基于改進PID算法的加熱爐溫度控制研究

熊昌炯，王春榮，夏爾冬

（三明學院機電工程學院，福建 三明 365004）

鋼鐵產業是國家的重要產業，在鋼鐵的生產過程中，加熱爐溫度的控制對鋼坯質量和生產經濟效益具有重要的影響。隨著現代制造技術的發展，鋼鐵產業已經朝著高速化、自動化、智能化等方向發展，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、爐溫具有強非線性、強干擾性、滯后性和時變性等特點，這給建立爐溫數學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，被廣泛地應用于各種控制領域。因此，本文引入PID控制算法對加熱爐的溫度進行控制，并且為了提高PID控制算法的效果，提出了改進自適應模糊PID控制算法，實驗結果表明，改進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算法是控制領域中一種典型的、實用性強的控制算法，其主要以線性控制器為主。算法的主要思想是通過計算初始設定值與反饋環節獲取的實際輸出值的偏差e(t)，并調節比例系數k、積分系數ki、微分系數kd，使得實際輸出值等于設定值，其算法框圖如圖1所示。

根據圖1中所示，傳統的PID控制算法的核心為：

圖1 PID算法框圖

可得其傳遞函數為：

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

1.2 改進自適應模糊PID控制算法

模糊控制可以在無人為干預的情況下自主地適應外界的變化，適用于被控對象無明確數學模型且具有非線性與滯后性等。其主要是通過系統的運行狀態采集過程狀態信息，并能在線辨別、自學習，從而自動修正PID參數，使得系統能迅速跟隨外界環境的變化而變化。其算法框圖如圖2所示。

圖2 自適應模糊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，其通過慣性環節以抑制高頻帶來的影響，其傳遞函數可以描述為：

對式（4）離散處理可得：

當uP(k)和uI(k)不變，而uD(k)變化時，可得：

利用差分計算近似微分計算，可得：

2 結果分析

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

圖3 傳統PID控制算法

圖4 改進自適應模糊PID控制算法

分析實驗結果可以發現，傳統的PID控制算法具有響應慢、超調大以及所需要的用時長等缺點，而本文提出的算法不僅具有較小的超調量和較快的響應速度，而且穩態誤差也比較小，表明了算法的優越性。

3 結語

為提高鋼坯的生產質量和經濟效益，設計了一種自適應模糊PID控制算法。通過實驗室測試，當爐溫目標溫度為1100℃時，傳統的PID控制算法響應較慢、超調較大而且需要較長時間才能達到穩定狀態，而本文提出的算法具有較小的超調量、較快的響應速度、較小的穩態誤差，表明本文的算法可以使PID參數可以自適應地進行修正，提高算法的控制效果。