PID算法的爐窯溫度控制系統實現探討

1、PID 算法的爐窯溫度控制系統實現探討摘要：在我國的機械、冶金、電子等工業(yè)領域中，溫 度控制系統有著廣泛的應用，且對控制調節(jié)器有著極高的要 求，以應對控制滯后、參數多變、工況復雜和運行慣性大等 狀況的發(fā)生。 本文通過介紹爐窯的溫度控制系統、 PID 算法， 并對 PID 算法提出改進及參數調整，使其展現更好的控制性 能，更適合處理復雜多變的溫度控制系統。關鍵詞：溫度控制系統 PID 算法 爐窯 中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1007-9416（2015）02-0000-00我國的工業(yè)企業(yè)從上世紀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算機技術的發(fā)展

2、，國 內外的溫度控制器得到了很大的改進，提升了性能和可控力， 形成了智能化PID、自適應控制、模糊控制、神經網絡控制 等商品化溫度調節(jié)器。1 爐窯的溫度控制系統 爐窯保持窯內溫度的主要方法是利用燃料在空氣中燃 燒所產生的熱量。在實際生產過程當中，不僅要盡量提高燃 燒效率，減少污染，最大限度地控制窯內溫度，而且要保證 爐窯工藝運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。要想實現以上兩個質量標準的 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，這是達到工藝要求的一種 手段，達到工

3、藝要求的其他中間產物指標或生成物和混合物 的質量指標。爐窯的溫度是控制系統的被控變量，燃料的流 量是操縱變量。只有保證進窯的空氣和燃料比例合適才能維 持正常燃燒，而在實際燃燒情況則要依據爐窯出煙的氧含量 作為判斷標準。溫度控制系統可以提高熱效率，保證煤氣充 分燃燒和空氣系數合理穩(wěn)定，為爐窯焙燒提供所需熱量。2 爐窯溫度控制系統對控制器的要求 當生產過程中的被控變量與設計要求不一致時，可以通 過控制器實現對執(zhí)行器的控制，改變被控變量屬性，使之達 到生產要求，由此可見，控制器是控制系統的核心元件，可 以檢測閉環(huán)控制系統中被控變量的設定值和變送環(huán)節(jié)傳遞 的信息，并通過比較得到偏差值進行運算，將最終輸

4、出信號 運作在執(zhí)行器上?？刂破鞯目刂埔?guī)律嚴重影響控制質量，其 輸出信號隨輸入信號而變化，是依據人工操作經驗的基礎總 結模仿而來。比例（P）、積分（I）和微分（D）是控制器的基本控制 規(guī)律，因為 PID 控制器結構簡單且易于操作，所以如今大多 數爐窯仍使用 PID 控制結構。 PID 基本數字算法包括增量式 和位置式兩種，由于基本算法不能滿足多數控制系統控制要 求，又出現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改進算法。位置式PID控制算法和增量式 PID控制算法統稱為數字PID控制算法。位置式 PID控制算法的缺點是過去的狀態(tài)會 影響以后的每一

5、次輸出，計算時要對第 n 次采樣時刻的輸入 偏差量進行累加，加大了計算機運算工作量。而計算機的輸 出和執(zhí)行機構的實際位置相對應，在計算機出現故障時會影 響該次采樣時刻的控制器輸出值，進而導致執(zhí)行機構位置的 大幅度變化，所以產生了增量式PID算法。增量式PID控制具有很多優(yōu)點，自動或手動切換時沖擊小，有助于無擾動切 換的實現，且動作錯誤時影響較小，可使用邏輯判斷方法去 除。同時在計算機出現問題時，可以鎖存執(zhí)行裝置和輸出通 道的信號，使其保存原值，但此算法存在靜態(tài)誤差，積分截 斷效應大。 PID 控制使用方便， 其公式具有明確的物理意義， 應用經驗豐富完整，且應用范圍廣適應性極強，對大多數過 程都

6、具有極好的魯棒性和控制效果。3 PID 控制算法的改進在原有的 PID 控制理論中， 由于積分項系數是常數的原 因，所以當趨于設定值的時間時，系統整個的控制被控量， 其積分項累加的增量并沒有變化。但出于對穩(wěn)定性的考慮， 系統要求積分項所對應的系統積分作用的強弱，要與系統偏差的大小構成反比關系。如果積分系數取值過小的話，系統 在短時間消除靜差上又不能起到作用。但若積分系數過大， 則會發(fā)生反面效應，隨之而來的就是超調量過大，甚至于積 分飽和現象。因此，若是能夠保證積分累加的速度，可以隨 著系統偏差情況的改變而改變，那么對于提高系統品質以及 控制質量是非常重要的。根據這樣的需要，在原有的PID 算法

7、基礎上加以改進，產生了變速積分 PID 算法。就現在 PID 參數整定的應用和研究現狀來看，日后的實 踐和研究重點會轉移到單入單出被控對象、多入多出被控對 象、PID控制技術。單入單出控制對象需要增強抗干擾、初 始化和魯棒性能，采用簡單的操作和少量的過程信息整定 PID參數；多入多出被控對象則需對分散繼電反饋方法進行 完善，盡量減少先驗信息量，方便在線整定多變量 PID參數； 智能 PID 控制技術是結合自整定、自適應和增益計劃設定， 具有自動診斷功能。4 PID參數設定PID 控制參數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、作用之下產生的。在實際應 用上，若是被

8、控對象的主要指標能夠滿足設計要求，那么就 沒有問題。 所以，采用經驗法， 也就是通過實際經驗來調節(jié)、 試湊，調整到恰當的值即可。該方法既簡單又可行，而且對 操作者來說還能保證安全，省力省時，對實際過程影響小。正常情況下， 對過程曲線的觀察的同時， 作者一般試湊兩次， 即可達到理想的狀態(tài)。5 結語 我國作為使用爐窯最多的國家之一，如何提高溫度控制 系統的智能性得到了業(yè)內人士的廣泛關注。本文在分析窯況 的基礎上，介紹了在原有 PID 算法基礎上改進而來的變速積 分 PID 算法，以及其在爐窯溫度控制系統中的應用中獲得的 一系列成果。以上分析對改善成品質量有一定意義，對 PID 算法提出改進及參數調整，使其展現更好的控制性能，更適 合處理復雜多變的溫度控制系統，從而可以提高爐窯的工作 效率。參考文獻1 伍萍輝，王迎旭，唐勇奇 .基于 LonWorks 現場總線的 回轉窯分解爐控制系統設計J.半導體技術，