專利名稱：大型立式淬火爐的電加熱控制系統(tǒng)的制作方法
專利說明大型立式淬火爐的電加熱控制系統(tǒng) 本發(fā)明涉及一種電加熱控制系統(tǒng)，特別是用于大型立式淬火爐的電加熱控制系統(tǒng)。淬火爐是用于對(duì)金屬進(jìn)行熱處理的大型設(shè)備，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機(jī)械和治金行業(yè)。用合適的溫度對(duì)鍛件進(jìn)行熱處理，可以降低它的變形阻力，但溫度過高會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大、氧化或過燒，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。目前，在淬火爐的熱處理中，加熱過程分為升溫、保溫兩個(gè)階段，但電熱主回路采用晶閘管電路，移相觸發(fā)控制電壓改變電功率來控制溫度，主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染；保證升溫速率導(dǎo)致升溫階段超調(diào)量過大，引起產(chǎn)品過燒，滿足超調(diào)量要求則升溫過程太長(zhǎng)；保溫階段的溫度波動(dòng)過大，影響產(chǎn)品質(zhì)量，采用多區(qū)段加熱方式，爐體龐大，各區(qū)段相互耦合。為了滿足大型淬火爐的快速升溫、升溫階段超調(diào)量小以及保溫階段的高精度控制要求，本發(fā)明對(duì)淬火爐進(jìn)行三段式調(diào)制PWM智能控制，包括以下內(nèi)容用固態(tài)繼電器代替晶閘管直接控制電熱元件的接通與斷開，控制電熱元件的輸出功率。固態(tài)繼電器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、故障率低的特點(diǎn)，用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法通過PLC控制加熱元件開斷，可以降低電壓和電流的變化率，延長(zhǎng)控制元件的使用壽命，同時(shí)以過零觸發(fā)調(diào)功方式取代移相觸發(fā)，消除電網(wǎng)污染。用分段調(diào)制智能控制技術(shù)，用自學(xué)習(xí)增量式PID智能控制算法，將熱處理爐的整個(gè)加熱保溫過程分為三個(gè)階段，第一階段固態(tài)繼電器處于全通狀態(tài)；第二階段根據(jù)爐溫與測(cè)量溫度情況減小固態(tài)繼電器的通斷占空比；當(dāng)爐內(nèi)平均溫度到達(dá)給定溫度的臨界區(qū)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保溫段，即控制的第三階段。
采用上述控制策略后，保證了快速升溫，低超調(diào)，提高了淬火爐的升溫和保溫階段的溫度控制精度和均勻性，消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了故障率。

圖1為本發(fā)明的間歇式加熱爐的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明第三階段解耦控制的原理圖；圖3為本發(fā)明三段式調(diào)制PWM智能控制過程示意圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
淬火爐加熱爐體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。爐子采用底卸式強(qiáng)制空氣循環(huán)加熱工作方式，由兩臺(tái)風(fēng)機(jī)1強(qiáng)制空氣循環(huán)增強(qiáng)爐溫均勻性，提高升、降溫速度，2為工件表面，爐壁保溫材料選用礦渣棉，工作室壁3為不銹鋼材料。爐溫由改變電熱元件4功率來調(diào)節(jié)，電熱元件4沿軸向分為多段緊帖爐壁，置于加熱室5內(nèi)，稱為爐壁電熱面6，組成多個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)的電熱元件4加熱電流分別由一個(gè)三相固態(tài)繼電器控制，7為熱電偶。
淬火爐的加熱過程分為三個(gè)階段，第一階段固態(tài)繼電器的通斷占空比為1，始終處于全通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速升溫；第二階段是溫度達(dá)到一定值后，減小固態(tài)繼電器的通斷占空比，控制溫度超調(diào)；第一階段和第二階段的控制輸出采用增量式PID智能控制方法，不考慮各區(qū)段之間的耦合作用。當(dāng)爐內(nèi)平均溫度到達(dá)給定溫度的臨界區(qū)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入控制的第三階段，第三階段淬火爐采用解耦自學(xué)習(xí)增量式PID智能控制方式，根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)，忽略非相鄰區(qū)段之間的耦合作用，僅考慮相鄰區(qū)段之間的耦合，將相鄰區(qū)段之間的溫度差和自學(xué)習(xí)得到的系數(shù)乘積作為控制量的修正值，通過調(diào)整系數(shù)大小抵銷各區(qū)段之間的耦合作用，具體過程如下第一階段當(dāng)各區(qū)段的溫度測(cè)量值和設(shè)定值之間差值的加權(quán)平均值ΔT＜Δ1時(shí)，固態(tài)繼電器的通斷比為100％，其中Δ1＝Tg×(70％-80％)Tg為設(shè)定為工件溫度的設(shè)定值。
ΔT=Σi=1I(Tg-Tci)PiI]]>Tci為各區(qū)段的溫度測(cè)量值，I為區(qū)段總數(shù)。
Σi=1IPi=1]]>為加權(quán)系數(shù)，根據(jù)各區(qū)段對(duì)工件的加熱影響來確定，如爐頂和爐口的系數(shù)比中間區(qū)段的加權(quán)系數(shù)要小。
第二階段Δ1＜ΔT＜Δ2，爐溫接近溫度設(shè)定值，為降低超調(diào)，ΔKP，i取負(fù)值，由偏差大小進(jìn)行自調(diào)整，從而降低爐溫上升速度。而ΔTI，i和ΔTD，i不斷增加至專家經(jīng)驗(yàn)值，并以此為基礎(chǔ)作適當(dāng)調(diào)整作為下一階段的基準(zhǔn)，保證溫度平穩(wěn)上升到設(shè)定值。
Δ2＝Tg×(90％-95％)Δ2根據(jù)待加熱構(gòu)件熱慣性的不同，取溫度設(shè)定值的90％-95％Δui(k)=Kp,i{ei(k)-ei(k-1)}+T0TI,iei(k)+TD,iT0{ei(k)-2ei(k-1)+ei(k-2)}]]>第三階段，ΔT＞Δ2，為進(jìn)一步抑制超調(diào)，ΔKP，i＜0，ΔTI，i＜0，TD，i＝0，最終消除靜差?？刂圃韴D如圖2所示。
Δui(k)=KP,i{ei(k)-ei(k-1)}+T0TI,iei(k)]]>+αi,i-1(k){ei,i-1(k)-ei,i-1(k-1)}+αi,i+1(k){ei,i+1(k)-ei,i+1(k-1)}]]>αi，i-1(k){ei，i-1(k)-ei，i-1(k-1)}和αi，i+1(k){ei，i+1(k)-ei，i+1(k-1)}是解耦項(xiàng)，分別用于抵銷第i-1和第i+1條支路對(duì)第i條支路的耦合作用。
α1，0(k)＝aI，l-1(k)＝0ei，i-1(k)＝[Yi(k)-Yi-1(k)] ei，i+1(k)＝[Yi(k)-Yi+1(k)]如果r1＞ε1，|αi，i-1(k)|＝r1|αi，i-1(k-1)|如果r2＞ε2，|αi，i+1(k)|＝r2|αi，i+1(k-1)|當(dāng)ei，i-1(k-1)＞ε3ei，i+1(k-1)＞ε4，r1，r2滿足以下條件r1=|ei,i-1(k)ei,i-1(k-1)|]]>r2=|ei,i+1(k)ei,i+1(k-1)|]]>ε1、ε2、ε3、ε4是非常小的常數(shù)。
如果ei，i-1(k-1)＜ε3，ei，i+1(k-1)＜ε4，|αi，i-1|，|αi，i+1|＝0αi，i-1(k)和αi，i+1(k)的符號(hào)由ei，i-1(k-1)和{ei，i-1(k)-ei，i-1(k-1)}的符號(hào)決定。
最后由自學(xué)習(xí)得到的各個(gè)支路參數(shù)計(jì)算出電流通斷占空比，通過PLC控制電熱元件通電流時(shí)間，從而將保溫階段各個(gè)區(qū)段的溫度保持在設(shè)定溫度允許波動(dòng)的范圍內(nèi)，整個(gè)過程三段式調(diào)制PWM智能控制過程示意圖如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種大型立式淬火爐的電加熱控制系統(tǒng)，包括PLC控制器、調(diào)功柜、發(fā)熱元件和溫度測(cè)量計(jì)，其特征在于在調(diào)功柜中用固態(tài)繼電器控制電熱元件的通電時(shí)間，用脈沖寬度調(diào)制方法通過PLC調(diào)節(jié)電熱元件的輸出功率，分三階段控制淬火爐的升溫和保溫加熱(1)當(dāng)各區(qū)溫度的測(cè)量值和設(shè)定值差值的加權(quán)平均值小于工件溫度設(shè)定值的70-80％時(shí)，固態(tài)繼電器始終處于全通狀態(tài)；(2)溫度達(dá)到(1)所述的條件至測(cè)量值和設(shè)定值差值的加權(quán)平均值小于工件溫度設(shè)定值的90-95％時(shí)，用增量式PID智能控制方式減小固態(tài)繼電器的通斷占空比；(3)爐內(nèi)平均溫度到達(dá)溫度設(shè)定值的90-95％的臨界區(qū)時(shí)，采用解耦自學(xué)習(xí)增量式PID智能控制方式，考慮相鄰區(qū)段之間的耦合，將相鄰區(qū)段之間的溫度差和自學(xué)習(xí)得到的系數(shù)乘積作為控制量的修正值，通過調(diào)整系數(shù)大小抵銷各區(qū)段之間的耦合作用。
全文摘要
一種大型立式淬火爐電加熱控制系統(tǒng)，用固態(tài)繼電器控制電熱元件的電流，用脈沖寬度調(diào)制方法調(diào)節(jié)電熱裝置的輸出功率，分為三個(gè)階段完成淬火爐升溫和保溫加熱固態(tài)繼電器始終處于全通狀態(tài)；溫度接近設(shè)定值后，調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器的通斷占空比；爐內(nèi)平均溫度到達(dá)給定溫度的臨界區(qū)時(shí)，采用解耦自學(xué)習(xí)增量式PID智能控制方式，考慮相鄰區(qū)段之間的耦合，將相鄰區(qū)段之間的溫度差和自學(xué)習(xí)得到的系數(shù)乘積作為控制量的修正值，通過調(diào)整系數(shù)大小抵銷各區(qū)段之間的耦合作用，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到控制精度，滿足均勻性要求。
文檔編號(hào)C21D1/32GK1896288SQ200510031868
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者喻壽益, 桂衛(wèi)華, 賀建軍, 李迅, 周繼能, 周璇, 陽春華, 王雅琳 申請(qǐng)人:中南大學(xué)