專利名稱：：基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法
技術領域：
：本發明涉及一種基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火的控制方法，采用模糊數學為基礎的變頻風機智能控制系統，依賴以循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣體壓力為輸入的模糊推理模塊輸出的動態控制分量，經過模糊控制分量加權綜合后，針對實際工況的不斷變化，自動有針對性地調整循環風機速度，達到最優的循環效果。
背景技術：
：銅帶光亮退火爐的基本任務是保證銅帶按照預定的溫度變化曲線進行退火，并通過循環風機的熱攪拌作用，加速銅帶的熱傳遞效果，有效保證退火區銅帶上中下、里中外區域溫度均勻，以獲得具有性能均勻穩定的產品。在此過程中，銅帶必須是處于無氧的氣氛環境中，防止銅帶表面被氧化而形成金屬氧化物影響產品質量。氣氛成份一般為氫氣和氮氣以不同比例混合的氣體，氫氣在此過程中起到了隔離氧氣、保護銅帶、循環熱量和對金屬氧化物還原的作用。傳統的銅帶光亮退火爐循環風機控制方式中，一般采用高低速兩個速度固定檔位的循環風機，高速為1500rpm(四極)，低速為750rpm(八極)。具體的控制方式大體如下銅帶溫度在約15(TC以下循環風機低速運行(750rpm)，銅帶溫度在約15(TC以上循環風機高速運行(1500rpm)。銅帶在退火過程中，隨著銅帶實時溫度的上升循環風機阻力呈下降趨勢，循環風機適宜運行的速度也可以同步呈上升趨勢，在銅帶退火的工藝要求下，氫氣和氮氣按一定比例形成混合氣體，混合氣體中氫氣的比例高則循環風機的阻力小，反之，混合氣體中氮氣的比例高則循環風機的阻力大，循環風機可以依據混合氣體的密度情況對應不同的適宜轉速；另外，氣氛壓力的變化、銅帶裝料方式的不同等因素也會造成循環風機的阻力發生變化，根據這些影響循環風機阻力變化的因素，循環風機可以實時以不同的適宜轉速運行。但循環風機只有兩個速度檔位，不能實時在線調整風機的運行速度，不能最優地達到提高熱交換效率、節約能源和提高產品品質的目的。模糊控制方法在非線性、大干擾、數學模糊未知的系統中得到了飛速的發展，研究的對象大多是沒有明確界限的模糊事物，模糊控制不僅僅是一種簡單的控制方法，已成為一種重要的計算方法，它可以用一些簡單的線性函數逼近復雜的非線性曲面。考慮到銅帶退火工藝流程以及退火爐結構，在基于模糊控制方法的循環風機控制技術中，目前所采用的控制器均為基本的二維模糊控制器，對爐內不同監測點進行溫度測量，再對爐內整體溫度均勻性進行綜合分析評估，然而由于在爐內采集溫度的局限性，且控制清晰化規則完全來源于現場的運行經驗參數，多點溫度測量對于爐溫監控長期運行的控制精度不夠，偏差較大，控制效果不明顯。
發明內容為了克服傳統的循環風機控制方式和存在的不足，本發明提供一種基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，是采用對退火爐在退火過程的多種變量進行采集分析，4并應用新型模糊控制方法對數據進行處理，實現對循環風機的動態控制，達到提高熱交換效率和銅帶材料的溫度均勻性，最終實現節約能源和提高產品品質的目的。實現所述目的，本發明的一種基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，是通過電流變送器、溫度傳感器、壓力變送器測量銅帶光亮退火裝置中的循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣氛壓力影響銅帶循環效果的變量，通過模擬量模塊讀取以上變量為步驟(l)，在步驟(1)的基礎上還包括以下步驟(2)選擇模糊語言和模糊控制規則，對循環風機電流偏差&及循環風機電流偏差變化率eCl進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FQ，該二維模糊控制器輸出為頻率動態控制分量AUl;對內罩溫度偏差e2及內罩溫度偏差變化率ec2進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器F(^，該二維模糊控制器F(^輸出為頻率動態控制分量Au2;對外罩溫度偏差e3及外罩溫度偏差變化率ec3進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FC3，該二維模糊控制器FC3輸出為頻率動態控制分量Au3;對氣氛壓力偏差^及氣氛壓力偏差變化率ec4進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FC4，該二維模糊控制器FC4輸出為頻率動態控制分量Au4;(3)建立模糊控制分量加權綜合模塊，并與二維模糊控制器FQ、FC2、FC3、FC4—起構成循環風機速度模糊控制器，通過二維模糊控制器FCpFC^FC^FC;輸出的一組頻率動態控制分量AUl、Au2、Au3、Ai^進行加權綜合，產生頻率動態綜合控制量AU;(4)將頻率動態綜合控制量AU、起步給定Ug、手動調整Us通過簡單數學疊加作為變頻循環風機調節器PID的頻率給定U(z)，通過變頻循環風機調節器PID調節控制變頻風機速度。該控制方法步驟(2)所述的二維模糊控制器FCk(k=1，2，3，4)實時測量銅帶光亮退火爐循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣體壓力，其偏差％&=1，2，3，4)的模糊子集Ek(k二1，2，3，4)，偏差變化率eck(k二1，2，3，4)的模糊子集ECk(k二1，2，3，4)，頻率控制分量Auk(k=1，2，3，4)的模糊子集AUk(k=1，2，3，4)分別取為Ek={NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}ECk={NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}AUk={NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}二維模糊控制器FCk(k=1，2，3，4)的模糊規則如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>二維模糊控制器FCk(k二1，2，3，4)輸出的頻率動態控制分量AUk(k=1，2，3，4)，按照最大隸屬度原則確定。本控制方法步驟(3)所述的頻率動態綜合控制量AU為對各個頻率動態控制分量加權后的的綜合值，及對AUl、Au2、Au3、Ai^進行加權綜合，計算加權綜合的數學公式表達為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中權值Awk由以下公式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中a，b，c，d為常數，是由銅帶光亮退火裝置的工藝流程及現場操作的實際經驗得出的，分別取a=0.7;b=0.25;c=0.02;d=0.03。本控制方法步驟(4)所述的起步給定Ug是變頻循環風機最低要求的循環速度；所述手動調整Us為操作工手動干預的頻率附加給定量；變頻循環風機調節器PID的頻率給定U(z)是由頻率動態綜合控制量AU、起步給定Ug、手動調整Us疊加而成，其計算方法為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>本發明是在基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火爐中，綜合考慮了銅帶光亮退火過程中電流、內罩溫度、外罩溫度和氣氛壓力因素對爐溫的影響，在循環風機調整中采用計算機全程記錄九個測溫點的方式考證溫度的均勻性和變化趨勢，通過對應的模糊推理輸出對應動態控制分量，經過模糊控制分量加權綜合后形成變頻循環風機的控制信息流，調整循環風機的輸入頻率，保證在任何工況下全過程最優化的循環風機控制效果，從而對爐內溫度的均勻性、準確性和快速性進行調控，達到提高熱交換效率、節約能源和提高產品品質的目的；采用變頻風機在啟動及加減速過程中比較平緩，啟動電流小，對電網沖擊小，各種保護功能齊全，自動化程度高，尤其在低溫退火時，將變頻風機的摩擦發熱機能作為加熱機構實現保溫階段的溫度精確控制，其爐溫均勻性、溫控精度、產品性能均勻效果更為明顯；與傳統的控制方式比較，模糊控制的保溫時間縮短1-3小時，冷卻時間縮短1-2小時，模糊控制控制的噸產品能耗降低10-30%，溫控精度為士2t:，強度散差《5Mpa，晶粒度散差《0.005mm，HBV值《±2度。圖1為本發明的控制流程圖。圖1中，循環風機電流模糊控制器FQ;內罩溫度模糊控制器FC^;外罩溫度模糊控制器FC3;氣氛壓力模糊控制器FC4;PID調節器的頻率給定U(z);起步給定Ug;手動調整Us;頻率動態綜合控制量AU;循環風機電流頻率動態控制分量AUl;內罩溫度頻率動態控制分量Au2;外罩溫度頻率動態控制分量Au3;氣氛壓力頻率動態控制分量Au4;循環風機電流偏差ei;內罩溫度偏差e2;外罩溫度偏差e3;氣氛壓力偏差e4;循環風機電流偏差變化率eCl;內罩溫度偏差變化率ec2;外罩溫度偏差變化率ec3;氣氛壓力偏差變化率ec4。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。[OO32](1)變量信號采集是通過電流變送器、溫度傳感器、壓力變送器測量銅帶光亮退火裝置中的循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣氛壓力影響銅帶循環效果的變量，然后與理想值進行比較得出變量的偏差信號ei，理想值可以根據用戶的生產實際要求以及考慮了設備相應的硬件特點后再進行調整，以達到正確反映實際值與理想值的偏差和能夠正確引導設備準確高效運行的目的。初步產生的偏差信號ei具有時變性和無規律性，為了反映生產設備完備的運轉情況，除了考慮偏差以外，還需要考慮偏差信號的變化率eci，因此，偏差信號的預處理包括有對偏差信號的求導環節，在把eCi和ei送模糊控制表之前，需要分別經過量化后才能被查詢，起量化作用的叫做量化因子K1和K2，如果增大K1、K2，可以提高系統對誤差及其變化的分辨率，使控制精度提高，但K1、K2太大不利于系統的穩定性，因此K1和K2的選取常常由實際經驗決定，可以依據具體情況和具體要求進行適當的修改。量化后的偏差和偏差變化率為Ei和ECi。(2)選擇模糊語言和模糊控制規則模糊控制表是運用推理合成規則通過計算機離線計算，再經過反復調試、人工修正后才得到的，因此具有很強的經驗性、實踐性和可修改性。可以以Ei和ECi作為二維變量查詢對應的AUi模糊控制量。因此實際上是一個二維輸入、單輸出的二維模糊控制器，由于反饋變量有四個，所以此處的模糊控制表也相應的有四個，這里只對電機電流的變化進行分析，限于篇幅其他三個不再詳細介紹。下面是電機電流為輸出的的模糊控制器對應的Ai^模糊控制表如下7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>將控制器輸入量經過量化處理得到的值；查詢模塊建立輸入量偏差、輸入量偏差變化率與調節器控制量之間關系的模糊控制查詢表；算法模塊檢測控制器輸入量，如其值與查詢表內輸入量參數一致，則直接從查詢表中取對應的模糊控制量；否則取其鄰近的4個輸入量(Ei，ECi)(Ei，Eci+1)(Ei+1，ECi)(Ei+1，Eci+1)作為該輸入點的二維模糊集束，分別計算該輸入點與該二維模糊集束中間的4點相對于該模糊集束的相對相似度，根據鄰近4點的模糊控制量以及對應的相對相似度確定插值獲得該輸入點的模糊控制量；根據模糊控制量確定控制器的精確控制量輸入控制執行模塊。這種算法計算復雜并難于實施，在本發明中，為了在實際工程中便于實施，對其鄰近的4個輸入量(Ei，ECi)(Ei，Eci+1)(Ei+1，ECi)(Ei+1，Eci+1)的模糊控制分量簡單取平均，即AUj=(Auu+AUi,w+Auw,i+Auw,i+》/4。(3)模糊控制分量的加權綜合模塊主要完成對電機電流、內罩溫度、外罩溫度和氣氛壓力的綜合計算，通過ECi和Ei查詢模糊控制表得到的模糊控制量分別反映了各個變量的動態變化情況，這些模糊量需要經過加權綜合才能得出循環風機變頻器需要的給定頻率的增量。具體加權的數學表達式如下AU=ZwA^其中權值Awk由退火爐的工藝流程及現場操作的實際經驗得出的，可以根據實際要求做適當的調整，由以下公式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中a，b，c，d為常數，是由退火爐的工藝流程及現場操作的實際經驗得出的。在這里分別取a=0.7;b=0.25;c=0.02;d=0.03;可以根據實際要求做適當的調整。(4)將頻率動態綜合控制量AU、起步給定Ug、手動調整Us通過簡單數學疊加作為變頻循環風機調節器PID的頻率給定U(z)，通過變頻循環風機調節器PID調節控制變頻風機速度。PID的頻率總給定是由模糊控制分量加權綜合輸出、起步給定以及手動調整決定的，其計算方法為U(z)=Ug+Us+AU。權利要求一種基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，包括通過電流變送器、溫度傳感器、壓力變送器測量銅帶光亮退火裝置中的循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣氛壓力影響銅帶循環效果的變量，通過模擬量模塊讀取以上變量為步驟(1)，其特征在于，在步驟(1)的基礎上還包括以下步驟(2)選擇模糊語言和模糊控制規則，對循環風機電流偏差e1及循環風機電流偏差變化率ec1進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FC1，該二維模糊控制器FC1輸出為頻率動態控制分量Δu1；對內罩溫度偏差e2及內罩溫度偏差變化率ec2進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FC2，該二維模糊控制器FC2輸出為頻率動態控制分量Δu2；對外罩溫度偏差e3及外罩溫度偏差變化率ec3進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FC3，該二維模糊控制器FC3輸出為頻率動態控制分量Δu3；對氣氛壓力偏差e4及氣氛壓力偏差變化率ec4進行模糊化處理，建立對應的二維模糊控制器FC4，該二維模糊控制器FC4輸出為頻率動態控制分量Δu4；(3)建立模糊控制分量加權綜合模塊，并與二維模糊控制器FC1、FC2、FC3、FC4一起構成循環風機速度模糊控制器，通過二維模糊控制器FC1、FC2、FC3、FC4輸出的一組頻率動態控制分量Δu1、Δu2、Δu3、Δu4進行加權綜合，產生頻率動態綜合控制量ΔU；(4)將頻率動態綜合控制量ΔU、起步給定Ug、手動調整Us通過簡單數學疊加作為變頻循環風機調節器PID的頻率給定U(z)，通過變頻循環風機調節器PID調節控制變頻風機速度。2.根據權利l要求所述的基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，其特征在于步驟(2)所述的二維模糊控制器FCk(k=1，2，3，4)實時測量銅帶光亮退火爐循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣體壓力，其偏差ek(k二1，2，3，4)的模糊子集Ek(k二1，2，3，4)，偏差變化率eck(k二1，2，3，4)的模糊子集ECk(k二1，2，3，4)，頻率控制分量Auk(k=1，2，3，4)的模糊子集AUk(k=1，2，3，4)分別取為:Ek={NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}ECk={NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}AUk={NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}3.根據權利要求1所述的基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，其特征在于步驟(3)所述的頻率動態綜合控制量AU為對各個頻率動態控制分量加權后的的綜合值，及對AUl、Au2、Au3、Ai^進行加權綜合，計算加權綜合的數學公式表達為4其中權值Awk由以下公式確定%=a，w2=6，w3=c,w4=<i;其中a，b，c，d為常數，分別取a=0.7;b=0.25;c=0.02;d=0.03。4.根據權利要求1所述的基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，其特征在于歩驟(4)所述的起步給定Ug是變頻循環風機最低要求的循環速度；所述手動調整Us為操作工手動干預的頻率附加給定量；變頻循環風機調節器PID的頻率給定U(z)是由頻率動態綜合控制量AU、起步給定Ug、手動調整Us疊加而成，其計算方法為U(z)=Ug+Us+AU。全文摘要本發明涉及一種基于模糊控制的節能型銅帶光亮退火控制方法，是以模糊數學為基礎的變頻風機智能控制系統，依賴以循環風機電流、內罩溫度、外罩溫度、氣體壓力為輸入的模糊推理模塊輸出的動態控制分量，經過模糊控制分量加權綜合后，針對實際工況的不斷變化調整循環風機速度，達到最優的循環效果；在200℃左右的銅帶低溫退火工藝情況下，依賴循環風機的旋轉摩擦產生的熱量以PID的溫控方式，實現低溫退火工藝中保溫溫度的精確控制。與傳統控制方式比較，模糊控制的保溫時間縮短1-3小時，冷卻時間縮短1-2小時，模糊控制的噸產品能耗降低10-30％，溫控精度為±2℃，模糊控制HBV值±2度，而傳統控制HBV值±7度。文檔編號G05B13/02GK101727072SQ200910223278公開日2010年6月9日申請日期2009年11月23日優先權日2009年11月23日發明者劉勇,劉玉其,陶家鵬申請人:江蘇泰盛爐業制造有限公司