粉末冶金真空烧结炉温度智能控制系统研究

黄猛

【关键词】粉末冶金 真空烧结炉 温度智能控制系统

真空烧结炉是在抽真空后，在充惰性气体保护状态下，利用发热体加热的原理，使物料箱保持均匀温度，通过热辐射传导进行烧结，并通过温度智能控制系统实现温度的自动控制。烧结作为粉末冶金过程中的一道重要工序，其温度的控制决定着最终产品质量的好坏，传统的温度控制系统多是采用手动控制、温度仪表结合继电器型的位式控制或者是PID连续控制，随着科技的不断进步，智能化技术开始应用于烧结温度的控制，虽然温度智能控制系统有多种类型，但它们都有着一定的局限性，并不能实现对粉末冶金烧结复杂过程中温度的有效控制，对于温度智能控制系统的研究还有待深入。

1 真空烧结炉温度控制研究现状

PID控制是实现真空烧结温度自动控制的最早方法，在诸多领域均有应用，但在时变、大滞后、非线性系统中其性能较差，且稳定性较差，单纯的PID控制方法已经无法满足烧结温度控制的精确要求。

伴随着科学技术的进步，诸如预测控制、鲁棒控制、模糊控制、智能控制、专家控制等先进的控制方法应运而生，这些方法已被成功应用于实际的温度控制中，起到了较好的效果，而智能化技术的出现更推进了温度智能控制的发展，智能化技术包括人工智能、神经网络、专家系统、进化算法、预测技术等，可对一些非线性、快时变等复杂系统进行全局控制，较其他温度控制技术来说，有着明显的优势。

2 烧结温度控制过程及传统控制方法

粉末冶金烧结控温过程一般包括自由升温段、恒温升温段、保温段、恒温降温段以及自由降温段，温控要求示意图见于图1，从图中可看出除自由升降温阶段，其他阶段要求温度控制的精确性。

传统温控方法主要有以下几点：

2.1 仪表控制

传统的仪表控制是通过温控器、继电器、接触器的二位式调节实现对温度的控制，将温控器的TC调至“自动”，即可进行自动控制。但这种温控方法存在控制精度低、稳定性差、电能利用率低等缺点。

2.2 PID控制

PID控制是目前应用最广泛的一项烧结温控技术，PID控制系統由模拟PID控制器和被控对象组成，PID控制器是一种线性控制器，控制规律为u（t）=Kp[e（t）+1/T1∫t0e（t）dt+TD×de（t）/dt]，其中Kp为比例系数、T1为积分时间常数、TD为微分时间常数。在实际生产中，PID控制器多存在参数整定不良、性能较差、适应性差等缺陷。

2.3 纯滞后补偿控制器

纯滞后补偿控制器即Smith预估器是针对被控对象的纯滞后性提出的，虽然可对参数进行有效控制，但这种控制方法的实现必须建立于被控对象的数学模型上，不适用于一些数学模型难以构建的系统中。

2.4 工控机和PLC过程控制系统

这种控制方法是由PLC进行现场控制，并由微机进行控制运算，在图形化的过程控制界面上实现温度自动控制的操作，这种方法受环境条件影响，且成本较高。

3 温度智能控制系统分析

3.1 模糊控制系统

模糊控制技术是通过模糊条件语句，利用模糊逻辑推理对系统的实时输入状态数据进行处理，对被控对象实施相应的控制决策，从而来达到精确的控制效果。

模糊控制器一般由模糊生产器、模糊规则库、模糊推理机、模糊化消除器四部分组成，将实际温度与温度给定值之间的温差e及其变化率ec作为模糊控制器的输入语言变量，并将系统控制通过加热装置的电流的可控硅导通角的变化量Ki、Kp、Kd作为输出变量，包括模糊化、模糊推理、解模糊三个过程，其结构框图见于图2。

模糊控制器的工作流程为采样求得系统的输出值和输入变量，再将输入变量的精确值变为模糊量，并根据输入变量及模糊控制规则，通过迷糊推理合成规则来计算出控制量。

3.2 基于BP神经网络的温度智能控制系统

基于BP神经网络的PID控制器（图3）摆脱了对于被控对象数学模型知识的依赖，其控制功能的完成取决于神经网络的学习算法。借助BP神经网络可实现PID的Ki、Kp、Kd3个参数的在线调整。

3.3 基于OPC技术的温度智能控制系统

OPC是一项用于过程控制的对象链接嵌入的技术，这种技术提供了一种规范，通过这种规范，系统能够以客端/服务器标准方式从服务器获取数据并将其传递给任何客户应用程序，实现对被控对象的实时控制。基于OPC技术的温度智能控制系统的硬件系统主要由PLC主控制系统、热电偶传感器、主回路可控硅装置及电加热器EH组成。

系统软件方面主要包括主程序、PID控制算法程序、温度采样程序等，主程序在初始化程序中完成抽真空，充惰性气体后进行真空烧结，在烧结过程中再有PID控制温度，烧结完成后，进行气压冷却，当炉温低于800摄氏度时结束程序，完成烧结。

4 结语

粉末冶金真空烧结具有非线性、大滞后等特点，其复杂性加大了烧结过程中的温度控制难度，在实际的真空烧结炉温度控制系统中，由于其自身的局限性，无法实现温度的精确控制，这也直接影响到了最终产品的质量，智能化技术的应用使得温度智能控制系统得以建立，温度智能控制系统具有运行稳定、温度控制精度高、适应性强等优点，在粉末冶金真空烧结炉中具有很大的应用价值及发展空间。

参考文献

[1]汲亚娟.粉末冶金电加热烧结炉的温度控制系统[D].石家庄：河北科技大学，2014.

[2]周建华.基于模糊CAMC与PID复合控制的DMK-240真空烧结炉控制系统研发[D].长沙：中南大学，2012.

[3]葛伟伟.基于PLC的烧结炉温度控制系统设计[D].杭州：浙江工业大学，2015.

[4]周金峰.基于OPC技术的烧结炉模糊温度控制系统[D].株洲：湖南工业大学，2011.

作者单位【关键词】粉末冶金 真空烧结炉 温度智能控制系统

真空烧结炉是在抽真空后，在充惰性气体保护状态下，利用发热体加热的原理，使物料箱保持均匀温度，通过热辐射传导进行烧结，并通过温度智能控制系统实现温度的自动控制。烧结作为粉末冶金过程中的一道重要工序，其温度的控制决定着最终产品质量的好坏，传统的温度控制系统多是采用手动控制、温度仪表结合继电器型的位式控制或者是PID连续控制，随着科技的不断进步，智能化技术开始应用于烧结温度的控制，虽然温度智能控制系统有多种类型，但它们都有着一定的局限性，并不能实现对粉末冶金烧结复杂过程中温度的有效控制，对于温度智能控制系统的研究还有待深入。

1 真空烧结炉温度控制研究现状

PID控制是实现真空烧结温度自动控制的最早方法，在诸多领域均有应用，但在时变、大滞后、非线性系统中其性能较差，且稳定性较差，单纯的PID控制方法已经无法满足烧结温度控制的精确要求。

伴随着科学技术的进步，诸如预测控制、鲁棒控制、模糊控制、智能控制、专家控制等先进的控制方法应运而生，这些方法已被成功应用于实际的温度控制中，起到了较好的效果，而智能化技术的出现更推进了温度智能控制的发展，智能化技术包括人工智能、神经网络、专家系统、进化算法、预测技术等，可对一些非线性、快时变等复杂系统进行全局控制，较其他温度控制技术来说，有着明显的优势。

2 烧结温度控制过程及传统控制方法

粉末冶金烧结控温过程一般包括自由升温段、恒温升温段、保温段、恒温降温段以及自由降温段，温控要求示意图见于图1，从图中可看出除自由升降温阶段，其他阶段要求温度控制的精确性。

传统温控方法主要有以下几点：

2.1 仪表控制

传统的仪表控制是通过温控器、继电器、接触器的二位式调节实现对温度的控制，将温控器的TC调至“自动”，即可进行自动控制。但这种温控方法存在控制精度低、稳定性差、电能利用率低等缺点。

2.2 PID控制

PID控制是目前应用最广泛的一项烧结温控技术，PID控制系統由模拟PID控制器和被控对象组成，PID控制器是一种线性控制器，控制规律为u（t）=Kp[e（t）+1/T1∫t0e（t）dt+TD×de（t）/dt]，其中Kp为比例系数、T1为积分时间常数、TD为微分时间常数。在实际生产中，PID控制器多存在参数整定不良、性能较差、适应性差等缺陷。

2.3 纯滞后补偿控制器

纯滞后补偿控制器即Smith预估器是针对被控对象的纯滞后性提出的，虽然可对参数进行有效控制，但这种控制方法的实现必须建立于被控对象的数学模型上，不适用于一些数学模型难以构建的系统中。

2.4 工控机和PLC过程控制系统

这种控制方法是由PLC进行现场控制，并由微机进行控制运算，在图形化的过程控制界面上实现温度自动控制的操作，这种方法受环境条件影响，且成本较高。

3 温度智能控制系统分析

3.1 模糊控制系统

模糊控制技术是通过模糊条件语句，利用模糊逻辑推理对系统的实时输入状态数据进行处理，对被控对象实施相应的控制决策，从而来达到精确的控制效果。

模糊控制器一般由模糊生产器、模糊规则库、模糊推理机、模糊化消除器四部分组成，将实际温度与温度给定值之间的温差e及其变化率ec作为模糊控制器的输入语言变量，并将系统控制通过加热装置的电流的可控硅导通角的变化量Ki、Kp、Kd作为输出变量，包括模糊化、模糊推理、解模糊三个过程，其结构框图见于图2。

模糊控制器的工作流程为采样求得系统的输出值和输入变量，再将输入变量的精确值变为模糊量，并根据输入变量及模糊控制规则，通过迷糊推理合成规则来计算出控制量。

3.2 基于BP神经网络的温度智能控制系统

基于BP神经网络的PID控制器（图3）摆脱了对于被控对象数学模型知识的依赖，其控制功能的完成取决于神经网络的学习算法。借助BP神经网络可实现PID的Ki、Kp、Kd3个参数的在线调整。

3.3 基于OPC技术的温度智能控制系统

OPC是一项用于过程控制的对象链接嵌入的技术，这种技术提供了一种规范，通过这种规范，系统能够以客端/服务器标准方式从服务器获取数据并将其传递给任何客户应用程序，实现对被控对象的实时控制。基于OPC技术的温度智能控制系统的硬件系统主要由PLC主控制系统、热电偶传感器、主回路可控硅装置及电加热器EH组成。

系统软件方面主要包括主程序、PID控制算法程序、温度采样程序等，主程序在初始化程序中完成抽真空，充惰性气体后进行真空烧结，在烧结过程中再有PID控制温度，烧结完成后，进行气压冷却，当炉温低于800摄氏度时结束程序，完成烧结。

4 结语

粉末冶金真空烧结具有非线性、大滞后等特点，其复杂性加大了烧结过程中的温度控制难度，在实际的真空烧结炉温度控制系统中，由于其自身的局限性，无法实现温度的精确控制，这也直接影响到了最终产品的质量，智能化技术的应用使得温度智能控制系统得以建立，温度智能控制系统具有运行稳定、温度控制精度高、适应性强等优点，在粉末冶金真空烧结炉中具有很大的应用价值及发展空间。

参考文献

[1]汲亚娟.粉末冶金电加热烧结炉的温度控制系统[D].石家庄：河北科技大学，2014.

[2]周建华.基于模糊CAMC与PID复合控制的DMK-240真空烧结炉控制系统研发[D].长沙：中南大学，2012.

[3]葛伟伟.基于PLC的烧结炉温度控制系统设计[D].杭州：浙江工业大学，2015.

[4]周金峰.基于OPC技术的烧结炉模糊温度控制系统[D].株洲：湖南工业大学，2011.