PID电加热炉温度控制系统

摘要：PID控制器由于具有操作简单、算法通俗、效果良好等优势，因而在工业领域应用广泛，比如化工行业、轻热工行业、治金机械行业等。电炉作为一种加热系统，有着大滞后性、非线性、时变性等特点。针对这一特点，设计了一种模糊PID控制，使系统能达到较好的控制效果。

关键词：温度控制；PID；模糊PID控制；电加热炉

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）27-0055-02

工业炉是指在工业生产中，利用燃料燃烧产生的热量或者将电能转化成热量对工件或者物料进行加热的设备。按供热方式工业炉分为两大类：一是火焰炉，或称燃料炉，是用各种燃料的燃烧热量在炉内对工件或者物料进行加热；二是电炉，是在炉内将电能转化为热能对工件或物料进行加热。本文选用电炉作为控制模型。无论是火焰炉还是电炉，温度控制都是其性能好坏的一个重要指标，是产品质量及安全生产的重要保证。电炉作为一种加热系统，有着大滞后性、非线性、时变性等特点。

在工业运作过程中有一种最为常见的控制器就是PID控制器，由于其具有操作简单、算法通俗、效果良好等优势，因而在工业领域应用广泛，比如化工行业、轻热工行业、治金机械行业等。那么何谓PID控制？简而言之，就是对比例积分及微分控制的合称。但同时，因PID控制超调量大，对加热系统这样大滞后、非线性、时变的系统，参数整定值只是具有一定的局域性的优化，不能达到很好的全局控制效果。因此实际使用中在PID控制器中加入模糊控制，使系统能达到较好的控制效果。

1 系统结构

如图1所示，将炉体划分为8个温控区。

图1 炉体温控区划分

该热处理工业炉为长8m、宽2m的单炉膛炉加热炉，因为长度较大，所以在控制上将其分为8个温度控制区。每一个温度控制区设一个加热控制器、两个热电偶传感器、一组电阻丝加热管。

2 系统组成

系统由温度传感器、计算机、西门子PLC、电加热器、电热控制器和无纸记录仪等组成。

温度传感器：温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

西门子PLC：从温度传感器采集到的信号连接到PLC中，通过PLC中的温度控制程序计算输出4～20mA信号控制电加热控制器输出功率。

电加热器：系统加热部件。

电热控制器：通过输入的4～20mA信号，改变输出电加热器功率，从而达到控制温度变化的效果。

系统按炉体结构，划分为8个温度控制区，每一个温度控制区设两组电加热器、两组温度传感器。每组电热控制器和电加热器单独加热。

3 系统控制基本算法

采用R型热电偶测量温度是本控制器的测温途径，因为其具有很强的抗干扰能力，能够在大范围内测温，且误差较少，能够比较准确地实施测温工作。具体方法即为，毫伏级电压在热电偶的传递下发出带有温度的信号指示，温度变送器受到感应将之传至A/D转换器后进行数量统计和转换，进而将转换的数字量发送到计算机里，同时比对给定的电压信号，得出偏差，计算机通过相应的规律模式对偏差进行计算。最后，可控制硅将对运算结果进行识别、转换，并在控制周期内的过零触发脉冲个数来实现控制温度之目的。

根据控制系统操作过程当前及以往传送的测量值、设定值之间的偏差确定当前控制输入是PID控制的普遍方法；但预测控制是以预测模型为桥梁估算系统将来的输出量和设定值间的误差，并以最先进、准确的策略的“滚动式”计算方法得出当前控制输入状况。可见，较之传统的PID控制方法，预测技术具有明显优势，它的算法是以模型计算机控制算法为标准的，而且其具有良好的跟踪功能，对数字模型也没有太高要求，能在最短时间内对滞后对象进行处理，使模型误差可以降低到最小。

数字PID控制算法为：

一般情况，模糊规则是以操作者的实践经验和相对技能知识为建立基础的，通过kp、ki、kd等系统活动对系统输出情况产生的影响得出相应调整规则。具体分析即：（1）在|e|在较大的情况下，提高系统响应速度，提取过程产生的最大kp和最小的kd数量值，而ki则可以将之调整至0，这样能够防止积分饱和。（2）当|e|和|ec|值达到中间位置时，应选取ki较小的数值，kp选适中数值，这样可以有效地预防系统动行时形成数值过大的超调量，并保证系统的响应速度在正常范围内。（3）那么在|e|较小状态的情况下，提取的kd值应保持适中，具体应根据|ec|的大小正比例调整，使系统在良好的状态下稳态运作。

4 调试方法与程序

本系统属于非线性系统控制。可以说，非线性系统存在于大多数工业过程中，有所区别的是非线性存在程度的不同。如工程运作中，系统的非线性较弱时通常采用线性系统来近似，这也是非常普遍的现象。而相对于系统的非线性环节较为严重时，用这种方法来处理就会产生较大偏差，有时还会得出截然相反的结果。这是因为，与分析设计和系统理论法为完善的线性系统相比，非线性系统还存在相当差距。虽然，近些年对于非线性系统的研究取得了一定的成果，但其在理论和实践上仍有待进一步完善和

研究。

同时，本系统具有大时滞特性证，在电加热炉过程控制之中，存在着时间纯滞后和容量滞后，这种时滞现象的存在非常不利于系统的稳定性，也将会产生很大的阻碍，系统调节作用如不能及时发挥作用会使动态品质下降，甚至有可能出现发散振荡。所以，系统控制最难的部分之一便是时滞对象，这已取得行业共认。自20世纪中期以来，基于模型的处理法和无模型处理法都已出现在时滞控制领域，其中模型控制法有Smith预估控制法、最优控制法以及滑模变结构控制等等。由于时滞系统模型具有不确定性，很容易受不良因素干扰，这种情况下非参数模型处理法效果就更为有效和准确了，全现而多层次的智能控制方法及通过不同途径使之相结合运作是未来时滞系统研究开发的主攻目标，这也是解决工业大时滞过程最理想和有效的途径。

系统运行调试时，PLC采集到的误差与误差变化率输入参数信号，借助限幅量对之进行处理相对应的模糊论域中的参数值，提取模糊控制表中参数量，通过计算得出Δkp、Δki、Δkd值，系统同时对该组数值进行修正，并与kpc、kic、kdc相加而得出PID调节器所对应的相应参数值，最后运用PID控制计算方法输出控制量。

5 结语

总之，采用PID控制器控制时效由于技术方法过于单一使得效果偏差较大，与常规PID控制相对比，模糊论域控制因与系统相适应，在控制过程中不会有太大波动，超调理非常小，使系统的稳定性得到保持，减小了过渡时间，鲁棒性得到加强，其性能远远优胜于常规PID

控制。

参考文献

[1] 黄峰，汪岳峰，顾军，周冰，等.模糊参数自整定PID控制器的设计与仿真研究[J].光学精密工程，2004，12（2）.

[2] 张春，江明，陈其工.PID参数模糊自整定控制器的设计与研究[J].机电工程，2006，23（9）：19-2l.

[3] 南新元，陈志军，程其江.基于模糊PID控制的电锅炉温度过程控制系统[J].自动化仪表，2008，29（5）.

[4] 牟永欣.基于最优模糊PID温度控制方法研究[J].计算机仿真，2009，26（5）.

[5] 张磊.最优模糊推理方法及其在智能控制中的应用[D].北京航空航天大学，2005.

作者简介：李天婧（1985—），女，天津人，天津工业自动化仪表研究所有限公司助理工程师，研究方向：自动化控制技术与应用。

推荐访问:炉温 控制系统 电加热 PID