1 引言
轧钢加热炉燃烧过程是一个非线性不稳定的复杂系统，系统具有不确定性，模型很难**表达[1]，同时钢坯加热过程还存在各种可测和不可测的扰动。传统的pid控制难以投入使用，需人工手动调整操作。而模糊参数自校正pid控制将模糊控制、pid控制和自适应控制相结合不但能实现**控制，而且可使系统具有较强的自适应性和鲁棒性。模糊参数自校正pid控制研究对象就是这种具有不确定性的系统，它能通过修正控制器的参数来降低不确定性对系统的影响[2]。为此本文提出了一种模糊参数自校正pid[3,4]加热炉温度优化控制方法，在缩短系统的调节时间加快响应速度的同时，提高了系统的抗干扰能力和适应参数变化的能力，保证钢坯加热质量并达到节能的目的。
2 模糊自校正pid控制器设计
2.1 模糊自校正pid控制器原理和结构
传统的pid控制器只是利用一组固定的参数进行控制，它不能兼顾动态和静态、设定值和抑制扰动之间的矛盾。因此，本文引入模糊推理，在初值基础上适当调整pid的参数，从而改善系统的控制效果。利用模糊控制规则在线对pid参数进行在线修改，构成了模糊自校正pid控制器，其结构如图1所示。图中被控对象为是加热炉温度控制系统。
图1 模糊自校正pid控制器结构
pid控制器的时域形式如(1)式所示：
(1)
其离散化后得：
(2)
其中：
和
分别为比例、积分和微分常数。
模糊控制系统原理图如图2所示。
图2 模糊控制原理图
2.2 模糊控制隶属度函数及规则表
模糊自校正pid控制器是以温度偏差e和温度偏差变化率作为输入，输出变量u为煤气阀给定信号。
为了增加控制的灵敏度和便于应用模糊规则，对偏差e和偏差变化率的实际值分别用归一量化因子ge和gc进行量化，其取值使ge·e∈[-1,1]，gc·e∈[-1,1]并在输入论域上定义7个模糊子集：｛nl，nm，ns，zo，ps，pm，pl｝。输入隶属度函数取为交叠对称分布的三角形隶属函数，形状如图3所示，根据输入隶属函数形状可即可求出输入变量对各模糊子集的隶属度。
图3 交叠对称分布的隶属度函数
对输出变量kp，ki和kd的变量在输出入论域上定义7个模糊子集：｛nl，nm，ns，zo，ps，pm，pl｝,输入隶属度函数取为交叠对称分布的三角形隶属函数。
模糊逻辑推理采用mamdani类型，包含如下形式的模糊蕴涵关系：if e is a and is b, then u is c，pid参数自整定是通过找出pid中3个参数与功率偏差e和功率偏差变化率之间的模糊关系，在运行中不断检测e和，再根据模糊规则和模糊推理对3个参数进行在线调节，以满足在不同e和时对控制参数的不同要求。
在不同e和下被控过程对参数kp、ki、kd的自整定要求可简单地总结出以下规律：
规则1：如果系统输出大于给定值时，减小ki；
规则2：如果系统上升时间大于所要求的上升时间，增大ki；
规则3：如果在稳态时系统输出有波动，适当增大kd；
规则4：如果系统输出对于干扰信号反应敏感，适当减小kd；
规则5：如果系统上升时间过大，增大kp；
规则6：规则2的优先级高于规则5，即当过大时，先调整ki，再调整kp，并考虑控制系统易于实现和算法的执行时间。根据以上规则，设计用于修改kp、ki、kd参数的模糊控制规则表。见附表。
附表 模糊控制规则表
3 系统结构
该算法应用于轧钢加热炉燃烧过程控制系统。硬件系统由研华工控机＋德国西门子s7-300plc与温度压力变送器、伺服阀构成。工控机采用组态软件为主，实现加热炉的集散控制。控制系统结构图如图4所示。
图4 加热炉控制系统结构图
5 结束语
本系统在现场调试和实验，加热燃烧炉温度模糊自适应控制的控制效果达到预期的目标。比较传统的pid和模糊自适应控制曲线，模糊自适应控制温度响应速度快，超调小，稳态误差小，抗干扰能力强，提高加热炉燃烧过程的效率和质量。
在过去的几十年里，可编程逻辑控制器（PLC）一直被广泛用于自动化领域，而在可预知的未来，PLC仍将长盛不衰。面向离散控制而设计PLC的实际上已经成为工业领域一个具有伟大意义的统治性工具。
然而，随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加，PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经超越了PLC的功能范围，使得工业机器领域的工程师必须在自动化系统中集成更多更**的I/O、处理和控制策略。
新的可编程自动化控制器（PAC）硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案，能够很容易整合到PLC系统中，给工业机器增加更多的**功能，并提高机器的效率。
1、需求：如何提高机器的效率
如何提高机器的效率？让我们来看看IntegratedIndustrialSystems（I2S）公司是如何做的。I2S在现有的PLC系统上实现极大的改进。这是一个来自美国的私有原始设备制造商，数十年以来一直致力于制造的轧制设备和控制系统，用于全世界的铁和非铁金属行业。在这一领域的雄厚技术底蕴使之成为行业的。
I2S也曾经长期使用PLC来自动化和
控制生产的轧制设备。近几年他们一直在试图更新轧制设备控制系统，以提高效率和质量。为了提高炼钢设备的效率和质量，他们主要对其伽马测量系统进行了改进，以便能更准确地控制金属厚度。
数年以来，伽马测量系统一直是I2S产品家族中的标志性产品，现在依然广受欢迎，但是系统的很多硬件和软件特征都已经过时了。为了更新该系统并改进其机器，I2S公司需要一个具有更**的模拟输入分辨率的方案，以连接伽马测量传感器和信号处理，从而从传感器中获取模拟信号，实现高度**的厚度测量，再由PLC使用在轧制机器的控制系统中。
2、伽马测量仪技术
伽马测量仪使用“镅”作为恒发射源，这一发射源位于“C”框架组装的较低部。结构的顶部是一个接收器和前置放大器。当通过发射源和接收器之间的间隔时，金属带会吸收一部分辐射，吸收量视其厚度和密度而定。剩下的一部分就由接收器进行测量，并转化成带厚度测量。
实施改造步：现有设备试验
为了节省时间和费用，I2S先试着在已有的PLC系统中进行模拟测量和处理。但是，PLC的模拟I/O和信号处理无法达到所需的**度。I2S公司要确保运行于PLC中的控制系统不会因为额外I/O和处理的增加而减少。
因此，他们需要这么一个系统，这个系统能够从伽马传感器中获取模拟信号并进行处理以计算**的厚度测量值，并能将这个厚度测量插入到PLC控制系统中。但是，所用的PLC不适合高性能处理和高速模拟I/O。
第二步：如果现有设备无法奏效，就试试其它方法
在认识到PLC无法提供连接伽马测量传感器所需的I/O和处理后，I2S转向了PAC技术。它选择了国家仪器的CompactRIOPAC，以提供改进轧制机器质量所必须的附加功能。CompactRI/O是一个可重置嵌入式系统，既结合了传统PLC的优点和可靠性，又能提供更多I/O和处理。国家仪器的所有PAC都可以通过其LabVIEW图形编程工具来编程，因此可以很容易进行编程和配置。
第三步：添加I/O
CompactRIO有一个嵌入式现场可编程门阵列（FPGA）芯片和实时处理器，可通过内置的LabVIEW功能块来编程。另外，它还拥有超过30个模拟和数字I/O模块，具有内置信号调节（反锯齿、隔离、ADC、DAC等）、高速计时（模拟I/O速度达到800kHz，数字I/O速度达到30MHz）和高分辨率（24bADC），可与任何工业传感器或者触发器连接。
图1CompactRI/O架构
I2S使用CompactRIO模拟输入模块来连接伽马级厚度传感器，以提供**测量所需的高速计时和分辨率。由于每个I/O模块都是直接和FPGA相连的，工程师们于是能使用LabVIEWFPGA来轻松自定义CompactRIO的模拟I/O速率。
第四步：添加处理
从伽马传感器获得模拟数据之后，CompactRIO使用内置的NILabVIEW实时浮点功能块来在实时处理器中对数据进行处理，并将之转化成**的厚度测量。
LabVIEW的实时功能块对数据进行确定的对数处理（如下面的等式1和等式2所示），以进行计算厚度测量值。由于LabVIEWReal-Time具有内置计算和分析功能，PAC能够很容易进行这一操作。
等式1：logI=（logI0）y/μ=（y/μ）logI0
等式2:y/μ=logI0/logI=log（I0-I）
CompactRIO系统在FPGA和实时处理器中进行所有的I/O和信号处理，并将高**度厚度测量传输到相连的PLC上，又不会降低现有PLC控制系统的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程师可以为伽马级传感器添加这一自定义测量和分析功能，而不需要牺牲轧制机器的控制速度。
第五步：整合PAC
每个轧制机器都带有三个形成网络的CompactRIO系统。这三个系统都是智能节点，能利用一个工业标准Modbus/TCP、TCP/IP或UDP协议进行通信。其中有两个系统与伽马级传感器连接，并进行模拟输入测量和处理，来计算**厚度测量值。
图2典型系统拓扑
第三个CompactRIO系统则从另外两个系统中取得厚度值，并转换成模拟输出测量值，输入到正在控制轧制机器的PLC上。所有三个系统都通过以太网连接实现了互连，并使用一个UDP以太网信息协议来传输厚度测量值计算。将PAC连接到现有PLC架构上有三个基本方法：
1.基本模拟和数字I/O。模拟/数字信号能够从PAC输出到PLC中。这是将PAC整合到PLC的一个基本的方法。I2S公
司就是运用这种方法来将处理过的数据从CompactRIOPAC传输到运行轧制机器控制系统的PLC上的。
2.工业网络。大多数PAC产品都支持工业协议，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基于以太网的协议如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP。这使得工程师在连接PAC到PLC上时有很多网络选择。I2S公司运用的是以太网协议来在CompactRIOPAC之间传输数据，并将PAC和PLC连接到形成网络的HMI。
3.OPCConnectivityPAC还可以作为OPC客户端或者服务器，并通过OPC标签来收发网络数据到PLC或其它PAC上。OPC标准提供了一套标准的流程，让不同厂商的自动化系统之间可以很容易实现连接。
处理过的数据会以不到20毫秒的间隔在通过以太网互连的CompactRIO系统之间传输。CompactRIO测量值的获得、处理和传输速度都很快，因此，将**厚度测量值键入到PLC控制系统的过程丝毫不会降低整个系统的速度。
I2S公司可以很容易通过基于LAN的CompactRIO系统和10/100Mbps以太网接口将系统连接到形成网络的AllenBradleyPLC，并利用一个标准的TCP/IP协议将之连接到人机接口（HMI）系统。轧制机器中的所有仪器都通过以太网实现了连接，因此不需要在一个电器噪音嘈杂的环境下长距离地传输模拟信号了。
在未来的几年，PLC仍将继续用于自动化领域。但是随着机器的改进和自动化效率提高的需求，PLC不再是的。PAC技术给PLC提供了很好的补充，增加了传统PLC所不能提供的高性能I/O和处理。将PAC连接到现有PLC架构中的方法有很多，所以工程师们将能够很容易地改进其基于PLC的自动化系统。