基于模糊自整定的電伴加熱裝置應(yīng)用

摘

要：通過(guò)對(duì)供料凈化操作電伴加熱溫度控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了模糊自整定PID控制器在進(jìn)行供料凈化容器入口連接管電伴加熱帶溫度控制時(shí)，具有溫度控制迅速、控制效果穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，為今后電伴加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。關(guān)鍵詞：自限溫電伴加熱帶；PID控制；模糊控制；自整定控制0引言在鈾濃縮供取料廠房中，為了確保氣態(tài)工作介質(zhì)在輸送過(guò)程中不發(fā)生相變，防止物料在輸送管道、閥門(mén)等處發(fā)生冷凝，需要為工作壓力高于環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓力的工藝管段敷設(shè)電伴加熱帶及其保溫層。目前，供取料廠房使用的溫度控制設(shè)備基于PID控制，由于工藝工況對(duì)工作介質(zhì)流量要求的變化，電伴加熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，需要對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，而常規(guī)PID參數(shù)的整定較為煩瑣，給工藝參數(shù)的控制帶來(lái)了困難，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了威脅，因此必須加以研究和優(yōu)化。1電伴加熱裝置電伴加熱系統(tǒng)由電伴加熱帶和加熱控制系統(tǒng)兩部分組成，主要包括電伴加熱帶、溫度傳感器、DCS控制設(shè)備、輸出模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。在需要進(jìn)行電伴加熱的管道和工藝設(shè)備表面采用平行或纏繞的方式進(jìn)行電伴加熱帶的敷設(shè)，按照工藝要求的測(cè)點(diǎn)安裝Pt100溫度傳感器，最外層敷設(shè)一層橡塑海綿進(jìn)行保溫。由現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)柜、DCS控制站構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電伴加熱帶的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和超溫報(bào)警保護(hù)等功能。在電伴加熱帶進(jìn)行加熱前，首先應(yīng)估算所敷設(shè)管道處散熱量，由于工藝工況要求，需根據(jù)電伴加熱所在管線的管道直徑、內(nèi)表面溫度、介質(zhì)溫度、保溫層厚度等參數(shù)，計(jì)算所需電伴加熱單位長(zhǎng)度的額定功率及電伴加熱帶長(zhǎng)度等。供取料廠房的工藝管道電伴加熱主要使用自限溫電伴加熱帶，額定溫度105℃，采用厚度為20mm的橡塑海綿作為保溫材料。根據(jù)工藝要求，管道外表面溫度需維持在（70±3）℃，而供取料系統(tǒng)凈化設(shè)備內(nèi)管道所處的環(huán)境溫度約為-20

℃，因此要使用溫度控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)電伴加熱帶加熱功率來(lái)控制工藝管道的電伴加熱溫度。參考《電伴加熱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》對(duì)散熱量進(jìn)行估算，從而確定使用電伴加熱帶的額定功率、防爆等級(jí)等參數(shù)。1.1

計(jì)算管道散熱損失由《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50264—2013）所列散熱量計(jì)算公式可知，所敷設(shè)工藝管線處的散熱量為：式中：Q為單溫保溫層外表面積的散熱量（W/m2）；q為單溫管道長(zhǎng)度的散熱量（W/m）；T0為工藝管線表面溫度（℃）；Ta為廠房環(huán)境溫度（℃）；D0為工藝管道外徑（m）；D1為敷設(shè)保溫層后的管道外徑（m）；λ為管道平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·℃）]，取λ=0.031；α為保溫層表面散熱系數(shù)[W/（m2·℃）]。1.2

連接管散熱損失量取α=27.23

W/（m2·℃），將各數(shù)據(jù)代入公式（1）（2）中得到散熱量。由于設(shè)備所處環(huán)境為密閉低溫環(huán)境，制冷設(shè)備循環(huán)風(fēng)機(jī)、低溫等因素對(duì)電伴加熱的保溫效果有很大影響，在所得理論散熱量基礎(chǔ)上附加一值為1.2的保險(xiǎn)系數(shù)，即將所得理論散熱量乘以保險(xiǎn)系數(shù)，作為管道散熱量：q'=1.2q=24.94W/m。由此確定使用額定功率為25W/m的自限溫電伴加熱帶。1.3

電伴加熱帶長(zhǎng)度估算大多數(shù)情況下，電伴加熱帶長(zhǎng)度為敷設(shè)處工藝管道長(zhǎng)度的1.1倍，每增加一個(gè)附件，需要增加1m電伴加熱帶。溫度不能滿足要求時(shí)，采用螺旋纏繞的方式，適當(dāng)增加電伴加熱長(zhǎng)度，保證敷設(shè)功率滿足散熱量要求[2]。2電伴加熱的運(yùn)行供取料廠房使用的電伴加熱主要用于防止物料冷凝。正常工況下，工藝管道的工作介質(zhì)流量保持穩(wěn)定，廠房溫度、氣壓、對(duì)流等控制嚴(yán)格，電伴加熱系統(tǒng)熱傳導(dǎo)近似處于一階穩(wěn)態(tài)。特殊的情況，如本文所述的供取料廠房供料系統(tǒng)凈化操作期間，由于工藝管道內(nèi)部的工作介質(zhì)流量驟然增加，處于低溫狀態(tài)的工作介質(zhì)流過(guò)敷設(shè)有電伴加熱的管道時(shí)，會(huì)從工藝管道吸收大量熱量，使得電伴加熱溫度快速降低。而由于電伴加熱控制參數(shù)設(shè)置不合理，在溫度擾動(dòng)下，電伴加熱溫度往往會(huì)超出運(yùn)行安全限值，控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大超調(diào)等情況。本文對(duì)鈾濃縮廠房供料凈化操作期間的工藝管線進(jìn)行電伴加熱實(shí)驗(yàn)，記錄電伴加熱帶的溫度和管道內(nèi)工作介質(zhì)的壓力變化情況，如圖1所示。從圖1可以看出，每次凈化時(shí)，隨著供料凈化操作開(kāi)始，工藝管道內(nèi)的工作介質(zhì)壓力上升，流量增大，介質(zhì)吸熱使得溫度快速下降，下降值在10

℃左右。而隨著壓力下降至正常值，溫度逐漸恢復(fù)。整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)出降溫快、升溫緩慢、存在溫度超調(diào)的特點(diǎn)，溫度波動(dòng)的范圍超出了供取料廠房電伴加熱溫度控制偏差為±3℃的限值。3模糊自整定PID控制裝置的應(yīng)用導(dǎo)致上述溫度控制超調(diào)大、響應(yīng)不及時(shí)等缺點(diǎn)的主要原因是電伴加熱控制參數(shù)設(shè)置不合理。常規(guī)的解決方式是對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行人工整定，而整定過(guò)程較為煩瑣，且根據(jù)工藝工況的不同，會(huì)產(chǎn)生較大差異，使得溫度控制參數(shù)的整定頻次增加，給工藝參數(shù)的控制帶來(lái)困難，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。因此，根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則，對(duì)控制器P、I、D三個(gè)控制參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)和自身干擾的性能增強(qiáng)，從而達(dá)到滿意的控制效果。伴熱溫度的提升是依靠電伴加熱帶輸出，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻，在進(jìn)行臨時(shí)電伴加熱敷設(shè)時(shí)，由于伴熱設(shè)備的復(fù)雜性和環(huán)境因素如溫度、對(duì)流、保溫等因素的多變性，想要精準(zhǔn)地建立數(shù)學(xué)模型就比較困難，因此采用一組固定的P、I、D控制參數(shù)進(jìn)行電伴加熱溫度控制，在存在較大干擾因素時(shí)，實(shí)際溫度不易達(dá)到設(shè)定值要求范圍，需要根據(jù)偏差情況進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。采用模糊自整定算法的加熱控制器主要由兩部分組成，即常規(guī)控制器、PID優(yōu)化控制算法，從而實(shí)現(xiàn)基于設(shè)定溫度和實(shí)際溫度偏差的P、I、D參數(shù)優(yōu)化。在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)實(shí)際溫度和溫度變化率，根據(jù)模糊自整定程序?qū)θ齻€(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到一組控制效果達(dá)到優(yōu)化條件的參數(shù)，使電伴加熱溫度滿足控制要求，提升抗擾動(dòng)性能。下面對(duì)控制器采用了模糊自整定PID算法，其基本模式為兩輸入、三輸出，通過(guò)控制器對(duì)溫度及其變化量進(jìn)行采樣，進(jìn)行模糊推理后，進(jìn)行參數(shù)自整定。4模糊自整定控制下的自限溫電伴加熱裝置應(yīng)用如上文所述，采用模糊自整定PID控制的電伴加熱系統(tǒng)具有控制在線整定、精度高、超調(diào)小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此本文對(duì)該裝置進(jìn)行了試運(yùn)行。4.1模糊自整定控制器優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用模糊自整定PID控制器在溫度控制方面具有在線PID參數(shù)整定功能，其控制過(guò)程無(wú)超調(diào)，應(yīng)用技術(shù)成熟，安全可靠。本文所應(yīng)用的控制器采用專(zhuān)用微處理器調(diào)節(jié)儀表、開(kāi)關(guān)電源和表面貼裝技術(shù)（SMT），因此具有小巧、可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)智能控制功能和自整定功能，操作者可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作獲得良好的參數(shù)整定效果。裝置主要功能特點(diǎn)：（1）可支持熱電偶、熱電阻、模擬量等多種信號(hào)自由輸入，量程自由設(shè)置；（2）軟件調(diào)零調(diào)滿度，冷端單獨(dú)測(cè)溫，放大器自穩(wěn)零，顯示精度優(yōu)于0.5%FS；（3）采用模糊自整定PID方法，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)在線整定，與傳統(tǒng)PID控制相比，具有控溫迅速、響應(yīng)快、超調(diào)小、精度高等特點(diǎn)。控制器通過(guò)比較溫度探頭測(cè)量值和設(shè)定值得到偏差以及該偏差的變化速率，根據(jù)PID控制參數(shù)，將運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，控制電伴加熱帶輸出接通和斷開(kāi)，從而控制電伴加熱帶的輸出功率調(diào)節(jié)，以控制加熱溫度。在凈化操作過(guò)程中，由于工藝工況發(fā)生變化，或由于環(huán)境溫度變化、保溫層老化導(dǎo)致保溫性能下降等因素，電伴加熱溫度控制特性會(huì)發(fā)生較大變化，原有的PID控制參數(shù)不能達(dá)到最優(yōu)的控制效果，使得溫度控制超調(diào)增加，溫度控制穩(wěn)定性變差，管道溫度低于控制限值，容易發(fā)生物料在工藝管道處冷凝的問(wèn)題，阻塞工藝管道，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)安全威脅。此時(shí)，基于模糊控制規(guī)則，可以通過(guò)對(duì)模糊控制器的PID控制參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化，得到一組優(yōu)化后的控制參數(shù)，使得控制系統(tǒng)回歸最佳控制效果。4.2模糊自整定控制器加熱實(shí)驗(yàn)本文使用模糊自整定PID控制器，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線整定，在與上文同樣工況下進(jìn)行電伴加熱實(shí)驗(yàn)。使用常規(guī)PID控制參數(shù)作為對(duì)照組，P、I、D三個(gè)控制參數(shù)分別為35%、180s、100s，先在對(duì)照組參數(shù)下進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，記錄溫度變化。在同等初始條件下，對(duì)P、I、D三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的參數(shù)作為新的控制參數(shù)，再次進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后的P、I、D參數(shù)分別為40%、249s、62s。圖2為實(shí)驗(yàn)期間模糊PID控制方式下，供料凈化操作時(shí)溫度與壓力的變化情況。從圖2中可以看到，在與上文同等工況下，通過(guò)模糊PID控制器進(jìn)行在線整定后，控制性能明顯提升。隨著工作介質(zhì)壓力的增加，電伴加熱系統(tǒng)溫度下降在3℃以內(nèi)。當(dāng)供料凈化操作結(jié)束，工作介質(zhì)壓力恢復(fù)至正常值時(shí)，電伴加熱溫度能夠迅速穩(wěn)定至（控制值±3）℃。溫度控制響應(yīng)迅速，基本做到了無(wú)超調(diào)，反映出良好的系統(tǒng)穩(wěn)定