限幅模糊串级控制系统在热风循环干燥设备中的应用

摘 要：热风循环干燥设备在干燥变压器器身过程中出现非线性、大惯性、大滞后等问题，传统PID很难实现线圈按照预定升温速率升温的工艺要求。本文提出了一种以模糊控制为主控制器，以常规PID为副控制器的串级控制系统，并用限幅算法进行优化。

关键词：串级控制；模糊控制；限幅控制；PID；热风循环干燥设备；加热系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.020

0 引言

热风循环真空干燥设备是配电变压器器身干燥的较为常见的干燥设备之一。热风循环加热有一定的升温速率限制，如果器身在干燥过程升温过快，绝缘表面很快干燥收缩，而内层水分仍蒸发不出去，往往造成厚层绝缘件开裂。但如果升温过慢，将会延长处理时间，增加成本。行业内一般以10～15℃/h的线圈升温速率进行加热。

由于线圈中含有大量的铜，升温较慢，存在时滞严重、加热惯性大，不易调节等问题。如果控制算法局限于常规的简单PID控制方法，系统响应速度和超调量之间的矛盾不能得到解决。

为了保证控制对象的稳定性，解决非线性、大惯性、大滞后等问题，本文采用了控制效果较好的串级控制[1]。主控制器采用模糊控制，副控制器采用传统PID控制，并结合实际情况采用限幅控制进行优化，优化后超调量更小、更平稳。

1 系统组成

加热系统由导热油加热系统和热风循环系统组成[2]，如图1所示。油泵驱动导热油进入电加热器进行加热，并送入导热排管，热风循环系统产生循环气流，导热排管对气流加热，加热后的气流对器身进行加热干燥，另配有真空系统抽出水汽。

2 串级控制系统设计

2.1 串级系统的总体设计

本文采用主控制器和副控制器串接，实时测量导热油温度T3、器身温度T2和器身升温速率V2，形成串级控制系统，如图2所示。

主控制器采用模糊控制+限幅控制，是目标升温速率的定值控制，将升温速率设定值V1和实测器身升温速率V2比较，经过模糊算法计算得到温度调整量△T2，然后结合当前理想温度设定值T4计算得到温度设定值T5，经过限幅控制后得到最终导热油温度设定值T6作为副控制器的输入，其中T4经过目标温度设定值T1计算得到。副控制器采用传统的PID控制，是随动控制，直接控制电加热器加热导热油，结合热风循环系统间接加热变压器器身。

2.2 PID控制器

副控制器采用PID控制器，PID控制算法的数字表达式为：

式中KP，KI，KD为调节器的比例系数、积分系数和微分系数。PID控制器将主控制器的温度设定值T6和实际导热油温度值T3进行比较，并经过PID算法计算得出晶闸管控制模块的电压值，由其驱动电加热管加热导热油，通过PID的闭环控制实现导热油的相对恒温控制，导热油温度值跟随主控制器温度设定值变化而变化。

2.3 模糊控制器

由于工艺要求器身温度需要按照预定的升温速率V1进行加热，所以副控制器的给定值也需要按照一定的速率递增。由于导热油升温较快，而通过热风加热的器身滞后较为严重，所以副控制器的给定值按照目标升温速率V1进行设定将存在严重滞后的问题；而如果按照通过目标温度设定值T1计算出来的当前理想油温设定值T4来设定，依然存在较大的偏差。在这个非线性、大惯性、大滞后系统中，特别适合使用模糊控制，基于经验和领域专家知识，建立模糊控制规则表，如图3所示。

由器身实际升温速率差值△V、导热油温度T3和器身实时温度T2之间的差值△T1构成二维模糊控制规则表，输入和输出的语言变量采用NB（负大）、NM（负中）、NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）进行标示[3]。△V的取值范围在[-4，4]之间，△T1在[0，4]之间取值，△T2取值范围在[-2，3]之间。

2.4 限幅控制

为了减少实时升温速率的波动并使实时温升速率更贴近目标值，本系统在模糊控制的基础上增加了限幅控制，油温设定值被限定在T6上限和T6下限之间，导热油温度设定值在T6理想曲线附件游动，被限制在阴影区域内，这样很好地解决了大超调的问题。

3 调试

调试时先将PID进行自整定，使油温能快速平稳地进行定制控制，然后再对模糊控制规则表进行验证和优化。测试时需采用不同等级的变压器进行对比校正，形成可靠的专家经验。保温阶段温度设定值限定算法要有所提前，否则造成保温阶段超调。实际运行效果良好，升温速率稳定、波动较小，超调较小，运行曲线如图5所示。

4 结束语

本文将二维模糊控制器和常规PID控制器组成串级系统，结合限幅控制应用到热风循环干燥中，达到减小超调量和稳态误差效果，并成功应用于奥地利某变压器厂，得到厂家的高度好评。本控制系统特别适用于非线性、大惯性、大滞后的加热系统。

参考文献：

[1]金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，2003：103-122.

[2]中山凯旋真空技术工程有限公司.干燥設备的升温控制系统及干燥设备[P].中国： 201621133653，2017-09-22.

[3]马玉，谷立臣.限幅模糊与带阈值设置PID补偿的变转速液压源流量控制方法研究[C].武汉：中国机械工程，2015，26（16）：2199.

作者简介：吴标平（1977-），男，广东中山人，本科，研究方向：真空设备自动控制系统的开发与应用。