一、概述

      可控硅是硅可控整流元件的簡(jiǎn)稱(chēng)，亦稱(chēng)為晶閘管，具有體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分為普通可控硅（SCR）即單向可控硅、雙向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。可控硅的觸發(fā)分為過(guò)零觸發(fā)：一般是調(diào)功，即當(dāng)正弦交流電電壓相位過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)，必須是過(guò)零點(diǎn)才觸發(fā)，導(dǎo)通可控硅；非過(guò)零觸發(fā)：無(wú)論交流電電壓在什么相位的時(shí)候都可觸發(fā)導(dǎo)通可控硅，常見(jiàn)的是移相觸發(fā)，即通過(guò)改變正弦交流電的導(dǎo)通角（角相位），來(lái)改變輸出百分比?？煽毓柙陔娐分心軌?qū)崿F(xiàn)交流電的無(wú)觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，并且不象繼電器那樣控制時(shí)有火花產(chǎn)生，而且動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性好，本文主要介紹宇電儀表結(jié)合可控硅在預(yù)氧爐溫控加熱系統(tǒng)改造中的應(yīng)用。

二、原系統(tǒng)介紹

      某工廠預(yù)氧爐溫控加熱系統(tǒng)主要由接觸器及溫控儀表組成。預(yù)氧爐加熱系統(tǒng)總功率為600KW，分35個(gè)加熱區(qū)。加熱體采用鐵鉻鋁材料，使用溫度為0～450℃，采用鎳鉻鎳硅熱電偶做為溫度測(cè)量，由繼電器控制接觸器通與斷，從而使加熱溫度與給定溫度基本一致。使用加熱電源為低壓380V三相動(dòng)力電源，加熱體采用星形連接，它們布設(shè)在爐子的爐頂及爐底。應(yīng)用此溫控加熱系統(tǒng)存在著諸多弊端，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：由于該控制方式為三位式控制（加熱、保持、停止），這種控制方式存在著溫度控制波動(dòng)大，溫度控制精度差（±10度），加熱功率不可調(diào)節(jié)，能源浪費(fèi)大且易斷絲，生產(chǎn)成本高。繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁，因而觸點(diǎn)磨損嚴(yán)重，故障率逐年攀升，已經(jīng)給生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。溫控儀表老化嚴(yán)重，存在控制失靈等故障，儀表控制精度也難以滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的精度要求。而且此儀表要求日常頻繁維護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)噪音大，振動(dòng)較大（接觸器吸合不良形成），這樣接觸器機(jī)構(gòu)件極易松動(dòng)，造成連接處發(fā)熱嚴(yán)重，極易形成火災(zāi)事故及其它電氣故障。

三、系統(tǒng)改造

       新型溫控加熱系統(tǒng)由宇電AI溫控儀表和可控硅觸發(fā)回路及AI-2070C無(wú)紙記錄儀等低壓控制元件組成。系統(tǒng)包括1臺(tái)進(jìn)線(xiàn)柜，4臺(tái)控制柜，分別控制預(yù)氧爐的主電源系統(tǒng)和35區(qū)加熱系統(tǒng)。進(jìn)線(xiàn)柜操作包括合閘及分閘操作，面板指示有電壓指示、三相電流指示、工作電源正常指示，主要提供35區(qū)加熱回路的控制電源及儀表。其中儀表電源為保證儀表的安全及可靠性，應(yīng)用380V/220V隔離變壓器供電。4臺(tái)控制柜分別控制35個(gè)加熱區(qū)加熱。面板上有無(wú)紙記錄儀、溫度控制儀表、加熱指示燈、報(bào)警指示燈、電壓指示、電流指示、啟停按鈕等。柜內(nèi)包括接觸器、可控硅、可控硅觸發(fā)器、快熔、散熱片等。35區(qū)加熱回路操作分為單動(dòng)及聯(lián)動(dòng)操作。單動(dòng)時(shí)選擇單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)按鈕為單動(dòng)位置，此時(shí)通過(guò)操作各區(qū)的起停按鈕實(shí)現(xiàn)各區(qū)的停送電操作，停送電時(shí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的指示燈亮。聯(lián)動(dòng)時(shí)選擇在聯(lián)動(dòng)位置，按下起動(dòng)按鈕，各區(qū)接觸器吸合金屬加工網(wǎng)版權(quán)所有，對(duì)應(yīng)運(yùn)行指示燈亮;按對(duì)應(yīng)聯(lián)動(dòng)停止按鈕時(shí)，各區(qū)接觸器斷開(kāi)，對(duì)應(yīng)停止指示燈亮。聯(lián)動(dòng)、單動(dòng)操作前，各區(qū)動(dòng)力空開(kāi)及控制空開(kāi)均在合位置。

1、控制儀表及記錄儀選型：在溫控系統(tǒng)中，是通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的，為了能夠更精確的調(diào)節(jié)溫度和盡量延長(zhǎng)加熱器的使用壽命，采用可控硅移相觸發(fā)模式工作。儀表選擇宇電AI人工智能調(diào)節(jié)器，具體型號(hào)為AI-518FX3L2S。它具有以下的特點(diǎn)：(1) 采用萬(wàn)能輸入，使儀表僅通過(guò)簡(jiǎn)單快捷的菜單選擇，即可實(shí)現(xiàn)儀表的各種分度號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)及遠(yuǎn)傳壓力信號(hào)、毫伏信號(hào)的輸入。(2) 采用模塊化通用電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊組合，即可實(shí)現(xiàn)儀表的各種功能變換，通用性和靈活性顯著增強(qiáng)。(3) 采用了集成度更高的IC芯片和先進(jìn)的SMT表面元件貼裝工藝以及獨(dú)特的電路屏蔽技術(shù)，從而具備超強(qiáng)的抗干擾力和可靠性，可在十分嚴(yán)酷的電磁干擾環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

    AI-2070C總線(xiàn)式無(wú)紙記錄儀，使用宇電AI 系列調(diào)節(jié)儀表作為測(cè)控輸入模塊實(shí)現(xiàn)

        多通道數(shù)字全屏顯示。測(cè)控儀表不僅包括各類(lèi)溫度、壓力、流量、頻率等信號(hào)，也包括人工智能PID 調(diào)節(jié)、流量積算、電量測(cè)量等功能，可連接1～32 通道儀表，按需要配置，任意組合。配合圖標(biāo)式功能選擇，全中文觸摸操作，操作方便，易于學(xué)習(xí)。觸摸屏可以加入流程圖，定制提供豐富多彩的工藝流程圖，可連接PLC、變頻器等設(shè)備，用于小型DCS 控制系統(tǒng)終端顯示。功能上已超越了一般的無(wú)紙記錄儀，綜合了人機(jī)界面和無(wú)紙記錄儀功能于一體；

       采用高亮度TFT 真彩液晶顯示屏的總線(xiàn)式無(wú)紙記錄儀；接口多樣化可選RS232/485、USB；每通道數(shù)據(jù)刷新時(shí)間50 毫秒。主機(jī)屏內(nèi)存20M 空間可記錄保存數(shù)據(jù)及報(bào)警參數(shù)，內(nèi)存數(shù)據(jù)記錄周期默認(rèn)為每60000 毫秒（1分鐘），各通道記錄存儲(chǔ)的天數(shù)為：大約為4 通道：約560 天；8 通道：約346 天；16 通道：約196 天；如：修改記錄周期為2 分鐘，4 通道1120 天。數(shù)據(jù)保存按先進(jìn)先出的原則?？勺杂稍O(shè)置最小1000 毫秒（1 秒）；實(shí)時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)到U 盤(pán)；U 盤(pán)中導(dǎo)入數(shù)據(jù)格式為CSV 的Excel 報(bào)表，數(shù)據(jù)備份至計(jì)算機(jī)用CSV 的Excel 報(bào)表直接打開(kāi)上。數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出有【自動(dòng)導(dǎo)出】、【立即導(dǎo)出】；【自定義文件名手動(dòng)導(dǎo)出】導(dǎo)出方式；導(dǎo)出文件的大小可自由設(shè)定如：1 小時(shí)、2 小時(shí)、3 小時(shí)、8 小時(shí)等。

    2、宇電AI調(diào)節(jié)器PID算法：AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中的人工智能控制算法，既對(duì)PID算法加以改進(jìn)和保留，加入模糊控制算法規(guī)則，并對(duì)給定值的變化加入了前饋調(diào)節(jié)。在誤差大時(shí)，運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現(xiàn)象，如同熟練工人進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法控制輸出。其控制參數(shù)采用被控對(duì)象特征描述方式。一組(MPT)參數(shù)即可同時(shí)確定PID參數(shù)和模糊控制參數(shù)。系統(tǒng)具有無(wú)超調(diào)和高控制精度等特點(diǎn)。針對(duì)不穩(wěn)定的非線(xiàn)形復(fù)雜調(diào)節(jié)對(duì)象，表內(nèi)設(shè)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進(jìn)一步加快響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì)。針對(duì)控制參數(shù)較難確定的現(xiàn)實(shí)，表內(nèi)設(shè)有自整定專(zhuān)家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數(shù)確定簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引入，不僅使復(fù)雜勞動(dòng)簡(jiǎn)化，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，而且提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。對(duì)于許多復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，例如電爐溫度控制中的電網(wǎng)電壓變化、外界干擾因素和工作環(huán)境多變等，針對(duì)有嚴(yán)重非線(xiàn)形的控制對(duì)象，國(guó)外儀表公司也推出了不少對(duì)策和方法。例如，日本導(dǎo)電公司生產(chǎn)的儀表中，采用了多組算法；歐陸和歐姆龍儀表中采用了自適應(yīng)功能；KMM智能調(diào)節(jié)儀表中采用了折線(xiàn)模塊來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)的非線(xiàn)性；還有的儀表公司在儀表中采用辯識(shí)方法來(lái)提高儀表在非線(xiàn)性系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)質(zhì)量。在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，針對(duì)有嚴(yán)重中非線(xiàn)性的控制對(duì)象，選擇了自適應(yīng)方式來(lái)解決。其改進(jìn)的特點(diǎn)是：當(dāng)控制偏差大于估計(jì)的誤差時(shí)，自適應(yīng)系統(tǒng)不是修改MPT參數(shù)(國(guó)外儀表的自適應(yīng)功能是修改控制參數(shù))，而是修改輸出值來(lái)降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會(huì)出現(xiàn)將原來(lái)正確控制參數(shù)改錯(cuò)的現(xiàn)象，使響應(yīng)速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進(jìn)：

常規(guī)PID算法構(gòu)成如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)

      在常規(guī)PID的控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度是難以?xún)扇涿赖模@主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢，而當(dāng)加強(qiáng)積分作用時(shí)，又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。

      在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)控制參數(shù)在比例帶以外時(shí)，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問(wèn)題，而對(duì)PID算法部分又加以改進(jìn)如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)

       由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī)PID算法中的積分飽和現(xiàn)象得到較大緩解。不過(guò)從上式中可以看到，原有參數(shù)已經(jīng)較難確定了，又增加了一個(gè)新參數(shù)(∫I)，所以，這些參數(shù)必然互相影響，使得新算法參數(shù)更加難以確定。為此，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究和實(shí)驗(yàn)分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對(duì)象的滯后時(shí)間有關(guān)。滯后時(shí)間越大，則比例作用響應(yīng)減少，而微分作用響應(yīng)增加。兩者存在的關(guān)系如下：

比例作用=K(1/t)

微分作用=K(1-1/t)d

式中，K為系數(shù)；t為滯后時(shí)間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。

由此，可將人工智能控制算法公式改為：

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