冶金工業中模糊自適應PID控制算法運用研究

諸天逸

摘 要：模糊自適應PID控制算法可以結合古典PID控制，并結合特定工藝制作所需要的操作人員的長期積累的經驗知識，實現了冶金溫度控制過程中的升溫、保溫、降溫控制，提高了產品質量，節約大量成本。

關鍵詞：冶金；模糊控制；PID算法；自適應控制；多參量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.030

0 前言

隨著科學技術的發展，冶金已經從狹義的從礦石提取金屬，發展為廣義的冶金與材料制備過程工程，冶金工業工藝過程也非常復雜，良好的溫度控制是順利完成冶金過程的保證。實際中冶金工業溫度變化快，不能及時達到所需的工業生產溫度而使成品率降低。為了解決上述問題，以時間和溫度為控制參量，提出一套冶金工業中模糊自適應PID控制算法來對產品升溫、保溫、降溫進行控制，來提高產品質量并節約成本。

1 項目概括

模糊自適應PID控制算法是一種最優控制的算法，在冶金工業中，冶金產品的質量、產量難以提高的原因即沒有一種可靠的、高效的生產方案，而本文提出的模糊自適應PID控制算法，使得冶金工業生產的狀態效率可以時刻處在一個超高水準。本文所論述的控制算法，可以使得冶金系統根據一定被測量量，而對整個系統自動化調節、優化。而運用傳統的PID控制算法，將導致由于設計程序太過詳細而導致PID控制難以實現。

在冶金工業中，其工藝要求精準、快速、恒溫，并且特定的工藝制作需要操作人員長期積累的經驗知識[1]。溫度是時間的函數，對產品提高溫度、恒定溫度、降低溫度所應該具備的控制模式也各不相同。本文提出的模糊自適應PID控制算法很好的解決了操作者經驗、溫度、時間多參量的算法控制以及高溫度、恒定溫度、降低溫度這幾種模式中的在線變換問題。

2 冶金工業中的模糊自適應PID控制算法

2.1 冶金溫度控制要求及傳統PID的缺陷

為了驗證算法的有效性，進行一次實驗。將冶金溫度按照工藝需求設置進行多次變化，溫度變化區間為室溫（25攝氏度）至1000攝氏度，時間長度為6小時。傳統PID算法溫控后的溫度曲線如圖1所示。圖中各個時刻所對應的溫度點的采集，所用的是冶金工業用記錄儀，記錄儀是一種半機械裝置，記錄的溫度數據可靠。由此可見，基于傳統PID對冶金溫度變化體系偏差的比例運算、積分運算和微分運算中，積分（I）雖然可將體系靜態誤差去除，提高控制系統無差度，但它可能對系統帶來不穩定、搖擺等風險，并且，系統產生的大量累計誤差無法消除。

2.2 PID多參數輸入混合運算

該模糊自適應PID控制算法基于ST公司產的STM32F103RBT6芯片，根據實際操作情況，驗證了本文算法的可靠性。

系統首先讀入預先設計好的工藝要求的標準溫度變化，系統通過溫度傳感器和自身時鐘分別獲取當前的溫度和時間數據，并與提前讀入的目標溫度數據比對，由此將傳感器的溫度數據和目標溫度一起進行比例（P）、積分（I）、微分運算（D）。并利用人工智能的方法將操作人員的調整經驗作為知識存入計算機中，根據現場實際情況，計算機能自動調整PID參數，即是將古典的PID控制與先進的專家系統相結合，實現最佳控制策略[2]。

2.3 PID參數的模糊自適應調整

冶金工業中對于溫度控制，在各個階段的方式、要求并不相同，古典的方式是依靠冶金操作人員的經驗控制，因為冶金工業的從業者經驗不能夠簡單描述，在對系統控制過程中溫度、時間等參量和評測標準不能用定量表示，因此利用模糊理論是解決這一問題的有效途徑。自適應模糊PID溫度控制器以溫度誤差e和溫度誤差變化e關于t的一階導數作為輸入，可以滿足不同時刻的溫度e和溫度誤差變化e關于t的一階導數對PID參數自適應的要求，利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改，便構成了自適應模糊PID控制器。PID參數模糊自適應是找出PID三個參數與溫度e和溫度誤差變化e關于t的一階導數之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和溫度誤差變化e關于t的一階導數，根據模糊控制原理來對3個參數進行在線修改，以滿足不同e和溫度誤差變化e關于t的一階導數對控制參數的要求，而時冶金溫度控制有良好的動、靜態性能。

3 結論

應用模糊自適應PID控制算法后，實現了良好的冶金溫度控制，如圖2冶金溫度采集數據圖所示，如圖可見，系統所控制的溫度在測試的6小時內，圍繞目標溫度穩定變化。冶金的溫度控制過程要求準確、迅速、恒溫，而冶金所用的各種爐都是具有純滯后的大慣性系統，升降溫對于古典PID控制具有嚴重滯后性，該算法對溫控系統有了很大的改善。

以上PID模糊自適應算法是基于古典PID算法的改進，在冶金工業中，運用線代控制理論在線辨識對象特征參數，實時改變其控制策略，使控制系統品質指標保持在最佳范圍內，可以減輕冶金溫度隨著負荷變化及干擾因素影響。如此，提高了系統的精準性、可靠性等，此種對冶金溫度的精確控制可廣泛應用于冶金的高質量加工工藝。

參考文獻：

[1]李洪桂.冶金原理[M].2005.

[2]王燕平.自動控制原理[M].2015.