參數(shù)干擾法在提高智能儀控制精度方面的應(yīng)用

曹焰州

（太原工具廠，山西 太原 030008）

0 引 言

熱處理中準(zhǔn)確地測(cè)量熱處理爐的溫度是很重要的。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，須在準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，把熱處理溫度調(diào)節(jié)在工藝要求的范圍內(nèi)。爐溫只有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，才能確保熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量，才能提高生產(chǎn)率，節(jié)約能源，因此，實(shí)現(xiàn)爐溫的自動(dòng)控制尤為重要。

1 熱處理工藝擬定

一般情況下，爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)是利用測(cè)溫儀與自動(dòng)化裝置組成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，熱處理工藝要將爐溫調(diào)節(jié)在一個(gè)預(yù)先給定的數(shù)值。如圖1所示，調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)對(duì)象（爐溫）、檢測(cè)元件（一次測(cè)溫儀表）、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)組成，每一環(huán)節(jié)都接受它前面一環(huán)節(jié)的作用，又對(duì)后一環(huán)節(jié)施加影響，并構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)[1]。

圖1 爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

現(xiàn)今熱處理工藝采用的控溫系統(tǒng)，一般分為位式調(diào)節(jié)和連續(xù)（PID）調(diào)節(jié)。由于位式調(diào)節(jié)存在被調(diào)參數(shù)波動(dòng)較大，調(diào)節(jié)精度不高，調(diào)節(jié)器動(dòng)作頻繁，易損壞，噪音較大等弊端，現(xiàn)已處于逐步淘汰。太原工具廠為進(jìn)一步提高熱處理的質(zhì)量，于2009年、2010年分別安裝調(diào)試成功兩套熱處理可控硅智能溫控系統(tǒng)；利用PID程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)器的功能，利用晶閘管調(diào)壓器完成執(zhí)行器的功能。該設(shè)備使用兩年多時(shí)間里，提高了控溫精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了廢品損失，收到了很高效益。然而，在使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如，一般情況下，該智能控溫系統(tǒng)的控制精度相當(dāng)出色，不僅升降溫速度較快，而且控溫精度一般都能保證在（±2.5）℃的范圍。但是，有些時(shí)候卻會(huì)發(fā)生一些用常規(guī)難以解釋的現(xiàn)象，例如爐溫有時(shí)偏差能達(dá)到10℃以上，有時(shí)則出現(xiàn)升溫速度明顯放慢的現(xiàn)象，甚至在淬火過程中，整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行在4 h左右都未達(dá)到工藝要求的溫度，對(duì)生產(chǎn)的影響很大。針對(duì)這些狀況，我們經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)查試驗(yàn)，找到問題癥結(jié)，采取了有效的解決方法。

2 智能控溫系統(tǒng)

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，原用智能控溫系統(tǒng)不能快速響應(yīng)外界環(huán)境的原因，主要源于PID參數(shù)自身產(chǎn)生方式的局限。按偏差的比例、微分、積分進(jìn)行控制的PID調(diào)節(jié)器，是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣的調(diào)節(jié)器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整，長(zhǎng)期積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；特別是工業(yè)過程中，由于控制對(duì)象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)，而且往往不能收到預(yù)期效果，人們便用PID調(diào)節(jié)器根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定；并且由于軟件的靈活性，PID算法可以修正得更加完善，本廠車間的智能控溫系統(tǒng)就采用了PID調(diào)節(jié)器。PID控制一般有位置式和增量式兩種開式。由于控溫的特殊性，只能采用位置式PID控制。其控制方式為“準(zhǔn)連續(xù)控制”，而PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常常通過實(shí)驗(yàn)確定，或通過湊成法，或通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)較為滿意的參數(shù)結(jié)合，但是所謂“滿意”的調(diào)節(jié)效果，是隨不同的對(duì)象控制要求而異的。此外，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)于控制質(zhì)量的影響不十分敏感，因而整定參數(shù)的選擇并不是唯一的。即在比例、微分、積分三者產(chǎn)生的控制作用中，某部分的減少往往可由其他部分的增大來補(bǔ)償。由于以上這種原因，便會(huì)出現(xiàn)本來控制精確的儀表有時(shí)卻顯偏差較大[2]。

一般情況下，爐溫能實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)控制，說明PID內(nèi)存參數(shù)與當(dāng)前工作狀態(tài)較為吻合，即使稍有偏差，通過啟動(dòng)儀表的自整定系統(tǒng)也能很快達(dá)到要求，這也是PID系統(tǒng)較為出色之一。但其程序是按相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)設(shè)計(jì)的參數(shù)，而實(shí)際的工作環(huán)境卻是各有不同（爐體時(shí)而處于較高的室溫中，時(shí)而又隨天氣變化、爐體外界溫度急劇變化，以及爐體本身的新舊、爐內(nèi)電極的新舊等因素），無一不對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生作用；由于以往位式系統(tǒng)本身控制精度不高、這種影響尚不明顯，而對(duì)PID系統(tǒng)則不然，整個(gè)控溫系統(tǒng)的任一變化都有潛移默化的影響，成為刻不容緩要解決的問題。

3 正確合理的解決方法

通過了解了問題的原由，便將問題分成兩步解決：1）仔細(xì)分析系統(tǒng)升溫慢的原因，以前一直認(rèn)為升溫慢跟執(zhí)行系統(tǒng)有關(guān)，但在排除了交流接觸器觸點(diǎn)、電極、可控硅等元件的可能后，問題仍然存在，尤其是想到控制不正常時(shí)大多發(fā)生在停爐較長(zhǎng)時(shí)間后再開爐的時(shí)候，例如，星期一、節(jié)假日后，陰雨天后，因此懷疑可能是內(nèi)存參數(shù)設(shè)定不合理，便按PID參數(shù)調(diào)整原理，先將比例參數(shù)P從內(nèi)存窗口調(diào)出，試將參數(shù)由原來確定的113改為156，湊巧在這種嘗試竟然有效，爐溫不但很快升起，且使常規(guī)淬火溫度處于較滿意的控制效果。2）嘗試雖然成功，但仍有點(diǎn)疑慮：儀表本身就有自整定系統(tǒng)，為什么不能自身得到合適的控制參數(shù)呢？經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，自整定系統(tǒng)無法同時(shí)較快響應(yīng)爐體的變化，同時(shí)又響應(yīng)爐溫內(nèi)部的變化，故出現(xiàn)了PID參數(shù)的不適應(yīng)性。確定了這些問題后，根據(jù)三個(gè)參數(shù)在控制中的不同作用，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際控制中二次回調(diào)過大時(shí)，可用適度減小積分的數(shù)值來解決；而當(dāng)出現(xiàn)控制中溫度上沖偏差過大時(shí)，可用減小微分的數(shù)值來改善。通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)，逐步找到多組PID參數(shù)的理想組合，針對(duì)不同的環(huán)境和現(xiàn)象，采用了有效的參數(shù)干擾措施，在隨后裝調(diào)成功的可控硅控溫系統(tǒng)中得到具體驗(yàn)證。本次試驗(yàn)結(jié)果不僅適用于島電SR93系統(tǒng)智能表，且對(duì)英國(guó)產(chǎn)3204系統(tǒng)智能表得到驗(yàn)證，只是在PID數(shù)值調(diào)整幅度上有所區(qū)別，必要時(shí)還可通過儀表調(diào)整變壓器輸出功率的配合來達(dá)到更理想的控溫效果。本系統(tǒng)經(jīng)過近兩年來的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，調(diào)整方法簡(jiǎn)單實(shí)用，不僅從理論上找到控制系統(tǒng)失常的依據(jù)，而且提出正確合理的解決辦法，為進(jìn)一步提高設(shè)備控制精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

[1]宋宏運(yùn),楊天怡.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1989.

[2]陳特夫.測(cè)溫儀表與感應(yīng)加熱裝置[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.