基于灰色PID控制的工業(yè)加熱爐溫控研究

諸天逸　朱慧

摘 要：灰色PID智能控制算法能夠在工業(yè)加熱爐這個(gè)復(fù)雜非線性的系統(tǒng)中，改善控制性能并提高魯棒性，確保了溫度控制的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率和成品率。

關(guān)鍵詞：工業(yè)加熱爐；灰色控制；PID控制；溫度控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.027

0 前言

溫度控制是工業(yè)加熱爐的一個(gè)技術(shù)難題，因工業(yè)加熱爐本身具有的爐溫度慣性較大、溫度變化緩慢、系統(tǒng)滯后性嚴(yán)重、時(shí)變等特點(diǎn)，而工業(yè)要求的溫度一旦達(dá)到并超過(guò)所需要的溫度，那么就無(wú)法采用控制手段使其降溫，所以，溫度控制需要非常精確，它與任何物化變化都相關(guān)。因此，工業(yè)加熱爐的溫度控制在工業(yè)制造中具有極其重要的地位，也就需要不斷優(yōu)化控溫方案，以求獲取最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

1 項(xiàng)目概括

本文提出的灰色PID控制算法是能夠處理不確定量，它需要的要求少，移植性好、計(jì)算靈活易行，對(duì)不確定部分建立灰色模型，利用它來(lái)控制系統(tǒng)中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質(zhì)量及其魯棒性[1]。

在加熱爐溫度控制中，溫度是時(shí)間的函數(shù)，基于灰色PID控制的工業(yè)加熱爐閉環(huán)控制，其中一部分是對(duì)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中加熱爐溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，另一部分是通過(guò)灰色預(yù)測(cè)器對(duì)不確定溫度部分進(jìn)行的估計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩部分信號(hào)的權(quán)重值Kr和Kg，分別進(jìn)行估計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)總體溫度的補(bǔ)償，從而達(dá)到灰色控制的效果。

2 灰色PID控制算法

2.1 傳統(tǒng)加熱爐溫度控制

普通的加熱爐溫度控制利用PID控制算法，由于此算法較容易、魯棒性較好、可靠，常常在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用，但是對(duì)于非線性、時(shí)變的、不確定的、和純時(shí)間滯后的加熱爐溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，難以建立準(zhǔn)確的溫控?cái)?shù)學(xué)模型，用PID算法的效果不是很理想，微分所用的效果要等溫度偏離目標(biāo)溫度很多時(shí)才起作用，這種事后控制方式不能解決系統(tǒng)的超調(diào)問(wèn)題。鑒于此，本文有必要提出一種基于灰色PID控制的工業(yè)加熱爐溫度控制方案，以灰色理論為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)不確定部分進(jìn)行灰色建模及灰色預(yù)估補(bǔ)償，使控制系統(tǒng)的灰度得到一定成都的白化，提高了對(duì)工業(yè)加熱爐溫度的有效控制[2]。

2.2 灰色PID控制建模計(jì)算

灰色PID控制系統(tǒng)核心基于ST公司的STM32F103RBT6芯片，具體驗(yàn)證了灰色PID智能算法的合理性。

加熱爐控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度和時(shí)間，基于起始溫度，生成灰色控制數(shù)列。首先建模，用預(yù)先設(shè)定的溫度數(shù)據(jù)生成數(shù)列并建立微分方程，灰色控制系統(tǒng)的研究中，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，亦即數(shù)的“生成”，當(dāng)中為了增強(qiáng)規(guī)律性，弱化隨機(jī)性而采用累加生成。

2.3 灰色PID加熱爐溫度控制

由于工業(yè)加熱爐系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性不確定系統(tǒng)，為了減弱不確定部分的影響，改善控制性能并提高魯棒性，在溫度控制器啟動(dòng)過(guò)程中，首先要用灰色估計(jì)器將不確定部分模型參數(shù)V粗略地估計(jì)出來(lái)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的灰色補(bǔ)償，由于這種灰色補(bǔ)償不要求連續(xù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行，所以不存在通常實(shí)時(shí)辨識(shí)中存在的數(shù)據(jù)發(fā)散問(wèn)題。

溫控系統(tǒng)中的灰色估計(jì)器的PID控制方法分為兩個(gè)階段。首先采用PID進(jìn)行溫控，對(duì)不確定部分的模型參數(shù)V進(jìn)行估計(jì)，其次在上述控制規(guī)律基礎(chǔ)上，按照估計(jì)參數(shù)加上補(bǔ)償控制，此時(shí)系統(tǒng)性能將大為改善，魯棒性大為提高。

3 結(jié)論

應(yīng)用灰色PID控制算法后，實(shí)現(xiàn)了良好的加熱爐溫度控制，利用記錄儀記錄的數(shù)據(jù)溫度沿著預(yù)先設(shè)定的溫度穩(wěn)定變化，有效地消除了傳統(tǒng)PID微分的滯后性，使得工業(yè)加熱爐溫度控制超調(diào)的問(wèn)題得到深度的改善。

以上基于灰色PID控制的工業(yè)加熱爐溫度控制算法是傳統(tǒng)PID算法的深度改進(jìn)版本，在工業(yè)加熱爐溫度控制的應(yīng)用中良好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速的控制要求，結(jié)合工業(yè)加熱爐具體工藝要求，可以使系統(tǒng)精確升溫、恒溫、降溫，從而保證系統(tǒng)有充足實(shí)現(xiàn)過(guò)渡，確保設(shè)備和工作人員的安全，也大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率和成品率。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦剛.基于灰色PID控制的智能車差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[J].2015.

[2]李永泰.工業(yè)加熱爐控制方法研究[J].2010.