基于改進(jìn)PID算法的加熱爐溫度控制研究

熊昌炯，王春榮，夏爾冬

（三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004）

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國家的重要產(chǎn)業(yè)，在鋼鐵的生產(chǎn)過程中，加熱爐溫度的控制對鋼坯質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的影響。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)業(yè)已經(jīng)朝著高速化、自動化、智能化等方向發(fā)展，這要求加熱爐在操作與控制等方面具有更高的精度。但是，由于加熱爐熱容量巨大、鋼坯溫度檢查困難、爐溫具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)干擾性、滯后性和時(shí)變性等特點(diǎn)，這給建立爐溫?cái)?shù)學(xué)模型帶了巨大的困難。PID控制算法具有原理簡單、控制效果好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。因此，本文引入PID控制算法對加熱爐的溫度進(jìn)行控制，并且為了提高PID控制算法的效果，提出了改進(jìn)自適應(yīng)模糊PID控制算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的算法具有較好的控制效果。

1 控制算法

1.1 PID控制算法

PID算法是控制領(lǐng)域中一種典型的、實(shí)用性強(qiáng)的控制算法，其主要以線性控制器為主。算法的主要思想是通過計(jì)算初始設(shè)定值與反饋環(huán)節(jié)獲取的實(shí)際輸出值的偏差e(t)，并調(diào)節(jié)比例系數(shù)k、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd，使得實(shí)際輸出值等于設(shè)定值，其算法框圖如圖1所示。

根據(jù)圖1中所示，傳統(tǒng)的PID控制算法的核心為：

圖1 PID算法框圖

可得其傳遞函數(shù)為：

設(shè)k為系統(tǒng)的采樣序號，則e(k)為第k時(shí)刻的偏差信號。因此可將離散PID描述為：

1.2 改進(jìn)自適應(yīng)模糊PID控制算法

模糊控制可以在無人為干預(yù)的情況下自主地適應(yīng)外界的變化，適用于被控對象無明確數(shù)學(xué)模型且具有非線性與滯后性等。其主要是通過系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)采集過程狀態(tài)信息，并能在線辨別、自學(xué)習(xí)，從而自動修正PID參數(shù)，使得系統(tǒng)能迅速跟隨外界環(huán)境的變化而變化。其算法框圖如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊PID算法框圖

不完全微分PID控制算法可以克服微分作用引起的高頻干擾，其通過慣性環(huán)節(jié)以抑制高頻帶來的影響，其傳遞函數(shù)可以描述為：

對式（4）離散處理可得：

當(dāng)uP(k)和uI(k)不變，而uD(k)變化時(shí)，可得：

利用差分計(jì)算近似微分計(jì)算，可得：

2 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)自適應(yīng)模糊PID控制算法的有效性，以爐溫的設(shè)定值和檢測的實(shí)際溫度差值作為輸入變量誤差。加熱爐的設(shè)定溫度為1100℃，將采集的溫度送至PC端后對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，從而獲得新的kp、ki、kd。圖3和圖4分別為傳統(tǒng)PID控制算法與本文控制算法獲得的響應(yīng)曲線圖。

圖3 傳統(tǒng)PID控制算法

圖4 改進(jìn)自適應(yīng)模糊PID控制算法

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的PID控制算法具有響應(yīng)慢、超調(diào)大以及所需要的用時(shí)長等缺點(diǎn)，而本文提出的算法不僅具有較小的超調(diào)量和較快的響應(yīng)速度，而且穩(wěn)態(tài)誤差也比較小，表明了算法的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

為提高鋼坯的生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制算法。通過實(shí)驗(yàn)室測試，當(dāng)爐溫目標(biāo)溫度為1100℃時(shí)，傳統(tǒng)的PID控制算法響應(yīng)較慢、超調(diào)較大而且需要較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而本文提出的算法具有較小的超調(diào)量、較快的響應(yīng)速度、較小的穩(wěn)態(tài)誤差，表明本文的算法可以使PID參數(shù)可以自適應(yīng)地進(jìn)行修正，提高算法的控制效果。