大型工業(yè)溫控設(shè)備的自動化控制模型改進

周樹軍

摘要：大型工業(yè)設(shè)備是工廠日常生產(chǎn)過程中的重要保障，能夠促進工業(yè)生產(chǎn)和加工。傳統(tǒng)的溫度控制模型通常采用開關(guān)或PID控制，但是對于大型設(shè)備的溫度控制缺乏穩(wěn)定性和精確性，并且沒有實現(xiàn)完全自動化，需要大量的人工消耗?；诖?，本文提出了一種大型工業(yè)溫控設(shè)備的自動化控制改進模型，將模糊自適應(yīng)PID技術(shù)、卡爾曼濾波算法共同應(yīng)用在統(tǒng)一溫控系統(tǒng)中，再經(jīng)過建立大型工業(yè)設(shè)備控制數(shù)據(jù)模型建立模糊規(guī)則，從而形成模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中加入卡爾曼濾波算法，從而使整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果得到保障。

關(guān)鍵詞：大型工業(yè);溫控設(shè)備;自動化控制模型;改進

在大型工業(yè)的日常生產(chǎn)中，其溫控設(shè)備必須保證控制在規(guī)定的壓強和溫度，尤其是對溫度的控制，過高的溫度極易造成設(shè)備在高壓下引發(fā)爆炸，產(chǎn)生生產(chǎn)事故，給企業(yè)和人們的生命安全帶來巨大的損失。本文提出的模糊自適應(yīng)大型工業(yè)設(shè)備的PID控制系統(tǒng)和卡爾曼濾波算法，具有較強的穩(wěn)定性，完全能夠做到精確控制，提高了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，從而保證使大型工業(yè)正常生產(chǎn)運營，并在一定程度上節(jié)約了工業(yè)生產(chǎn)成本。

1 大型工業(yè)設(shè)備溫控的特點

通常情況下大型工業(yè)設(shè)備都具有較大的體積，因此為了使大型工業(yè)設(shè)備內(nèi)部的濕氣全部排出，很多大型企業(yè)都會在設(shè)備底部安裝排濕風(fēng)扇進行排濕。這種排濕風(fēng)扇能夠根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計要求進行工作，并將濕氣通過大型工業(yè)設(shè)備的頂部安裝的煙囪進行排濕。由于在濕氣排出的過程中會受到氣流擾動的影響，因此大型工業(yè)溫控系統(tǒng)具有較強的復(fù)雜性。該溫控系統(tǒng)的特點主要有：該溫度控制會在很大程度上受到大型工業(yè)溫控設(shè)備體積的影響，是一個具有超級滯后、大慣性的系統(tǒng)，因此在正常的降溫過程中會存在諸多不確定因素。另外，熱氣在排放過程中會受到水分含量和環(huán)境參數(shù)模型的影響，會因為水分含量不同和環(huán)境參數(shù)不一致而造成較大的溫度控制難度。

2 大型工業(yè)電加熱裝置與溫控數(shù)學(xué)模型

通常情況下，大型工業(yè)溫控設(shè)備中會廣泛采用電加熱裝置，電加熱裝置的特點是容易實現(xiàn)溫度的自動控制，設(shè)備簡單，安裝維修方便，但加熱速度較慢，不能實現(xiàn)快速冷卻。電加熱裝置能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，并可根據(jù)加熱的工藝要求實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱），容易實現(xiàn)真空加熱和控制氣氛加熱。在電加熱過程中，產(chǎn)生的廢氣、殘余物和煙塵少，可保持被加熱物體的潔凈，不污染環(huán)境。大型工業(yè)溫控系統(tǒng)可以通過一階固定范圍慣性后環(huán)節(jié)模型，用公式表示為：。其中，K表示大型工業(yè)設(shè)備靜態(tài)增益，T表示控制系統(tǒng)的時間系數(shù)，t為控制溫度滯后時間。

3 PID原理和常規(guī)PID溫度控制

3.1 PID原理和特點

在大型工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分和微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器具備結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便的特點，從而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，主要利用比例、積分和微分計算出控制量進行控制。

3.2 常規(guī)PID溫度控制

PID控制是現(xiàn)階段大型工業(yè)溫控設(shè)備廣泛采用的方法，將被控對象溫度的比例通過線性組合進行調(diào)節(jié)控制。常規(guī)數(shù)字算法PID控制算法用公式表示為。公式中溫控系統(tǒng)采樣周期。PID控制在實際的大型工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)過程中溫度系統(tǒng)非線性，控制過程時變性不穩(wěn)定性存在，數(shù)學(xué)模型不易建立，控制效果很難達到實際的生產(chǎn)要求。

4 模糊自適應(yīng)PID溫控系統(tǒng)

自適應(yīng)PID溫控系統(tǒng)與常規(guī)的控制方法相結(jié)合，將模糊控制中的模糊思想、PID常規(guī)控制結(jié)合，將控制誤差轉(zhuǎn)變成模糊推理機制，然后再介入到大型工業(yè)溫控設(shè)備中，對線性參數(shù)自動提高魯棒性。

4.1 模糊自適應(yīng)溫控原則

在大型工業(yè)設(shè)備溫控過程中，若果誤差e較小，則在溫度控制方面需要取較大的K_P 值，從而減少在大型工業(yè)設(shè)備中的震蕩的出現(xiàn)，保持大型工業(yè)設(shè)備的正常穩(wěn)定運行。若果誤差在e和ec之間時，應(yīng)該較小的調(diào)整整個大型工業(yè)設(shè)備溫度K_P值，保證大型工業(yè)的響應(yīng)速度。K值的大小要根據(jù)實際情況來定，太大太小都會直接影響到整個系統(tǒng)。具體算法數(shù)值算法公司表示為：。其中為溫度輸出值元素，為溫控過程系統(tǒng)判定值隸屬度。

4.2 卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法是一種高效率的遞歸濾波器（自回歸濾波器），它能夠從一系列的不完全及包括噪聲的測量中估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)?？柭鼮V波實質(zhì)是由量測值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以預(yù)測、實修、修正的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測值從被污染的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來面目。在大型工業(yè)溫控系統(tǒng)中加入卡爾曼濾波算法，主要用以產(chǎn)生線性參數(shù)，其具體的方程離散域線性計算方法為：。公式中為協(xié)方差，為溫控增益系數(shù)，為經(jīng)過卡爾曼濾波修正的控制信號。

5 結(jié)論

在大型工業(yè)溫控系統(tǒng)中提出一種溫控設(shè)備的自動化控制改進模型，將模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)、卡爾曼濾波算法共同應(yīng)用在同一個系統(tǒng)模型中，通過建立大型工業(yè)設(shè)備控制數(shù)據(jù)模型，將適合于設(shè)備運行的溫度控制系統(tǒng)，與模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)相結(jié)合，建立模糊規(guī)則，完成模糊自適應(yīng)大型工業(yè)設(shè)備的PID控制系統(tǒng)，加入卡爾曼濾波算法，使大型工業(yè)的整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。

實驗表明，本文對大型工業(yè)溫控設(shè)備的自動化控制模型，具有很強的穩(wěn)定性，在一定程度上保證了大型工業(yè)日常的生產(chǎn)運營。該自動化控制模型控制溫度效果明顯，大大降低了大型工業(yè)生產(chǎn)成本，有廣泛的應(yīng)用空間。

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