PID算法的爐窯溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探討

1、PID 算法的爐窯溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探討摘要：在我國(guó)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(duì)控制調(diào)節(jié)器有著極高的要 求，以應(yīng)對(duì)控制滯后、參數(shù)多變、工況復(fù)雜和運(yùn)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(duì) 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(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1007-9416（2015）02-0000-00我國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

2、，國(guó) 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(shí)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(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。要想實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)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

3、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(shí)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(duì)控制器的要求 當(dāng)生產(chǎn)過程中的被控變量與設(shè)計(jì)要求不一致時(shí)，可以通 過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)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(yùn)算，將最終輸

4、出信號(hào) 運(yùn)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(hào)隨輸入信號(hào)而變化，是依據(jù)人工操作經(jīng)驗(yàn)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?yàn)?PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)是過去的狀態(tài)會(huì) 影響以后的每一

5、次輸出，計(jì)算時(shí)要對(duì)第 n 次采樣時(shí)刻的輸入 偏差量進(jìn)行累加，加大了計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量。而計(jì)算機(jī)的輸 出和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)影 響該次采樣時(shí)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(diǎn)，自動(dòng)或手動(dòng)切換時(shí)沖擊小，有助于無擾動(dòng)切 換的實(shí)現(xiàn)，且動(dòng)作錯(cuò)誤時(shí)影響較小，可使用邏輯判斷方法去 除。同時(shí)在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)，可以鎖存執(zhí)行裝置和輸出通 道的信號(hào)，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(yàn)豐富完整，且應(yīng)用范圍廣適應(yīng)性極強(qiáng)，對(duì)大多數(shù)過 程都

6、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(xiàng)系數(shù)是常數(shù)的原 因，所以當(dāng)趨于設(shè)定值的時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)整個(gè)的控制被控量， 其積分項(xiàng)累加的增量并沒有變化。但出于對(duì)穩(wěn)定性的考慮， 系統(tǒng)要求積分項(xiàng)所對(duì)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(shí)間消除靜差上又不能起到作用。但若積分系數(shù)過大， 則會(huì)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(duì)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

7、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(shí) 踐和研究重點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)移到單入單出被控對(duì)象、多入多出被控對(duì) 象、PID控制技術(shù)。單入單出控制對(duì)象需要增強(qiáng)抗干擾、初 始化和魯棒性能，采用簡(jiǎn)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(duì)象則需對(duì)分散繼電反饋方法進(jìn)行 完善，盡量減少先驗(yàn)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(jì)劃設(shè)定， 具有自動(dòng)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(shí)際應(yīng) 用上，若是被

8、控對(duì)象的主要指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，那么就 沒有問題。 所以，采用經(jīng)驗(yàn)法， 也就是通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)、 試湊，調(diào)整到恰當(dāng)?shù)闹导纯?。該方法既?jiǎn)單又可行，而且對(duì) 操作者來說還能保證安全，省力省時(shí)，對(duì)實(shí)際過程影響小。正常情況下， 對(duì)過程曲線的觀察的同時(shí)， 作者一般試湊兩次， 即可達(dá)到理想的狀態(tài)。5 結(jié)語(yǔ) 我國(guó)作為使用爐窯最多的國(guó)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(duì)改善成品質(zhì)量有一定意義，對(duì) 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。參考文獻(xiàn)1 伍萍輝，王迎旭，唐勇奇 .基于 LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線的 回轉(zhuǎn)窯分解爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.半導(dǎo)體技術(shù)，