基于積分分離PID的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

吳和杰（海南省高級技工學(xué)校，海南海口 571100）

基于積分分離PID的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

吳和杰（海南省高級技工學(xué)校，海南海口 571100）

電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對物料加熱的一種工業(yè)爐，被廣泛應(yīng)用于石油化工等工業(yè)上。因此，對于電阻爐溫度的精確控制是工業(yè)控制領(lǐng)域中一個十分重要的課題。通過對爐溫控制系統(tǒng)的分析，可該溫度自動控制系統(tǒng)具有純滯后一階慣性特性，工業(yè)上普遍采用比例積分微分控制規(guī)律--PID控制規(guī)律。但在現(xiàn)實生產(chǎn)自動控制中出現(xiàn)，每逢系統(tǒng)開車、停車以及對給定值進行調(diào)整時，該溫度控制系統(tǒng)的e值（偏差）瞬間變化超大，比例積分微分控制規(guī)律適用于控制對象控制通道容量滯后較大而且進行消除余差的應(yīng)用場合。

積分分離；PID；爐溫控制

針對傳統(tǒng)的比例積分微分控制算法在爐溫控制中的上述問題，本文采用了一種積分分離PID控制算法設(shè)計了爐溫控制系統(tǒng)并進行了仿真，實現(xiàn)了對爐溫的容量滯后較大、控制質(zhì)量要求較高的三作用控制規(guī)律。

1 電阻爐溫度PID自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電阻爐溫度PID自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖以圖1表示。該溫度PID自動控制系統(tǒng)由3大部分組成：單片機系統(tǒng)；溫度測量與控制系統(tǒng)；人機對話系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在進行溫度測量與控制工作時，熱敏電阻對電阻爐內(nèi)溫度進行測量檢測，把測量結(jié)果進行相應(yīng)的信號放大、在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量，把標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量傳送給單片機系統(tǒng)，通過對測量信號和設(shè)定信號對比及運算，輸出控制量，控制電阻絲加熱量，達到對爐內(nèi)溫度進行精準(zhǔn)控制的目的。

圖1 電阻爐溫度PID自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

2 積分分離PID控制規(guī)律應(yīng)算方法

傳統(tǒng)的PID控制規(guī)律應(yīng)算法中，比例積分控制規(guī)律能消除余差，控制質(zhì)量最高。但是在系統(tǒng)開車、停車以及改變設(shè)定值時，系統(tǒng)控制量的輸出在瞬間內(nèi)會產(chǎn)生較大的偏差，而且加上積分積累的特性，導(dǎo)致控制量超過控制極限，引起控制系統(tǒng)大幅量超調(diào)，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

針對上述問題，系統(tǒng)引入了積分分離PID控制規(guī)律應(yīng)算法。積分分離PID控制規(guī)律應(yīng)算方法的根據(jù)是：假設(shè)e值（偏差）出現(xiàn)較大時，立刻分離積分作用，限制超調(diào)量的累加；等被控變量接近設(shè)定值時，再引入積分控制作用，消除系統(tǒng)產(chǎn)生的靜差，從而提高該系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)度。基本操作如下：

2.1 事先設(shè)定ε＞0；

2.2 當(dāng)|e|＞ε時，采用比例微分控制規(guī)律控制；

2.3 當(dāng)|e|≤ε時，采用比例積分微分控制控制。實現(xiàn)積分分離作用，此控制規(guī)律應(yīng)算法可表示如下：

式中，T是測量時間，β是積分開關(guān)系數(shù)

系統(tǒng)的控制算法流程圖如圖2所示。

圖2 積分分離PID控制算法流程圖

3 系統(tǒng)仿真及分析

圖3積分分離PID溫度控制系統(tǒng)模型

圖4給出了積分分離PID與普通PID的階躍跟蹤曲線，圖中虛線為積分分離PID的階躍跟蹤曲線，實線為普通PID的階躍跟蹤曲線。傳統(tǒng)的PID控制規(guī)律應(yīng)用，輸入量細微變化時，無超調(diào)，但是在階躍量干擾下，輸入量變化較大，產(chǎn)生巨大超調(diào)。從圖4的仿真結(jié)果曲線可以看出，在同樣參數(shù)條件下控制，采用積分分離PID控制規(guī)律，盡管有階躍干擾輸?shù)苊黠@的減少了超調(diào)量，從而可以控制系統(tǒng)的超調(diào)與振蕩現(xiàn)象。