高真空退火炉模糊自适应温度控制器的研究

摘要:针对高真空退火炉温度分布不均匀,工件温度响应速度慢,易出现较大超调量的特点,本文提出了一种在线参数自适应模糊控制器的设计方案,能实现不同状态下温度的自动控制。实验表明,方案实施切实有效。

Abstract: For thehigh vacuum annealing furnace characteristics: temperatureuneven distribution, slow workpiece temperature response, prone to large overshoot, this paper presents an online parameter self- adaptive fuzzy controller design, to achieve antomatic control of the temperature under different conditions. Experiments show that the program is workable and effective.

关键词:模糊控制;在线调整;温度控制

Key words: fuzzy control;online adaptive;temperature control

中图分类号:TH11 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)25-0131-02

0引言

高真空退火炉是对晶体进行退火处理的重要设备。通过不同温度及其不同变化率下的退火处理可以消除晶体中的残余应力、改善晶体性能,是晶体生产中非常重要的工艺过程,直接关系到产品的质量。这个过程要求炉温按照指定的速度升温,在给定的温度T1保温一定时间t1后,再按给定的速度升温至温度T2,保温一定时间t2后,再按指定的速度降温。由于高真空退火炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象,加热方式与普通电炉不同:真空炉传热的传热途径只有辐射,没有传导和对流,因此,高真空退火炉炉膛温度具有分布不均匀、响应速度慢、工件温度滞后严重、易出现较大超调量等特点。为使温度均匀,常需布置多点加热,因此要求温控系统不仅能综合协调全部热源,而且能根据不同状态自动调整控制参数,常规PID控制方法和单独的模糊控制方法均难以满足这种要求。本文针对上述特点,提出了一种在线参数自调整的模糊控制方案,不仅使温度控制系统具有了良好的动态响应特性、较小的超调量和较高的稳态精度,同时也提高了控制系统对不同状态的适应能力。根据本方案研制的控制器已在实际生产中得到应用,完全能够满足晶体退火工艺要求。

1模糊温度控制器的设计

1.1 基本原理该模糊温度控制器的结构如图1所示。系统主要由基本模糊控制器、参数自调整机构和Bang-bang控制环节组成。在控制的初期阶段,采用bang-bang控制作为引导控制,当误差小于设定阈值时用系统进入模糊控制阶段,在控制系统中,模糊量化因子Ke、Kec和输出比例因子Ku对控制器的控制效果有较大影响。在控制过程中,由参数自调整机构根据误差e和误差变化率的不同,在线调整参数Ke、Kec和Ku的大小,实现了对输入信号基本论域的在线调整,从而改善了控制系统的动、静态性能,而且也使其自适应能力得到了提高。

1.2 基本模糊控制器以误差e和误差的变化作为输入量,控制量的变化量u为输出量,相应的模糊集为E,EC,U,其论域均定义为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6];模糊语言变量均定义为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。隶属函数曲线均选为三角形。

通过总结实际温度控制经验,写出49条模糊条件语句R:if E为Ai and EC 为 Bj then U 为 Cij 。其中,Ai 为误差模糊子集,Bj为误差变化模糊子集,Ci 为输出量模糊子集。根据Mamdani 推理方法求得模糊关系矩阵为:R=A×B×C,则输出C′为:C′=(A′×B′) ?莓R,利用最大隶属度法进行非模糊化,可得到精确的输出值。

1.3 自调整机构在模糊控制器的设计中,量化因子Ke、Kec和比例因子Ku对系统的动、静态性能均有影响,如果它们固定不变,很难达到动、静态性能两方面的指标均优良的目标。为此,增加了自调整机构,根据偏差和偏差变化率的大小在线调整Ke、Kec和Ku,从而使控制系统能在被控对象特性变化或存在扰动的情况下保持较好的性能。量化因子Ke、Kec的大小意味着对输入变量误差的不同加权程度,对系统的动、静态特性均有影响。一般说Ke、Kec越大,系统的控制精度越高,但大偏差范围分辨率相应提高,可能导致系统超调,调节时间增加,动态特性变差。Ku在系统响应的上升和稳定阶段有不同的影响,但主要是影响控制系统的动态性能。增大Ku可以提高系统的控制精度和响应速度;减少Ku能减少超调,提高系统的稳定度。因此,参数自调整的一般原则为:当偏差或偏差变化率较大时,Ke、Kec取较小值,Ku取较大值,加快动态过程;当偏差或偏差变化率较小时,Ke、Kec取较大值,Ku减小,保证系统的稳定性,避免产生超调[2、3]。

2温度控制系统硬件实现

温度控制系统主要由可编程控制器、A/D(D/A)转换器、温度变送器、温度传感器、可控硅触发器以及高真空退火炉等组成。系统结构如图2所示。

在本系统中,可编程控制器选用西门子公司的S7-200系列,这是控制系统的核心,由它来实现硬件和软件的协同工作。本系统选用铂电阻Pt100作为温度传感器。通过DBW型温度变送器,把热电偶输出的mV信号转变为0～5V标准模拟信号。该信号经A/D(12位)转换成数字信号,送入可编程控制器。可编程控制器根据实际检测信号与给定信号比较发出控制信号,经D/A转换成模拟信号,此模拟信号可以触发可控硅触发器的导通角,以改变退火炉的电热功率。从而实现对高真空退火炉温度的实时调整。

3实验分析

利用上述温度控制策略,在高真空晶体退火炉中进行实验,所得温度响应曲线如图3所示。

当系统温度设定值为180℃时,系统稳态误差为2%,系统超调量为5%;当系统温度设定值变为260℃时,系统稳态误差为2.2%,系统超调量能保证小于5.5%。试验结果表明,采用该温度控制系统,能使被控对象快速进入稳定状态且超调量很小,并且,当温度设定值发生改变时,控制系统能快速跟踪设定值。

4结论

本文提出的模糊温度器的设计方案,能根据误差和误差变化率,通过模糊推理,在线实时调整量化因子和比例因子,从而使得温度控制系统动态响应速度快,超调量小、控制精度高、自适应能力强等特点,有很好得实际应用价值。

参考文献:

[1]陶永华,尹怡欣,葛芦生等.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1999.111-135.

[2]庞晓虹,王红.自调整温度模糊控制器的研究与开发.新疆大学学报(自然科学版), 2003,20(3):290-292.

[3]章正斌,吴汝善,于键.模糊控制工程[M].重庆:重庆大学出版社,1995.160-190.