冶金工業(yè)中模糊自適應(yīng)PID控制算法運(yùn)用研究

諸天逸

摘 要：模糊自適應(yīng)PID控制算法可以結(jié)合古典PID控制，并結(jié)合特定工藝制作所需要的操作人員的長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了冶金溫度控制過(guò)程中的升溫、保溫、降溫控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約大量成本。

關(guān)鍵詞：冶金；模糊控制；PID算法；自適應(yīng)控制；多參量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.030

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，冶金已經(jīng)從狹義的從礦石提取金屬，發(fā)展為廣義的冶金與材料制備過(guò)程工程，冶金工業(yè)工藝過(guò)程也非常復(fù)雜，良好的溫度控制是順利完成冶金過(guò)程的保證。實(shí)際中冶金工業(yè)溫度變化快，不能及時(shí)達(dá)到所需的工業(yè)生產(chǎn)溫度而使成品率降低。為了解決上述問(wèn)題，以時(shí)間和溫度為控制參量，提出一套冶金工業(yè)中模糊自適應(yīng)PID控制算法來(lái)對(duì)產(chǎn)品升溫、保溫、降溫進(jìn)行控制，來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量并節(jié)約成本。

1 項(xiàng)目概括

模糊自適應(yīng)PID控制算法是一種最優(yōu)控制的算法，在冶金工業(yè)中，冶金產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量難以提高的原因即沒(méi)有一種可靠的、高效的生產(chǎn)方案，而本文提出的模糊自適應(yīng)PID控制算法，使得冶金工業(yè)生產(chǎn)的狀態(tài)效率可以時(shí)刻處在一個(gè)超高水準(zhǔn)。本文所論述的控制算法，可以使得冶金系統(tǒng)根據(jù)一定被測(cè)量量，而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化調(diào)節(jié)、優(yōu)化。而運(yùn)用傳統(tǒng)的PID控制算法，將導(dǎo)致由于設(shè)計(jì)程序太過(guò)詳細(xì)而導(dǎo)致PID控制難以實(shí)現(xiàn)。

在冶金工業(yè)中，其工藝要求精準(zhǔn)、快速、恒溫，并且特定的工藝制作需要操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)[1]。溫度是時(shí)間的函數(shù)，對(duì)產(chǎn)品提高溫度、恒定溫度、降低溫度所應(yīng)該具備的控制模式也各不相同。本文提出的模糊自適應(yīng)PID控制算法很好的解決了操作者經(jīng)驗(yàn)、溫度、時(shí)間多參量的算法控制以及高溫度、恒定溫度、降低溫度這幾種模式中的在線(xiàn)變換問(wèn)題。

2 冶金工業(yè)中的模糊自適應(yīng)PID控制算法

2.1 冶金溫度控制要求及傳統(tǒng)PID的缺陷

為了驗(yàn)證算法的有效性，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。將冶金溫度按照工藝需求設(shè)置進(jìn)行多次變化，溫度變化區(qū)間為室溫（25攝氏度）至1000攝氏度，時(shí)間長(zhǎng)度為6小時(shí)。傳統(tǒng)PID算法溫控后的溫度曲線(xiàn)如圖1所示。圖中各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)的采集，所用的是冶金工業(yè)用記錄儀，記錄儀是一種半機(jī)械裝置，記錄的溫度數(shù)據(jù)可靠。由此可見(jiàn)，基于傳統(tǒng)PID對(duì)冶金溫度變化體系偏差的比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算中，積分（I）雖然可將體系靜態(tài)誤差去除，提高控制系統(tǒng)無(wú)差度，但它可能對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定、搖擺等風(fēng)險(xiǎn)，并且，系統(tǒng)產(chǎn)生的大量累計(jì)誤差無(wú)法消除。

2.2 PID多參數(shù)輸入混合運(yùn)算

該模糊自適應(yīng)PID控制算法基于ST公司產(chǎn)的STM32F103RBT6芯片，根據(jù)實(shí)際操作情況，驗(yàn)證了本文算法的可靠性。

系統(tǒng)首先讀入預(yù)先設(shè)計(jì)好的工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)溫度變化，系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器和自身時(shí)鐘分別獲取當(dāng)前的溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)，并與提前讀入的目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)比對(duì)，由此將傳感器的溫度數(shù)據(jù)和目標(biāo)溫度一起進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分運(yùn)算（D）。并利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，即是將古典的PID控制與先進(jìn)的專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最佳控制策略[2]。

2.3 PID參數(shù)的模糊自適應(yīng)調(diào)整

冶金工業(yè)中對(duì)于溫度控制，在各個(gè)階段的方式、要求并不相同，古典的方式是依靠冶金操作人員的經(jīng)驗(yàn)控制，因?yàn)橐苯鸸I(yè)的從業(yè)者經(jīng)驗(yàn)不能夠簡(jiǎn)單描述，在對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程中溫度、時(shí)間等參量和評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不能用定量表示，因此利用模糊理論是解決這一問(wèn)題的有效途徑。自適應(yīng)模糊PID溫度控制器以溫度誤差e和溫度誤差變化e關(guān)于t的一階導(dǎo)數(shù)作為輸入，可以滿(mǎn)足不同時(shí)刻的溫度e和溫度誤差變化e關(guān)于t的一階導(dǎo)數(shù)對(duì)PID參數(shù)自適應(yīng)的要求，利用模糊控制規(guī)則在線(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。PID參數(shù)模糊自適應(yīng)是找出PID三個(gè)參數(shù)與溫度e和溫度誤差變化e關(guān)于t的一階導(dǎo)數(shù)之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)e和溫度誤差變化e關(guān)于t的一階導(dǎo)數(shù)，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同e和溫度誤差變化e關(guān)于t的一階導(dǎo)數(shù)對(duì)控制參數(shù)的要求，而時(shí)冶金溫度控制有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

3 結(jié)論

應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID控制算法后，實(shí)現(xiàn)了良好的冶金溫度控制，如圖2冶金溫度采集數(shù)據(jù)圖所示，如圖可見(jiàn)，系統(tǒng)所控制的溫度在測(cè)試的6小時(shí)內(nèi)，圍繞目標(biāo)溫度穩(wěn)定變化。冶金的溫度控制過(guò)程要求準(zhǔn)確、迅速、恒溫，而冶金所用的各種爐都是具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，升降溫對(duì)于古典PID控制具有嚴(yán)重滯后性，該算法對(duì)溫控系統(tǒng)有了很大的改善。

以上PID模糊自適應(yīng)算法是基于古典PID算法的改進(jìn)，在冶金工業(yè)中，運(yùn)用線(xiàn)代控制理論在線(xiàn)辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，可以減輕冶金溫度隨著負(fù)荷變化及干擾因素影響。如此，提高了系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、可靠性等，此種對(duì)冶金溫度的精確控制可廣泛應(yīng)用于冶金的高質(zhì)量加工工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]李洪桂.冶金原理[M].2005.

[2]王燕平.自動(dòng)控制原理[M].2015.