，来改变真空退火炉1的加热功率。其特点是周期跟随调节器输出电流而变化， 具有良好的线性关系，使调制的方波电压按信号电流的大小，在0% -100%范围内比例地 连续调节真空退火炉1加热的平均功率，以保持炉温恒定；步骤六、多温区均温性检测温度巡检仪4对真空退火炉1各个加热区的温度进行 采集并将采集到的温度信号发送给上位机监控系统5 ；具体地，真空退火炉1炉体内放置标 温支架，并在支架上均勻安装15个测温热电偶，其中5个测温热电偶沿真空退火炉轴线分 布，每个温区安装一个，另外10个测温热电偶分成两层，每层5个，按米字形均勻分布在炉 内中心截面上，均温巡检仪4采集测温热电偶所测得的炉体内五个加热区的温度信号并经 过处理后反馈到上位机监控系统，构成整个加热闭环控制系统；步骤七、多温区均温性分析与局部调整上位机监控系统5接收温度巡检仪4所采 集到的各个加热区的温度信号并将各个加热区的温度两两做差，当温度差大于5°C时，上位 机监控系统5调用预先编好的局部调整软件对PID控制参数进行局部调整后返回步骤二 ； 反之，当温度差均不大于5°C时，直接返回步骤二。本实施例中，步骤三中所述PID控制参数的模糊推理策略设有5条推理规则，采用 if-then的语句表达如下601、ife(n)isB1then Kp isK！pi' Ti isril'Td isT'dl ；
602,ife(n)isM1and ec(n)isB2；then KpisK'p2' TjisT'i2' TdisT'd2
603,ife(n)isM1and ec(n)isM2；then KpisK'p3' TjisT'i3' TdisT'd3
604,ife(n)isM1and ec(n)isS2；then KpisK'p4' TjisT'i4' TdisT'd4
605、ife(n)isS1then Kp isKIp5，Ti isri5'Td isT'd5°得到的控制变量模糊控制规则表如表1所示表1控制变量模糊控制规则表
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权利要求
一种大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在于包括与真空退火炉(1)的多个加热区对应相接并对真空退火炉(1)各个加热区内的加热温度进行控制的多个温控仪(2)、分别与多个温控仪(2)相接并与真空退火炉(1)的多个加热区对应相接且对真空退火炉(1)的加热功率进行调节的多个功率调节器(3)、与真空退火炉(1)的多个加热区对应相接并对真空退火炉(1)各个加热区的温度进行检测的均温巡检仪(4)和通过RS485总线与多个温控仪(2)、多个功率调节器(3)以及均温巡检仪(4)相接并进行通信的上位机监控系统(5)，所述上位机监控系统(5)为对均温巡检仪(4)所检测信号进行分析处理且对各温控仪(2)和各功率调节器(3)的工作过程进行监控的工控机。
2.按照权利要求1所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在于 所述温控仪(2)和功率调节器(3)的数量均为五个。
3.按照权利要求1或2所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在 于所述温控仪(2)为内部集成有PID控制器的欧陆3504温控仪。
4.按照权利要求1或2所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在 于所述功率调节器(3)为KTY3S晶闸管调功器。
5.一种利用如按照权利要求1所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统进 行大型板材真空退火炉多温区均温性控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、数据初始化在上位机监控系统(5)上对系统数据进行初始化；步骤二、计算出温度偏差e(n)的绝对值Ie(Ii)I与温度偏差变化率ec (η)的绝对值 ec(n) I 上位机监控系统(5)接收输入的加热温度设定值L(n)，并用加热温度设定值L(n) 和当前均温巡检仪(4)所采集到的加热温度采样值y (η)做差，计算出每个采样时刻温度偏 差e(n)的绝对值e(n) | = L(n)-y(n) |及温度偏差变化率ec (η)的绝对值ec (η) | = e(n)-e (n-1) | ；步骤三、采用模糊推理方法对PID控制器所要使用的控制参数进行在线整定，其整定 步骤如下·301、在上位机监控系统(5)上，应用模糊化的语言将温度偏差e(η)的绝对值| e (η) 与温度偏差变化率ec (η)的绝对值|ec (η) |的范围缩小，得到两个模糊语言变量e (η)和 沈(11)，并将6(11)的语言值选为B1JpS1H档，用模糊集(BijMijSJ来代表，其中B1代表大， M1代表中，S1代表小，即e(n) = {BpMpSjJfecfc)的语言值选为B2、M2、S2三档，用模糊 集(B2, M2, SJ来代表，其中B2代表大，M2代表中，S2代表小，即e(n) = (B2, M2, S2I ；·302、针对不同的温度偏差e(n)的绝对值|e (η) |与温度偏差变化率ec (η)的绝对值 ec (η) I，整理出PID控制参数的模糊推理策略并在上位机监控系统(5)上将模糊推理策略编写成模糊推理软件；·303、选择真空退火炉(1)的五种不同的工作状态进行调试，上位机监控系统(5)调用 在步骤302中编写的模糊推理软件实时在线整定得出五组PI D控制参数{K' Ρ1、Τ' η、 T dl}、{K p2、T i2、T d2}、{K p3、T i3、T d3}、{K P4、T 14 Λ T d4}禾口 {K P5、T 5Λ T' d5}，并将整定得出的五组PID控制参数输出给温控仪(2)；步骤四、PID参数自整定温控仪(2)接收上位机监控系统(5)输出给其的五组PID控 制参数并利用其自身具有的参数自整定功能整定得出五组PID控制参数{Kpl、Tn、Tdl}、{Kp2、 Ti2、Td2}、{Kp3、Ti3、Td3}、{Kp4、Ti4、Td4}禾口 {Kp5、Ti5、TdJ ；步骤五、实现对真空退火炉的加热控制温控仪(2)根据上位机控制系统(5)给定的外 部输入值实现步骤四中所述五组PID控制参数的转换，选择其中一组PID控制参数并将控 制量转换为4-20mA连续变化的控制信号输出给功率调节器(3)，功率调节器(3)接收温控 仪(2)输出给其的控制信号并对输出加热功率进行调节，实现对真空退火炉(1)加热功率 的控制；步骤六、多温区均温性检测温度巡检仪(4)对真空退火炉(1)各个加热区的温度进行 采集并将采集到的温度信号发送给上位机监控系统(5)；步骤七、多温区均温性分析与局部调整上位机监控系统(5)接收温度巡检仪(4)所 采集到的各个加热区的温度信号并将各个加热区的温度两两做差，当温度差大于5°C时，上 位机监控系统(5)调用预先编好的局部调整软件对PID控制参数进行局部调整后返回步骤 二 ；反之，当温度差均不大于5°C时，直接返回步骤二。
6.按照权利要求5所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制方法，其特征在于 步骤三中所述PID控制参数的模糊推理策略设有5条推理规则，采用if-then的语句表达 如下·601、ife(n)isB1then Kp isrpi，Ti is T'il'TisT'dl ；·602、ife(n)isM1and ec (n)isB2then Kp isKp2' TisT'i2' TdisT'd2·603、ife(n)isM1and ec (n)isM2then Kp isKp3' TisT'i3' TdisT'd3·604、ife(n)isM1and ec (n)isS2then Kp isKp4' TisT'i4' TdisT'd4·605、ife(n)isS1then Kp isrp5，Ti is T'i5'TisT'd5°
7.按照权利要求5所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制方法，其特征在于 步骤三中所述真空退火炉(5)的五种不同的工作状态分别为·701、真空退火炉(1)炉体中段500°C空载工作；·702、真空退火炉(1)前炉门500°C空载工作；·703、真空退火炉(1)后炉门500°C空载工作；·704、真空退火炉(1)炉体中段500°C带料盘工作；·705、真空退火炉(1)炉体中段50(TC带料盘和料工作。
全文摘要
本发明公开了一种大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统及其控制方法，其控制系统包括多个温控仪、多个功率调节器、均温巡检仪和对均温巡检仪所检测信号进行分析处理、对各温控仪和各功率调节器的工作过程进行监控上位机监控系统；其控制方法包括步骤一、数据初始化，二、计算出温度偏差e(n)的绝对值|e(n)|与温度偏差变化率ec(n)的绝对值|ec(n)|，三、采用模糊推理方法对PID控制器所要使用的控制参数进行在线整定，四、PID参数自整定，五、实现对真空退火炉的加热控制，六、多温区均温性检测，七、多温区均温性分析与局部调整。本发明控温精度高、均温性好、可靠性高、自适应性和鲁棒性好，能够很好地满足稀有金属真空退火炉的生产工艺要求，便于推广使用。
文档编号C21D1/773GK101962708SQ20101051228
公开日2011年2月2日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者张乃禄, 张嘉, 张钰哲, 曹海畅, 李鑫 申请人:西安石油大学