熱處理工業中PID算法的研究與應用

阮瑋琪,　程思源,費敬敬（南京信息工程大學　電子與信息工程學院,南京　210044）

熱處理工業中PID算法的研究與應用

阮瑋琪,程思源,費敬敬
（南京信息工程大學電子與信息工程學院,南京210044）

PID智能控制算法能夠融合多種不同參量并且可以在不同工作模式下微調PID控制參數，PID智能控制算法在熱處理工業中的應用實現了熱處理控制中升溫速度、保溫時間和冷卻速度的良好匹配，提高了工藝控制技術和成品率，帶來了可觀的經濟效益。

熱處理控制;智能控制;PID算法應用;PID算法深度改進;多參量控制

0　前言

熱處理工業中，為了降低工件硬度、消除殘余應力、穩定工件尺寸并減少變形與裂紋傾向，需要消除工件的表面應力。熱處理的特點是改變工件或者毛坯的內部組織，而不改變其形狀和尺寸，采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結構與性能。因此，升溫速度、保溫時間和冷卻速度是熱處理工業中需要精確控制的參量，這就需要PID智能控制算法對溫度和時間雙參量進行控制。

1　項目概括

PID控制算法是通過反饋的方式，利用傳感器讀取實時參量并與目標參量做減法取差值，然后通過比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）的方式分別控制系統對外界反應的快慢、滯后和提前。然而傳統的PID算法只能控制單一參量且無法自動對PID三個控制參數進行調整。

在熱處理工業中，溫度必須直接與時間數據掛鉤，且不同時間段的控制模式都不同，必須在升溫、保溫和冷卻三種模式中來回切換。新型PID智能控制算法很好的解決了雙輸入變量的控制和三種模式間的切換問題。

2　PID智能控制算法

2.1熱處理溫度控制要求

普通的熱處理控溫流程如下圖1，橫軸為溫度，單位小時(h)，縱軸為時間，單位攝氏度(℃)。如圖，室溫20℃下，經過2h的緩慢升溫提升至300℃，并在300℃的情況下保持1h，這主要是為了使得鋼結構工件充分受熱且受熱均勻，除去鋼結構工件在室溫下吸收的水蒸氣等不利于高溫下熱處理的雜質液體和氣體。經過以上3h的加溫預熱之后，再經過1h將溫度從300℃提升至600℃，可以看到，升溫速度明顯提升，然后經過1.5h的保溫，熱處理完成。最后需要將工件緩慢降至室溫，經過2h的緩慢降溫和1h正常降溫后完成這一工序。

2.2PID雙輸入量的融合計算

智能控制系統核心基于TI公司MSP430F169微控制芯片，具體的驗證了PID智能算法的合理性。

系統首先根據用戶設置的控溫時間和目標溫度，基于起始溫度計算出時間與溫度的線性關系，然后系統通過溫度傳感器和自身時鐘分別獲取當前的溫度數據W和時間數據，智能PID算法將時間數據代入預先計算出的線性關系得出當前工件的實時目標溫度T，并將傳感器的溫度數據W與實時目標溫度T一起進行比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）計算。

2.3PID參數的智能微調

熱處理系統的三種工作模式加溫、保溫和冷卻，對于控溫的要求都不一樣。加溫階段要求系統反應速度較快，需要提高比例系數（Proportion），并且加溫過程中溫度需要緩慢線性增加，因此，積分系數（Integral）需要增大，微分系數（Differential）需要減小；保溫階段要求系統變化緩慢盡量保持當前溫度，這就需要降低比例系數（Proportion），提高積分系數（Integral）和微分系數（Differential）以降低系統的變化速度，保持原有狀態，響應系統的變化趨勢；冷卻階段，系統的降溫趨勢是主要考慮的因素，降溫速度過快會使得工件產生裂紋，因而降溫需要盡量平滑，可以通過適當降低比例系數（Proportion）和提高微分系數（Differential）的方式實現。

以上三種工作模式中，PID系數的增大或者減小，都是在用戶設置的PID三個參數的基礎上，通過提升或者降低百分比的方式實現的。

3　結論

應用PID智能控制算法后，實現了良好的熱處理控制。如圖2熱處理溫度采集數據圖，圖中數據點的采集基于工業用記錄儀，記錄儀是一種半機械結構儀器，記錄數據客觀而準確。在升溫階段(0-2h，3-4h)，溫度點沿理想線性線段上下擺動明顯，這是由于比例系數較大的緣故；保溫階段(2-3h,4-4.5h)，由于積分作用隨時間增加更加明顯，溫度點基本保持在一個溫度上，且隨著時間的增加更加趨于穩定；冷卻階段，微分系數增大使得溫度沿著原有的趨勢變化。

以上PID智能控制算法是基于PID算法的深度改進版本，在熱處理工業中的應用，良好的實現了多個參量的融合和多種工作模式間的切換。智能算法通過控溫時間和目標溫度自動計算出線性關系，并實時根據線性關系，微調PID三個參數的大小。如此，溫度變化的快慢可以隨著工作模式的改變而改變，使得控制過程更加符合熱處理工藝要求，提高了成品率，帶來了可觀的經濟效益。

[1]徐祖耀.鋼熱處理的新工藝[J].2007.

[2]滿紅.自動控制原理[M].清華大學出版社,2011.