PDF《一种电加热炉的快速温度调节方法》

.

4

0 ・ 仪表技术2007年第

8 期 一种电加热炉的快速温度调节方法 任宏伟, 何西坤 ( 山东省计量科学研究院, 山东 济南2

50 01

4 ) 摘要:介绍用智能 , P ID控制与常规 P ID拉制相结合的方法, 可在拉制过程中实时修改控制规律和参数.实验表明, 智能 P ID 控制较常规 P ID控制有更好的品质, 具有推广价值. 关键词:温度控制;

P ID控制;

常规控制;

智能控制 中图分类号: T H

8 l l 文献标识码:A 文章编号:1

0 0

6 一2394(2007)08一0040一031子astTemP e r a t u r eA d ju s t i n gMe t h o do f E l e c t r i c a l 0v e n R E NH o n g 一wei,HEX i 一kun(ShandonglnstituteofMetrology,Jinan250014,China)Abstract:Thep r i n c i P I e s o f c o n v e n t i o n a l P l Dc o n t r o l a n di n t e l l i g e n t P l Dc o n t r o l a r ep r e s e n t e di nt h i s t h e s i s ,T h e l i m i t o f c o n v e n t i o n a l P l Dc o n t r o l i s g i v e n . T h e m e t h o d o f c o m b i n i n g c o n v e n t i o n a l P I Dc o n t r o l w i t hi n t e l l i g e n t P I Dc o n t r o l c a nm o d i f yc o n t 二lalgorithma n d P a r a m e t e r s i nc o n t r o

1 p r o c e s s . T he t e s t r e s u l t s s h o wt h e 主ntelligentPIDc o n t r o l i s b e t t e r t h a nt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l . K e yw o r d s : t e r n p e r a t u r ec o n t r o l ;

P I Dc o n t r o l ;

c o n v e n t i o n a l c o n t r o l ;

i n t e l l i g e n t c o n t r o l

1 电加热炉的炉温动态特性 在生产过程中, 由于传热问题的复杂性, 一般的加 热炉都具有非线性、 时变性、 大容积滞后, 并具有一定 的纯滞后等特点, 并且绝大多数的加热炉温度上升时 采用强迫加热, 而温度下降时靠自 然冷却, 因此温度特 性具有不对称性. 一个加热炉随着使用时间的增加, 炉子的保温、 绝 热材料随之老化, 加热元件的氧化和材质的挥发会使 加热功率下降, 而且环境温度也在不断变化.如此种 种因素都会引起炉温特性的变化. 在诸多的过程控制文献中视炉温动态特性为线性 系统, 用一个或两个惯性环节串联一个纯滞后环节来 表示之, 如C(5) K・ e 一,:(Tls+1)(兀5 +

1 ) 这种近似处理在很多情况下是可行的.

2 常规 P I D 控制的局限 P ID控制是最早发展起来的控制策略之一 (

1 ) , 由于 其算法简单、 鲁棒性好、 可靠性高等优点, 被广泛应用 于工业过程控制. P ID控制算法是一种适应性很强且较成熟的算 法, 其基本算式为: . r l r , _ d e l , '

、 U 天・[・+贡{・d了十兀嚣](2,式中, t . 、 , 分别为设定温度和实际温度;

e为温度 偏差信号. ( t ) ;

K , 为比例控制系数;

T , 、 T d 分别为积分 和微分时间常数.P ID控制器根据给定值与实际输出 值构成的控制偏差, 将偏差的比例( P ) 、 积分(

1 ) 、 微分 ( D ) 通过线性组合构成控制量, 对受控对象进行控制. 简单说来 , P ID控制器各校正环节的作用是这样的: .比例环节: 及时成比例的反映控制系统的偏差 信号 . ( '

) , 偏差一旦产生, 控制器立即产生控制作用 以减小误差. . 积分环节: 主要用于消除静差, 提高系统的无差 度, 积分作用的强弱取决于积分时间常数T ;

, T , 越大, 积分作用越弱, 反之则越强. . 微分环节: 能反映偏差信号的变化趋势( 变化 速率) , 并能在偏差信号值变大之前, 在系统引人一个 有效的早期修正信号, 从而加快系统的动作速度, 减小 调节时间. 当计算机实现 P I D控制时, 首先必须将上述 P I D 控制规律的连续形式变成离散形式, 然后才能编程实 收稿日期:2

0 0

7 一03作者简介:任宏伟(

1 9

6 6一) , 男, 高工, 研究方向为计量检定技术. 万方数据

2 0

0 7年第

8 期仪表技术在电脑控温仪中, 数字形式的 P ID控制基本算法 现为U*二K.・ei+K,艺e J + K d ( e , 一e.一,)乙TJ 1='

.一'

1, 1二人P'

艺,火d=K・'

式,'

1为(3):1时刻 (

4 )响应末期 系统响应已接近稳态, 误差已变 得较小, 此时系统的快速性已不重要, 主要考虑系统的 稳态稳定和稳态准确无差的问题.采用传统P ID反馈 控制即可. 由此设计的主控制器结构方框图如图

1 所示.

1 个控制周期) 的实际温度;

e ;

为:、时刻的温度偏 差;

K , 、 K . 分别为积分和微分控制系数;

T O为控制周 期.式(

3 )所示的数字 P ID控制的基本算法, 简单易 行, 在升温阶段具有良好的性能.但在恒温阶段, 它具 有以下弱点: . 超调较大、 震荡时间长. .易产生积分饱和. . 对干扰较敏感. 因此, 只采用 P ID控制很难在高精度控温中取得 理想的控制效果.为此, 采用了智能控制技术, 对控制 进行改进和补充. 卿'

一'

一几画鹰开币门-止经黑么, 夕, 吧鱼―0 . aC 图1智能 P I D原理 图3智能 P I D控制的策略 借助人工智能的思想, 对传统 P ID进行本质的改 造, 获得人工智能与传统 P ID相结合的产物― 智能 P I D. 众所周知, 在传统控制中, 控制器在纯比例控制的 基础上加人微分进行控制, 可增加系统的阻尼, 从而提 高系统的相对稳定性.在相同稳定性的基础上, 微分 的加人可适当增加控制的比例增益, 相应增加系统的 响应速度, 但不能消除系统的余差.积分的引人可消 除系统的余差, 但它带来的滞后将使系统的响应速度 下降.在系统平稳、 快速和准确等三方面的性能要求 上, P I D控制内部存在着矛盾, 主要是未把系统的暂态 响应和稳态响应区别对待. 根据此分析并结合仿人智能控制的思想, 把相应 过程按其特点分为4 个阶段: (

1 ) 响应初期 是系统响应的启动阶段, 误差 大, 控制上主要考虑快速性, 对系统可采用加速储能控 制. (

2 )响应中期 系统的误差变小, 但由于响应初 期能量的积聚, 表现出很大的惯性, 这时的任务是在保 证较快的响应速度的同时, 抑制大的超调出现.这一 时期的调节可取消系统的加速( 储能) 控制方式, 甚至 可以采用反向制动控制方式, 以抑制大的超调出现. (

3 )响应中后期 系统接近稳态, 误差较小, 系 统的主要任务是考虑稳态激励和稳态误差的问题.这时, 系统处于保持观察状态, 系统的稳态误差可由智能 积分来消除. 从图中可以看到, 智能 P ID的结构除了增加了决 策机构 D E及其 虚拟采样开关 Z K之外, 其余部分与 常规 P ID的结构非常类似.图中设置的两个积分器完 全是为了形象地说明问题, 它的功能用一个积分器仍 能完成, 它既有积分器对有用误差信号的记忆积累功 能, 又有无积分作用的滞后特性, 因此这种积分器称为 智能积分或伪积分. P I D的控制策略与响应波形的对应如下: (

1 ) 响应波形为远离态或偏差较大时, 控制上要 求快速克服不利局面, 策略上使用比例( P ) 作用的快 速性, Z K开关倒向a . (

2 )响应波形为趋向态但形态上有过冲迹象时, 控制上希望尽快将其驶人稳态, 策略上使用微分( D ) 作用的阻尼正定性, Z K开关倒向 b . (

3 ) 响应波形为趋向态且形态上无过冲迹象时, 说明控制强度恰当, 策略上使用积分(

1 )作用作控制 强度的稳态保持, 保证无余差, 此时 Z K开关倒向C . 由以上策略构成的智能P ID控制器最基本的控制 算式如下: (

1 ) 若d}.ldt)0 ( 远离态) 或1./创>

m( 大偏 差) , 其中, 奋二de/d : , 则u= K p u * ( n ) ・e+u i ( . 一1)二'

*・丁・d'

(2)若d l o

1 / d t<

0 (趋向态) 且dlil/ d t>

0 与} . / 翻'

m, 则u二K.・de/dt+ui(n)u、(.)=ui(n一1)+ui(n)(3)若d l o

1 / d t<

0 (趋向态) 且dlil/ d t蕊0时, 则u=u i ( n ) 万方数据 ・4

2 ・ 仪表技术2007年第

8 期4实验仿真 根据这套算式, 用数字仪表组态实现智能 P I D控制, 本例采用研华工控机实现, 加热炉采用恒电流时间 比例加热, 输人功率与导通时间成正比, 在温度调节实 验系统中试验仿真, 得系统的设定值阶跃响应如下: 图2为常规 P ID控制, 图3为智能 P ID控制.

1 .

4 1 _

2 参考文献: 【

1 」 林来兴. 热工调节对象动态特性综述【 J ] . 自动化学报,

1 9

8 5 ,

1 1 (

1 ) :

4 8 一56.【2」白美卿, 高富强 关于炉温动态特性的分析〔 J 」 . 冶金 自动化,

1 9

9 4 ,

1 8 (

4 ) :

8 一10.【3〕宋明刚, 李跃忠, 王亮, 等 智能 P ID方法在高精度控温中 的应用【 J ]测控技术,

1 9

9 7 ,

1 6 (

1 ) :

1 2 一14.[4〕谭飞, 傅成华, 侯劲, 等 仿人智能 P ID控制器及其应用 仁J〕.自动化与仪表,

2 0

0 4 , (

4 ) :

4 3 一45.「51谭功诊, 谭飞, 柏建国, 等. 联碱生产中供热蒸汽温度调节 的智能控制〔 J 〕 卜 工业仪表与自动化装置,

2 00 3, (

1 ) :

1 3

1 4. ( 丁云编发) '

U 日月?;

八U~0100200图2500600'

r.......七八U20.八U常规 P I D

14 12 厅甲毛甲哈孚会甲专甲会事会甲会唱毛 , 唱会唱毛 甲会召毛 孚 奋召 毛甲毛书毛 孚会 甲签铸嵘甲毛甲毛甲哈侣会书会 ( 上接第

3 9 页) 务为一组.变量 O S R........