摘 要:介紹廈門宇電自動化科技有限公司的AI一518P人工智能溫度控制儀在高溫拉伸試驗機中的應(yīng)用情況針對拉伸溫度控制策略,重點講述調(diào)試關(guān)鍵參數(shù)過程 的設(shè)計及實 驗過程,本文涉及 的技術(shù)具有較強的實用性和可操作性。

引言

在合金材料拉伸試驗中,溫度控制的精準性是整個試驗成功與否的關(guān)鍵所在,因為在試驗中,不同溫度下合金材料的抗拉強度完全不同,因此試驗中的溫度控制環(huán)節(jié)尤為重要,常常溫度 要求控制在目標值的士0.5℃內(nèi)。對于熱工儀表技術(shù)人員來說,如何更好地使用溫控儀表 及相關(guān)的功率調(diào)壓器,掌握它們重要的工作參數(shù),讓設(shè)備滿足試驗要求尤為重要。之前,中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院在高溫拉伸試驗機上采用的是昂貴的進口儀表,本次使用廈 門宇電自動化科技有限公司的AI一518P人工智能控制儀來替代進口儀表,同時要求達到試驗中的溫度控制精度。

1 控制方案設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)分析 

本設(shè)備溫度控制系統(tǒng)主要由3根星形連接的電阻絲、3塊固態(tài)繼電器、3個AI一518 P人工智能溫度控制儀及接觸器等組成,與拉伸裝置及測量應(yīng)力傳感器等構(gòu)成試驗裝備。AI一518P主要負責對試樣加熱爐溫度實行精確控制,具備位式控制(ON一OFF)、PID控制、Al人 工智能調(diào)節(jié)APID等多種調(diào)節(jié)方式,其中AI一518 P采用先進的綜合了AI人工智能技術(shù)的PID調(diào)節(jié)算法,解決了標準PID算法容易超調(diào)的問題且控制精度高,我們把這種改良過的PID算法 稱為APID算法。由于本試驗設(shè)備—電爐采用了AI人智能調(diào)節(jié)APID方式,因此可以很好地滿 足工藝條件的要求。我們通過設(shè)置P(比例帶)、(I積分時間)、D(微分時間)、參數(shù)嘆(輸出周期)、d:回差(死區(qū)、滯環(huán))來調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù),實現(xiàn)精準的溫度控制。此外為了保證拉伸試驗 的有效性,當溫度超出試驗允許范圍時,儀表給出報警,停止試驗,以免浪費試樣。

1.2 升溫過程

在合金材料拉升試驗中,首先要求對試樣均勻加熱,以每分鐘10℃為宜。加熱到目標溫 度300℃后,要求溫度穩(wěn)定在30士0.5℃后方可進行合金材料拉伸試驗。在升溫過程中,保證 試樣均勻迅速升溫而又不局部過熱是關(guān)鍵,當達到目標溫度后,要求溫度保持穩(wěn)定又是控制 難點,所以要選擇好加熱器的安放位置和加熱功率的大小。在本設(shè)備中,加熱器采用上中下3個電阻絲單獨加熱,1臺AI-58lP人工智能溫度控制儀控制1個電阻絲。根據(jù)計算,每個加熱 管功率均為1kw,接線方法為星型接法。以目標溫度30℃為例,從室溫到280℃是快速升溫過程,這一環(huán)節(jié)由于升溫速率快,相互關(guān)聯(lián),AI-58lP人工智能溫度控制儀需要全功率輸出。

1.3 拉伸過程

高溫拉伸試驗機工作環(huán)節(jié)主要是合金拉伸過程,即在一定溫度下對工件進行拉伸,檢測 應(yīng)力。所謂應(yīng)力是指拉伸試驗過程中的任一時刻,負荷除以試樣原始橫截面面積的商。這個階段要求工件處在恒溫狀態(tài),溫度控制要求比較嚴格,控制溫度與目標溫度誤差一般要求不大于0.2℃,AI-58lP人工智能溫度控制儀利用改良的控制算法能很好地完成溫度 的精準控制。

2 控制系統(tǒng)的調(diào)試

2.1參數(shù)設(shè)定

   為了保證溫度控制的效果,在調(diào)試過程中,需要對儀表參數(shù)進行設(shè)定,以初步確定P,I和D等參數(shù)的數(shù)值。對于AI-58lP人工智能溫度控制儀,首先對儀表的P,I和D利用經(jīng)驗法或湊 試法進行初試,等待溫度升高到30℃時,啟動自整定功能,此時儀表會自動調(diào)整P,I和D參 數(shù),一般經(jīng)過幾個周期震蕩,就能整定出滿意的控制參數(shù)。

2.2儀表的輸出周期

儀表的輸出周期參數(shù)Ci也是對本實驗影響較大的參數(shù),它的設(shè)置范圍為0.5-125s,反 映了儀表運算的快慢。Ci值增大,比例作用增強,微分作用減弱;Ci值減小,則比例作用減弱,微分作用增強。Ci值不小于5s時,則微分作用被完全消除,系統(tǒng)成為比例或比例積分調(diào)節(jié)。魷、小于滯后時間的15/時,其變化對控制影響較小,例如系統(tǒng)滯后時間t為 100s,則Ci設(shè) 置為0.5s或1.0s的控制效果基本相同。由于儀表輸出4-2 0mA線性電流,Ci值小可使智能 溫度控制儀輸出響應(yīng)較快,提高控制精度,但由此可能導致輸出電流變化頻繁,本處設(shè)置為2s。

d:回差(死區(qū)、滯環(huán)),用于避免因測量輸入值波動而導致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報警頻繁 產(chǎn)生/解除。d:值越大,通斷周期越長,控制精度越低。反之,d:值越小,通斷周期越短,控制精 度較高,但容易因輸入波動而產(chǎn)生誤動作,使繼電器或接觸器等機械開關(guān)壽命降低。這里采用 固態(tài)繼電器,筆者在這里取d:=0.2,實驗證明,可以很好適應(yīng)控制要求。

2.3 儀表 自整 定

    在整個調(diào)試過程中,自整定是最重要的環(huán)節(jié),當啟動自整定后,屏幕(第1排數(shù)碼管) 閃動“At”字樣,儀表PV窗口值保持不變,程序指示燈顯示運行狀態(tài)。系統(tǒng)可能反復震蕩幾次,時間持續(xù)幾分鐘甚至幾個小時,這一過程中,設(shè)備要盡可能按照實際試驗情況設(shè)定,例如,如果試驗溫度為300℃,即首先讓儀表運行加熱,等爐子實際溫度接近300℃時啟動自整定,嚴格按操作先后順序進行。整定結(jié)束后,Ctrl值從2變?yōu)?。參數(shù)Ci(控制周期)及dF(回差) 的設(shè)置,對自整定過程也有影響,一般來說,這兩個參數(shù)的設(shè)定值越小,理論上自整定參數(shù)準確度越高,推薦Ci=2,d:=0.3。自整定結(jié)束后,實際溫度總是低于設(shè)定溫度0.1-0.6 ℃不等,即存在靜差,但沒有周期震蕩現(xiàn)象。此時需要人工調(diào)整P,I和D等控制參數(shù),甚至微調(diào)調(diào)壓器 的前置放大器,達到輸出功率與AI-58lP儀表輸出功率匹配。根據(jù)經(jīng)驗,如果偏差較大且變化較慢,則可以優(yōu)先減少I,加大比例參數(shù)P,加快響應(yīng)速度。最后,筆者經(jīng)過一段時間摸索,將 本系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整為P=567,I=148.6,D=551,將d:調(diào)整為0.2,效果較好。

值得注意的是:手動自整定啟動前,手動輸出值應(yīng)在10%-90%范圍內(nèi),否則將無法整定 出正確的參數(shù)。

同時利用儀表的強大通信功能,與上位機聯(lián)網(wǎng),監(jiān)測試驗數(shù)據(jù),方便查詢。

3 結(jié) 束 語

從2011年6月至今,該人工智能溫度控制儀在我院高溫拉伸試驗機臺上一直使用,代替 了昂貴的進口儀表,能完全滿足工作要求。通過工作中的摸索實踐和不斷的學習積累,根據(jù) 不同設(shè)備的工況和條件,按照溫控的要求,獲得了符合要求的控制參數(shù),取得了較好的經(jīng)濟效 益與試驗數(shù)據(jù)。這種應(yīng)用國內(nèi)儀表替代進口儀表,只要對其中的重要參數(shù)進行合理的修改，不僅適用于該系統(tǒng),也適用于其他的控制系統(tǒng),以滿足多種系統(tǒng)的需求。

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