周长剑 孟荣爱 王正顺

(1.山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353;2.山东轻工业学院电气工程与自动化学院，山东济南，250353)

纸机电磁烘缸的模糊控制

周长剑1孟荣爱2王正顺1

(1.山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353;2.山东轻工业学院电气工程与自动化学院，山东济南，250353)

电磁烘缸应用于纸张干燥，是一种全新的干燥技术。针对其温度控制具有非线性、时滞性等问题，设计了电磁烘缸模糊控制系统，重点对模糊控制器的设计方法作了较详细的介绍。仿真实验表明，电磁烘缸模糊控制器控制精度高、稳态性能好。

电磁烘缸;模糊控制;温度控制;PID

电磁烘缸替代传统蒸汽烘缸应用于纸张的干燥，在它的运行控制过程中，最为重要就是温度控制。烘缸温度是否稳定是造纸生产的重要指标之一，直接关系到纸张的质量和生产效率。合理地控制烘缸温度，能显著缩短生产时间，降低能耗［1］。本课题采用模糊控制技术，设计了电磁烘缸模糊控制系统，实现了加热线圈模糊控制器分布式控制。在Matlab的Simulink环境中建立电磁烘缸温度模糊控制系统的仿真模型，验证模糊控制器的控制效果。

1 电磁烘缸的加热原理

电磁烘缸加热主电路主要由L-C振荡电路、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)构成，如图1所示。其加热原理是:电网电压 (220 V、50 Hz)经整流、滤波后得到直流电压U(图1中将这部分省略直接给出U)并把其加到谐振电路和功率开关管IGBT的两端。IGBT在智能控制器产生的PWM脉冲信号的作用下处于“导通”和“关断”的工作状态中，进而产生高频电流。

图1 加热主电路简化图

本课题采用的是内置式电磁烘缸。工作时，驱动电机通过传动系统由转动臂带动烘缸转动，磁通发生器靠近缸壁，磁通发生器产生的磁力线就会穿过烘缸壁。由于磁通发生器产生高频变化的磁场，因而烘缸壁内各点单位时间内的磁通量不断发生变化，从而在烘缸壁内产生涡流，由于缸壁本身有电阻因而使缸壁发热，发热的烘缸壳体即可用来进行纸张的干燥［2-3］。

2 电磁烘缸温度控制方法

2.1 纸机用电磁烘缸的控制要求

正常使用时，电磁烘缸的使用过程如下:

(1)首先，开启电磁烘缸转动，调节好转动速度，带动整个走纸系统运动。

(2)开启进风、抽风电机，使整个排湿循环系统运行。

(3)开启电磁烘缸加热，使烘缸温度尽快升高到生产温度。开启烘箱，使烘箱温度也达到要求温度。

(4)进纸开始生产。抬起烘缸罩，停止加热，引纸，并将纸张卷到收卷辊上。

(5)放下烘缸罩继续加热，电磁烘缸都自动控制在设定温度，直到生产结束。

从上面的操作步骤可以看出，在刚开始启动时，为了让冷缸尽快达到生产温度，一般开大功率，尽量缩短开始生产时间。引纸时，烘缸罩要抬起来，这时候应该停止加热。正常生产时，需要保持在恒定温度下，系统进入自动控制状态。温度控制得越稳定，成品纸的质量就越好。系统控制中还应该考虑好手动自动切换。另外，根据不同的原料、纸种等，生产时采用不同的工艺参数，要求自动控制时烘箱和烘缸内保持的温度、烘缸走纸的速度等也不同［4］。

2.2 控制方法

纸张干燥过程中，烘缸表面的温度对稳定抄造和提高纸张质量都起到重要作用。对烘缸实施准确的温度检测与控制，是决定纸张质量的关键。目前，国内的造纸企业大多仍采用人工操作，手动控制，即使构成闭环，也大都采用传统的PID控制模式，对对象的适应性差，控制精度低，不仅影响产品质量，而且往往造成能源浪费。模糊控制是一种智能控制方法，不需要建立相关的数学模型，控制对象的更快反应速度和更小复飞，不敏感工艺参数的变化，具有较强的鲁棒性［5-6］。针对电磁烘缸温控特点，结合经典PID控制和模糊控制，选择了模糊自适应PID控制策略，应用于电磁烘缸控制系统。

3 模糊控制实现

3.1 模糊自适应PID控制器设计

模糊自适应PID控制器是一种在常规PID调节器的基础上，应用模糊集合理论，根据控制偏差、偏差变化率在线自动调整比例系数、积分系数和微分系数的模糊控制器［7-8］。模糊自适应PID控制系统的结构如图2所示。此处的模糊控制器由常规PID和模糊推理控制两部分组成，采用二输入三输出的形式，以温度偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，ΔKp、ΔKi、ΔKd作为模糊控制器的输出。

图2 模糊自适应PID控制器原理图

模糊自适应PID控制器PID参数自调整的实现思想是先找出PID的3个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行过程中通过不断检测偏差e和偏差变化率ec，再根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。该系统实现自调整PID参数按公式 (1)、(2)、(3)计算。

式中:Kp'、Ki'、Kd'为 PID参数的初始值;ΔKp、ΔKi、ΔKd为模糊控制器的输出;Kp、Ki、Kd为最终输出的控制参数。

3.2 模糊化设计

温度控制系统将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比较，得到系统的输入语言变量温度偏差e和偏差变化率ec，输出语言变量为PID的调节参数的变化Kp、Ki、Kd。设输入输出变量均选用三角形隶属函数曲线，论域为 ［－6，6］，模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，分别对应 {NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。输入输出变量的隶属函数曲线分别如图3中所示。

图3 输入、输出的隶属函数曲线

3.3 控制规则

一般情况下，在不同的e和ec下，被控过程对参数Kp，Ki，Kd的整定要求可归纳如下:

(1)当e较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能，应取较大的Kp和较小的Kd，同时为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Ki=0。

(2)当e处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kp应取得小些，在这种情况下，Ki和Kd的取值

要大小适中，以保证系统的响应速度，其中Kd的取值对系统响应的影响较大。

(3)当e较小时，为使系统具有较好的稳定性能，Kp和Ki应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，当e较小时，Kd值可取得大些，通常取中等大小。

对于模糊自适应PID的参数整定，可根据语言变量偏差e及偏差的变化ec，应用模糊逻辑推理，总结出一套Kp、Ki和Kd的模糊逻辑整定模型［9］。见表1～表3。

表1 Kp的模糊控制规则

表2 Ki的模糊控制规则

图4 系统仿真模型

表3 Kd的模糊控制规则

4 电磁烘缸模糊控制系统仿真

考虑到以电磁烘缸为控制对象，在系统仿真时，选择其传递函数为:

组建出模糊自适应PID控制系统的Simulink仿真模型如图4所示。

取量化因子 Ke=0.3、Kec=0.1，取 Kp、Ki、Kd的比例因子分别为K1=0.8、K2=0.005、K3=25，令PID参数的初始值、Kp'=300、Ki'=0.3，Kd'=280，仿真时间设为40 s，加单位阶跃信号，并在第10 s加5.0(500%)的干扰，最终得到的常规PID与模糊自适应PID响应曲线分别如图5和图6所示。

5 结语

由系统运行曲线可以得出，电磁烘缸控制系统采用的模糊自适应PID控制的各项性能指标均优于常规PID控制，具有响应快，超调小，过渡时间短的特点。显示出了良好的动态性能和稳态精度，且抗干扰能力较强，实现了对电磁烘缸温度的有效控制。

［1］ 张开生，李强华，张攀峰．纸机烘缸温度的仿人智能控制方法研究［J］．中国造纸，2007，26(3):36．

［2］ 王正顺，李永宝，杨桂花．内置式电磁烘缸干燥装置［J］．纸和造纸，2005(增刊):49．

［3］ 张 伟，麻红昭，张 华．基于IGBT中频感应加热造纸烘缸系统的设计与实现［J］．轻工机械，2006(4):11．

［4］ 张 伟，感应加热造纸烘缸及PLC控制系统的实现［D］．杭州:浙江大学，2006．

［5］ 李虎山，蒋亚军．可调参数模糊PID控制的实现［J］．化工自动化及仪表，2005(4):58．

［6］ 谢仕宏，姜丽波，刘国栋．模糊自适应PID控制算法在纸机烘缸蒸汽系统中的应用［J］．化工自动化及仪表，2007(1):33．

［7］ 曾光奇，胡均安，王 东．模糊控制工程与工程应用［M］．武汉:华中科技大学出版社，2003．

［8］ TANAKAK，SUGENOM．Stability analysis and design of fuzy control systems［J］．Fuzzy Sets and System，1992，45(2):135．

［9］ Ranganathan R S，Malki H A，Chen G．Fuzzy predictive PID control for processes with large time delays［J］．IEEE Trans on Expert Systems，2002，2(1):21．

Fuzzy Control for Paper Machine Electromagnetic Dryer

ZHOU Chang-jian1，*MENG Rong-ai2WANG Zheng-shun1(1．Key Lab of Paper Science and Technology of Ministry of Education，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong Province，250353;2．School of Electrical and Automation，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong Province，250353)

Electromagnetic dryer used for paper drying is a new drying technology．In view of its temperature control with problems of nonlinear and time lay，a fuzzy control system of the electromagnetic dryer is designed，the design method of fuzzy controller is introduced in detail．Simulation experiments show that the fuzzy controller of electromagnetic dryer has high control precision and good steady-state performance．

electromagnetic dryer;fuzzy control;temperature control method;PID

TS734

B

0254-508X(2011)11-0047-04

周长剑先生，在读硕士研究生;研究方向:制浆造纸设备与控制、工业控制。

(*E-mail:tianmajian@163．com)

2011-05-30

(责任编辑:马 忻)