PID算法的爐窯溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)探討

鐘江靈　曹潔

摘要：在我國的機(jī)械、冶金、電子等工業(yè)領(lǐng)域中，溫度控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，且對控制調(diào)節(jié)器有著極高的要求，以應(yīng)對控制滯后、參數(shù)多變、工況復(fù)雜和運行慣性大等狀況的發(fā)生。本文通過介紹爐窯的溫度控制系統(tǒng)、PID算法，并對PID算法提出改進(jìn)及參數(shù)調(diào)整，使其展現(xiàn)更好的控制性能，更適合處理復(fù)雜多變的溫度控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng) PID算法 爐窯

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

我國的工業(yè)企業(yè)從上世紀(jì)六十年代開始注重溫度控制問題，通過深入、廣泛的研究工作和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的溫度控制器得到了很大的改進(jìn)，提升了性能和可控力，形成了智能化PID、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等商品化溫度調(diào)節(jié)器。

1 爐窯的溫度控制系統(tǒng)

爐窯保持窯內(nèi)溫度的主要方法是利用燃料在空氣中燃燒所產(chǎn)生的熱量。在實際生產(chǎn)過程當(dāng)中，不僅要盡量提高燃燒效率，減少污染，最大限度地控制窯內(nèi)溫度，而且要保證爐窯工藝運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。要想實現(xiàn)以上兩個質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，就必須合理有效地控制燃燒過程，保證煤氣量與空氣量比例配置合理穩(wěn)定，使燃料充分燃燒，獲取最高的熱效率和煙氣溫度。爐窯的燃燒過程中燃料是主要流量，空氣是輔助流量，且空氣量隨燃料量變化，這是達(dá)到工藝要求的一種手段，達(dá)到工藝要求的其他中間產(chǎn)物指標(biāo)或生成物和混合物的質(zhì)量指標(biāo)。爐窯的溫度是控制系統(tǒng)的被控變量，燃料的流量是操縱變量。只有保證進(jìn)窯的空氣和燃料比例合適才能維持正常燃燒，而在實際燃燒情況則要依據(jù)爐窯出煙的氧含量作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。溫度控制系統(tǒng)可以提高熱效率，保證煤氣充分燃燒和空氣系數(shù)合理穩(wěn)定，為爐窯焙燒提供所需熱量。

2 爐窯溫度控制系統(tǒng)對控制器的要求

當(dāng)生產(chǎn)過程中的被控變量與設(shè)計要求不一致時，可以通過控制器實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制，改變被控變量屬性，使之達(dá)到生產(chǎn)要求，由此可見，控制器是控制系統(tǒng)的核心元件，可以檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)中被控變量的設(shè)定值和變送環(huán)節(jié)傳遞的信息，并通過比較得到偏差值進(jìn)行運算，將最終輸出信號運作在執(zhí)行器上?？刂破鞯目刂埔?guī)律嚴(yán)重影響控制質(zhì)量，其輸出信號隨輸入信號而變化，是依據(jù)人工操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)總結(jié)模仿而來。

比例（P）、積分（I）和微分（D）是控制器的基本控制規(guī)律，因為PID控制器結(jié)構(gòu)簡單且易于操作，所以如今大多數(shù)爐窯仍使用PID控制結(jié)構(gòu)。PID基本數(shù)字算法包括增量式和位置式兩種，由于基本算法不能滿足多數(shù)控制系統(tǒng)控制要求，又出現(xiàn)了多種新型的基于基本PID算法的積分分離PID算法和不完全微分PID算法等PID改進(jìn)算法。

位置式PID控制算法和增量式PID控制算法統(tǒng)稱為數(shù)字PID控制算法。位置式PID控制算法的缺點是過去的狀態(tài)會影響以后的每一次輸出，計算時要對第n次采樣時刻的輸入偏差量進(jìn)行累加，加大了計算機(jī)運算工作量。而計算機(jī)的輸出和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置相對應(yīng)，在計算機(jī)出現(xiàn)故障時會影響該次采樣時刻的控制器輸出值，進(jìn)而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，所以產(chǎn)生了增量式PID算法。增量式PID控制具有很多優(yōu)點，自動或手動切換時沖擊小，有助于無擾動切換的實現(xiàn)，且動作錯誤時影響較小，可使用邏輯判斷方法去除。同時在計算機(jī)出現(xiàn)問題時，可以鎖存執(zhí)行裝置和輸出通道的信號，使其保存原值，但此算法存在靜態(tài)誤差，積分截斷效應(yīng)大。PID控制使用方便，其公式具有明確的物理意義，應(yīng)用經(jīng)驗豐富完整，且應(yīng)用范圍廣適應(yīng)性極強(qiáng)，對大多數(shù)過程都具有極好的魯棒性和控制效果。

3 PID 控制算法的改進(jìn)

在原有的PID 控制理論中，由于積分項系數(shù)是常數(shù)的原因，所以當(dāng)趨于設(shè)定值的時間時，系統(tǒng)整個的控制被控量，其積分項累加的增量并沒有變化。但出于對穩(wěn)定性的考慮，系統(tǒng)要求積分項所對應(yīng)的系統(tǒng)積分作用的強(qiáng)弱，要與系統(tǒng)偏差的大小構(gòu)成反比關(guān)系。如果積分系數(shù)取值過小的話，系統(tǒng)在短時間消除靜差上又不能起到作用。但若積分系數(shù)過大，則會發(fā)生反面效應(yīng)，隨之而來的就是超調(diào)量過大，甚至于積分飽和現(xiàn)象。因此，若是能夠保證積分累加的速度，可以隨著系統(tǒng)偏差情況的改變而改變，那么對于提高系統(tǒng)品質(zhì)以及控制質(zhì)量是非常重要的。根據(jù)這樣的需要，在原有的PID算法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，產(chǎn)生了變速積分PID 算法。

就現(xiàn)在PID參數(shù)整定的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀來看，日后的實踐和研究重點會轉(zhuǎn)移到單入單出被控對象、多入多出被控對象、PID控制技術(shù)。單入單出控制對象需要增強(qiáng)抗干擾、初始化和魯棒性能，采用簡單的操作和少量的過程信息整定PID參數(shù)；多入多出被控對象則需對分散繼電反饋方法進(jìn)行完善，盡量減少先驗信息量，方便在線整定多變量PID參數(shù)；智能PID控制技術(shù)是結(jié)合自整定、自適應(yīng)和增益計劃設(shè)定，具有自動診斷功能。

4 PID參數(shù)設(shè)定

PID控制參數(shù)的整定值并不是唯一確定的，而是在比例、積分和微分三部分的相互影響、作用之下產(chǎn)生的。在實際應(yīng)用上，若是被控對象的主要指標(biāo)能夠滿足設(shè)計要求，那么就沒有問題。所以，采用經(jīng)驗法，也就是通過實際經(jīng)驗來調(diào)節(jié)、試湊，調(diào)整到恰當(dāng)?shù)闹导纯伞Ｔ摲椒群唵斡挚尚?，而且對操作者來說還能保證安全，省力省時，對實際過程影響小。正常情況下，對過程曲線的觀察的同時，作者一般試湊兩次，即可達(dá)到理想的狀態(tài)。

5 結(jié)語

我國作為使用爐窯最多的國家之一，如何提高溫度控制系統(tǒng)的智能性得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。本文在分析窯況的基礎(chǔ)上，介紹了在原有PID算法基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的變速積分PID算法，以及其在爐窯溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用中獲得的一系列成果。以上分析對改善成品質(zhì)量有一定意義，對PID算法提出改進(jìn)及參數(shù)調(diào)整，使其展現(xiàn)更好的控制性能，更適合處理復(fù)雜多變的溫度控制系統(tǒng)，從而可以提高爐窯的工作效率。

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收稿日期：2015-02-13

作者簡介：鐘江靈（1982—），男，廣西柳州人，本科，畢業(yè)于西安工業(yè)學(xué)院，助理工程師，現(xiàn)主要從事電氣自動化研究工作。