PID在臺車爐控溫中的應用

高志鵬

大連萬通工業裝備有限公司，遼寧大連 116023

0 引言

臺車爐主要供各類金屬結構件和其它機件進行熱處理之用。根據各類熱處理件的不同，對控溫精度和爐溫均勻性有不同的要求。在實際應用中經常接觸到控溫精度要求在±5℃以內，有效工作區溫度場均勻性在±10℃以內的爐子。這樣往往對現場調試人員具有很高的要求。

1 自控系統

自動控制系統是采用由上位機、智能控制儀表（包括溫度控制儀、溫度檢測儀和壓力控制儀表等）和可編程控制器（PLC）組成。控溫方式采用多區段程序分區控制，采用具有與智能溫控儀表相連接的調溫、高速時間比例控制燃燒器方式控制加熱，具備手動和自動點火功能，并對火焰進行檢測，各區主控儀表與上位機進行雙向通信。原則上所有工藝的控制參數設定由上位機來完成，但作為直接控制裝置的可編程控制器也要求自身具備同時對溫度和時間統一編程的功能，具備獨立的溫度、時間的設定和測量顯示功能。當上位機發生故障時，各區溫度主設定控制可獨立的完成工藝自動控制。燒嘴采用天然氣亞高速燒嘴。通過實際爐溫信號及各燒嘴控制器返回的實際工作狀態信號，經過計算處理，輸出控制各個燒嘴的啟動停止以及工作時間。

智能溫控儀表的控制功能主要由控制算法來實現，可輸入各種控溫信號，往往本身具有PID模塊，可以對爐內溫度進行PID調節，從而使爐膛內溫度達到控制要求。PID就是比例微分積分的簡稱，由于其原理簡單，可靠性高，在現代工業控制領域被廣泛的應用，調節這三個參數的值就可以調節系統的性能。比例參數主要是調節系統的響應快慢，它的值越大達到設定值的速度就會越快，越小則越慢。比例的值越大則響應速度越快，雖然達到設定值的速度會變快，但是往往會出現沖過頭的現象。 為了消除這種現象的發生，我們就會用到積分。積分主要是調節系統到達設定值后的穩定性，它的值越大則穩定性就越好，但是所有的事物都是有兩面性的，越穩定說明要改變設定值就會需要更長的時間來反應。為了使設定值變化后改變的更快，在控制系統中又加入了微分。微分值越大，穩定后設定值改變變化的就越快。三個參數相互影響相互制約，一般都是先調節比例然后在加入積分，最后是微分。

2 分段PID參數

但常規PID控制也有許多不足之處，最突出的一點就是有關PID參數的問題。首先，常規PID無自適應能力。PID控制器的參數必須相對于某一模型已知、系統參數已知的系統。而且PID參數一旦整定完畢，便只能固定地實用于一種工況。但實際的大多數生產過程都具有非線性，且特性隨時間的變化而變化，顯然固定的一組參數是不能滿足這種變化的。其次，常規PID的參數只能為滿足生產過程控制目標的某一方面要求而整定的。而之中人們要求的“設定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”卻往往滿足不了要求，使控制效果達不到最佳

物件的熱處理工藝曲線基本上都是由升溫、保溫和降溫3種形式來組成的。根據熱處理件的不同，組成不同的工藝曲線。調試過程中筆者發現，在升溫階段將PID參數整定好后在保溫和降溫時，溫度往往控制的不是很好，在保溫階段修改PID參數又導致前面升溫階段控溫出現偏差，反復調試多次都不能在整個工藝過程中始終達到很好的控溫效果。經過反復研究發現每段工藝都有自己獨立的特性，每段都設一個PID參數就可以在各自的控溫過程中達到較好的控溫效果，于是筆者在工藝運行在各個工藝段時，由PLC將特定參數賦予智能控制儀表中，從而達到每個分段都有自己的PID控制參數。由于各個不同階段都賦予了相對應的控制參數，因此，經現場反復測試，每個控制段都能達到很好的控制效果，運行效果良好。

3 限幅控制

由于外界對爐內溫度會有不同程度的干擾，偶爾會出現溫度波動超出范圍的現象，因此，在程序中加入限幅控制，即當溫度大于一定的值時，繞過智能溫控儀表，不由其PID控制燒嘴，而是將燒嘴直接關閉，當溫度小于一定的值時強制開啟燒嘴進行加熱，這樣可以保證智能溫控表在其控制的有效范圍內發揮最好的控溫效果，消除了較大的溫度波動對控制造成的影響，使系統運行更穩。

4 系統運行效果

經現場調試發現，經過PID參數分段控制和對溫度大波動進行的限幅控制后，熱處理工藝曲線控制效果相當良好，完全能過達到控溫精度要求在±5℃以內，有效工作區溫度場均勻性在±10℃以內的要求。如圖1所示設定曲線和實際曲線基本重合，很好的滿足了工藝曲線。

圖1 現場生產曲線

5 結論

合理利用PID調節的特性，根據實際情況分別賦予不同的調節參數，并通過限幅控制，讓其在最優范圍內工作，從而達到了較為理想的控制效果。

[1]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M].2版.北京航空航天大學出版社.

[2]陶永華.新型PID 控制及其應用[M].2版.機械工業出版社.