基于灰色PID控制的工業加熱爐溫控研究

諸天逸　朱慧

摘 要：灰色PID智能控制算法能夠在工業加熱爐這個復雜非線性的系統中，改善控制性能并提高魯棒性，確保了溫度控制的穩定、準確、快速，大大提高了工業生產的效率和成品率。

關鍵詞：工業加熱爐；灰色控制；PID控制；溫度控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.027

0 前言

溫度控制是工業加熱爐的一個技術難題，因工業加熱爐本身具有的爐溫度慣性較大、溫度變化緩慢、系統滯后性嚴重、時變等特點，而工業要求的溫度一旦達到并超過所需要的溫度，那么就無法采用控制手段使其降溫，所以，溫度控制需要非常精確，它與任何物化變化都相關。因此，工業加熱爐的溫度控制在工業制造中具有極其重要的地位，也就需要不斷優化控溫方案，以求獲取最佳的經濟效益。

1 項目概括

本文提出的灰色PID控制算法是能夠處理不確定量，它需要的要求少，移植性好、計算靈活易行，對不確定部分建立灰色模型，利用它來控制系統中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質量及其魯棒性[1]。

在加熱爐溫度控制中，溫度是時間的函數，基于灰色PID控制的工業加熱爐閉環控制，其中一部分是對當前工業生產中加熱爐溫度的實時測量，另一部分是通過灰色預測器對不確定溫度部分進行的估計，通過調節兩部分信號的權重值Kr和Kg，分別進行估計，可以實現對總體溫度的補償，從而達到灰色控制的效果。

2 灰色PID控制算法

2.1 傳統加熱爐溫度控制

普通的加熱爐溫度控制利用PID控制算法，由于此算法較容易、魯棒性較好、可靠，常常在加熱爐溫度控制系統中應用，但是對于非線性、時變的、不確定的、和純時間滯后的加熱爐溫度控制系統來說，難以建立準確的溫控數學模型，用PID算法的效果不是很理想，微分所用的效果要等溫度偏離目標溫度很多時才起作用，這種事后控制方式不能解決系統的超調問題。鑒于此，本文有必要提出一種基于灰色PID控制的工業加熱爐溫度控制方案，以灰色理論為基礎，對系統不確定部分進行灰色建模及灰色預估補償，使控制系統的灰度得到一定成都的白化，提高了對工業加熱爐溫度的有效控制[2]。

2.2 灰色PID控制建模計算

灰色PID控制系統核心基于ST公司的STM32F103RBT6芯片，具體驗證了灰色PID智能算法的合理性。

加熱爐控制系統根據預先設定的溫度和時間，基于起始溫度，生成灰色控制數列。首先建模，用預先設定的溫度數據生成數列并建立微分方程，灰色控制系統的研究中，將原始數據進行計算處理，亦即數的“生成”，當中為了增強規律性，弱化隨機性而采用累加生成。

2.3 灰色PID加熱爐溫度控制

由于工業加熱爐系統是一個復雜的非線性不確定系統，為了減弱不確定部分的影響，改善控制性能并提高魯棒性，在溫度控制器啟動過程中，首先要用灰色估計器將不確定部分模型參數V粗略地估計出來，然后對系統進行一定程度的灰色補償，由于這種灰色補償不要求連續實時地進行，所以不存在通常實時辨識中存在的數據發散問題。

溫控系統中的灰色估計器的PID控制方法分為兩個階段。首先采用PID進行溫控，對不確定部分的模型參數V進行估計，其次在上述控制規律基礎上，按照估計參數加上補償控制，此時系統性能將大為改善，魯棒性大為提高。

3 結論

應用灰色PID控制算法后，實現了良好的加熱爐溫度控制，利用記錄儀記錄的數據溫度沿著預先設定的溫度穩定變化，有效地消除了傳統PID微分的滯后性，使得工業加熱爐溫度控制超調的問題得到深度的改善。

以上基于灰色PID控制的工業加熱爐溫度控制算法是傳統PID算法的深度改進版本，在工業加熱爐溫度控制的應用中良好的實現了對溫度的準確、穩定、快速的控制要求，結合工業加熱爐具體工藝要求，可以使系統精確升溫、恒溫、降溫，從而保證系統有充足實現過渡，確保設備和工作人員的安全，也大大提高了工業生產的效率和成品率。

參考文獻：

[1]秦剛.基于灰色PID控制的智能車差速轉向系統研究[J].2015.

[2]李永泰.工業加熱爐控制方法研究[J].2010.