基于增量型ＰＩＤ控制的烘箱自動控溫系統

摘要：應變片粘結劑的固化、光彈試件的澆鑄和固化等過程都需要電阻絲加熱型烘箱嚴格按照給定的升溫、保溫和降溫（不低于室溫）折線進行精確的升溫、保溫和降溫過程。烘箱自動控溫系統根據PID調節的自動控制原理，并考慮到被控對象大慣性、大遲延的特點，采用Smith補償提高系統的自動控制品質，實現了烘箱溫度自動測控。運行結果表明，烘箱自動控溫系統可靠性強，精度高，完全滿足生產要求。

關鍵詞：烘箱；自動控溫；PID；Smith補償

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)26-1651-03

An Oven Temperature Autocontrol System Based on Incriment PID Control

DU Zhong1 ， BAI Zhi-gang2

(1.School of Computer Science and Technology， Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010， China; 2.The Air Force Military Representative Office Resident in Chengdu Region，Chengdu 610041， China )

Abstract：These occasions need resistance wire heating oven to accurately control temperature according to the polyline which includes process of warm heating，holding and descenting， so long as the temperature not less than room temperature， which include solidfying of agglomerant on strain gage， casting of optics elastomeric test pieces or solidfying，etc. The oven temperature autocontrol system was based on PID adjustment control theory.considering the large object inertia and characteristics of delay， Smith compensation has been used for this system to increase the autocontrol quality. The runing results show that this system can fully meet the work requirements with high reliability and high precision.

Key words: oven; temperature autocontrol; PID; Smith compensation

1 前言

應變片粘貼后粘貼劑的固化、光彈試件的澆鑄和固化等過程都需要電阻絲加熱型烘箱嚴格按照給定的升溫、保溫和降溫（不低于室溫）折線進行升溫、保溫和降溫過程。在此之前，烘箱已使用了近三十年，都是利用溫控儀和人工跟蹤控溫，但烘烤的環氧樹脂光彈試件因超溫或溫度不足導致的報廢現象時有發生。烘箱經常加熱時間長達數周需要專人監守，造成極大的人力消耗。就控制過程來說，由于純遲延的存在，且烘箱尺寸也較大，因此，這樣的過程必然會產生較明顯的超調量和較長的調節時間。使得過程中的相位滯后，可能引起系統的不穩定和被調量超過安全限，從而危及試件及設備。因此，為了提高烘箱的可靠性和精度，減少人力和物力消耗，我們自行研制了基于增量型PID控制的烘箱自動控溫系統。

2 控制系統的方案設計

烘箱自動控溫系統的組成框圖如圖1所示。該控制算法采用了增量型PID算式與Smith預估補償算式。系統采用的控制輸出方式是控制烘箱加熱電阻絲通斷的組數和通斷的時間。在系統實施時要考慮以下幾方面。

1）被控對象動態特性：在本系統被控對象的通道中，輸入量是電阻絲的通斷開關量，輸出量是烘箱內的空氣溫度。由操作經驗和離線辨識可知，該通道具有大慣性、大遲延性質，而且在不同加熱階段特性參數變化很大。這是確定控制規律的依據。

2）檢測儀表及調節器：按照控制要求選擇烘箱內的多處空氣溫度的平均值為被調量，以鎳鉻熱電偶和精密室溫傳感器為測溫元件，選用FQ54X-40型繼電器為調節器。

3）控制算法：為適應溫度給定值為折線的情況，實際值-理論值> ±5℃時采用開關量控制，即全開或全閉；實際值理論值≤±5℃時采用增量型PID控制算式。考慮到被控對象大慣性、大遲延的特點，在控制軟件設計中提供Smith預估補償控制。

4）控制輸出方式：采用PWM方式即控制每單位時間通過的脈沖寬度來控制繼電器通斷組數和通斷時間的長短。

5）計算機硬件設計：從可靠性和性能價格比考慮，主機選用淘汰的IBM-386微型計算機（其可靠性和運算能力、運算速度經測試完全滿足使用要求）。并配備IBM-PC XT/AT總線兼容的積分型高精度數據采集板作為專用輸入輸出接口，包括多路開關、信號預處理、A\\D接口、開關量輸出接口等。溫控儀用作限溫裝置，必要時將自動切斷電源。

6）計算機軟件設計：軟件部分應包括：

①常規過程控制，如采樣、溫度檢測、控制運算、輸出等。②溫度給定值時間特性折線生成及修改程序③系統啟動、重啟動程序。④調節參數修改程序。

其程序流程圖如圖2所示：

3 控制算法設計

針對被控對象的大慣性和大遲延的特性，控制算法采用了兩種控制算式：PID算式和Smith補償控制算式。PID控制是儀表過程控制系統應用最為廣泛的一種控制規律。由于PID技術最成熟，它不要求被控對象的數學模型，控制效果好，為此我們采用了PID控制算式。

1）PID算式加特殊處理

采用增量型PI控制算式，計算機的輸出是增量Δu(k)：

式中e(k)=θr(k)-θ(k) ，其中θr(k)為第K個采樣周期的給定溫度值；θ(k)為第K個采樣周期的實測溫度值。采用擴充臨界比例度法對系統參數T0、Kr 、T1和TD 進行整定，可獲得較滿意的控制效果。

根據被控對象的特點，在PID算式的基礎上附加以下的特殊處理：

①|實測溫度值－給定溫度值|>5℃時，采用開關量控制。

②|實測溫度值－給定溫度值|≤5℃時:在保溫階段，θr(k)不變，采用增量型PI控制算式；在升溫和降溫階段采用增量型PID控制算式。

③對Δu(k)和電阻絲通斷組數進行限幅。

2）Smith 補償控制算式

由于本系統為大遲延系統，本設計采用了廣泛應用的Smith預估補償方法對其動態特性進行補償，使調節器提前動作，從而明顯地減小超調量和加速調解過程。

其相應的差分方程為

當控制部分采用式（3-1）的PID算式時：

也就是說，Smith補償控制算式即是將給定溫度減去采樣溫度與補償器輸出ys(k)之和，然后作為e(k)代入PID算式計算增量輸出Δu(k)。將以上兩種算式組合成一個控制算法函數，可根據不同狀態參數進行調用。這樣就明顯提高了PID的控制品質。

4 控制效果

實際運行證明烘箱自動控溫系統獲得良好的技術和經濟效益：

①可靠性強。運行半年來，無任何故障發生。

②可準確控制升溫、保溫和降溫過程，誤差為±1℃。

③極大地節約了人力和物力。實現了無人監控且所有光彈試件質量合格率高達100%。

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