基于PID控制算法的烧结炉温度控制

基于 PID控制算法的烧结炉温度控制

王玲

青岛海越机电科技有限公司 山东 青岛 266299

摘要：温度控制是烧结炉运行的重要环节。温度的过程控制和精度将直接影响固体颗粒在烧结过程中键联和晶界融合的陶瓷化效果，对后续工序生产和产品的质量起着决定性的作用。为此，实现一套高效、可靠的温度控制系统对于产品烧结具有重要的意义。

关键词：温度控制；ＰＩＤ；算法

引言

温度是工业对象中的主要被控参数之一。在工业企业中,如何提高诸如电炉这样的温度控制对象的运行性能一直是现场技术人员努力解决的问题。温度控制系统的对象具有大惯性、大时滞和非线性的特点,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,导致控制系统性能不佳。目前,控制领域还大量采用传统的PID控制方式。传统的PID控制在对象模型难以建立时,很难获得良好的静态和动态性能,且参数调整也不便。模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术,与神经网络及专家控制并称为智能控制。由于其简单实用,目前已成功应用于各种控制系统中。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制方法,属于非线性控制方法。由于引入专家的逻辑思维方式,使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力,因而特别适用于难于用精确数学模型描述的系统,并且有很强的鲁棒性和稳定性。

1温度控制系统结构设计

本文在传统PID控制器的基础上加入模糊控制策略，以控制偏差e和偏差变化率ec为输入，采用模糊控制规则在线对PID控制参数进行自整定，即调整比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，从而设计了模糊自适应整定PID控制器，它是一种复合PID控制器。控制器由串级PID控制器、模糊控制器、执行结构和测量元件等部分组成。串级PID控制器根据温度控制算法计算出输出量;模糊控制器根据偏差e和偏差变化率ec在线自适应调整PID的三个参数kp、ki和kd，从而使温度控制处于最优状态，进一步达到高要求的温度控制效果。

2基于PID控制算法的烧结炉温度控制

2.1系统软件

由于本系统采用调功方式进行控制故没有必要在每个电源周期都施加控制量。为此可根据实际对象的特性来设定控制周期。本文中系统控制周期设为10s含有1000个工频电压半波可由10ms定时中断进行通断率计数每当控制周期结束时向上位机发送数据同时计算下一周期的通断率。整个软件部分由主程序、初始化子程序、采样及数字滤波子程序、量化及协调因子查询子程序、模糊算法子程序、PID算法子程序、200ms定时中断程序、10ms定时中断程序、通讯子程序和报警跳闸子程序组成。在200ms定时中断程序中设置计数器单元VW4初始值为0每次中断后VW4加1。若VW4＝50则定时已到10s进行数据处理同时调用控制算法子程序计算通断率。在系统软件实现中定时中断0和定时中断1是最为重要的部分。其中采样、数字滤波、标度变换、通讯、控制算法等都在定时中断0中实现。而定时中断1则将定时中断0中由控制算法求得的控制量进行递减计数从而输出控制量实现对烧结炉的控制。

2.2温度控制过程

温度的升高是系统对输入处理和输出控制在时域上的一种外在表现。在实际的温度控制过程中，首先为满功率温升控制阶段，在加热元件最大的功率和工艺允许的温升条件下进行加热。随着实际温度逐渐接近目标设定温度，温度控制进入第二阶段，在ＰＩＤ算法控制下，温度设定与温度实际的偏差在减少，比例调节开始作用，由于加热过程的热量的传递和交换存在滞后延迟，因此当实际温度达到目标值时，热量的传递并不会立即停止，产品的温度会继续升高并超过目标设定值达到最大温度，这个过程是一个超调过程，当实际温度超过温度设定值后Ｋｐ变为负值，调整加热元件功率降低，温度随之会下降，实际温度会降低并持续下降到目标设定温度以下，此时Ｋｐ会再次变成正值，增加功率，以此类推Ｋｐ会正负交替且幅值降低直至将实际温度控制到一个稳定的波动范围内来回震荡。当加热处在稳定状态并无外部干扰时，为消除静态误差以满足温度控制精度的要求，引入积分调节控制环节，通过调整积分时间常数Ｔｉ进一步缩小静态下的温度误差。当加热在超调过程中或出现外界干扰导致输入突变时，引入微分调节控制环节，通过对时间常数Ｔｄ的调节保证温度控制动态下的稳定性。温升控制是比例、积分和微分整体控制协调作用的一个结果。

2.3升温阶段和保温阶段拐点的处理

以上的控制算法是我们在跟踪温升部分时的控制策略,实际上在保温阶段的策略是和它不同的。当升温转换到保温时,如果直接采用保温阶段的控制策略,由于本系统是一个大滞后系统,虽然系统已经转换到保温状态,但是由于上一个阶段的升温控制的作用还没有完全消除,此时的温度必然有一个向上的冲量,使温度控制曲线先超出设定曲线然后再慢慢回落,这就严重影响了温度的控制效果,因此在升温状态转换到保温状态之前,应该提前减少温度的变化趋势,即Kmax和Kmin作适当的减小,使此处的拐点平滑。在到达保温阶段后,再采用保温阶段的控制方案。这时的最大限幅值和最小限幅值都比升温阶段时小,理想情况下只要保证热能输入量等于热能耗散量即可,而不需要升温阶段的复杂控制算法进行判断。同样,当保温转换到升温时,如果不提前改变控制策略,也将发生一样的问题,只不过此时需要的是将Kmax和Kmin作适当的加大。

2.4参数整定

参数整定是ＰＩＤ控制器能否准确控制温度的关键，其核心是根据实际控制效果逐步确定比例系数Ｋｐ、积分时间常数Ｔｉ和微分时间常数Ｔｄ，使得温度控制动静态特性和控制指标最优化的过程。采用凑试法在ＭＡＴＬＡＢ环境下进行模拟测试。先单独比例控制，根据温度响应曲线的快速响应和小超调较优的一种状态确定比例度值。将比例度降为原有的５０％的情况下引入积分作用，反复测试模拟，直至获得较优的控制响应。加入阶跃输入干扰，将微分作用逐渐增加，同时改变比例系数和积分时间常数，直至动态干扰下依然能获得优良的控制响应为止，最终确定这三种参数的最优数值，Ｋｐ＝１．３１、Ｔｄ＝８．２５ｍｉｎ、Ｔｉ＝３．４７ｍｉｎ。

2.5Fuzzy－PID控制算法

模糊控制不需知道被控对象的精确模型易于控制不确定对象和非线性对象。PID本质是线性控制。该算法将模糊控制与PID控制并联起来最后控制器的输出为u＝u1＋u2。如此将模糊控制与常规的PID控制相结合使控制系统既具有模糊控制灵活、响应快、适应性强的优点又具有PI控制精度高的特点。以上简要介绍了几种不同的控制算法可以看出Fuzz-y－PID复合控制与PID控制相比响应速度快、抗干扰能力更强；与模糊控制相比精度更高鲁棒性更强。

结语

针对电加热连续烧结炉温度控制系统的被控对象存在大滞后和非线性，通过引入控制算法，充分发挥控制算法的软性优势。在ＰＬＣ控制器和功率变频装置的共同控制下，较好地解决了手动加热温度控制存在的弊端和问题，使得烧结炉的加热有了质的飞跃，达到理想的控制效果。

参考文献

［１］韩盼盼．模糊自整定ＰＩＤ控制器的研究与设计［Ｄ］．天津：河北工业大学，２０１０．

［２］侯建．自动化控制系统在烧结生产中的应用［Ｊ］．数字技术与应用，２０１１（２）：１７．

［３］吴敏，廖环宇，曹卫华，等．烧结过程智能优化控制方法及应用［Ｊ］．冶金自动化，２０１０（３）：３５－４１．