参数干扰法在提高智能仪控制精度方面的应用

曹焰州

（太原工具厂，山西 太原 030008）

0 引 言

热处理中准确地测量热处理炉的温度是很重要的。为确保产品质量，须在准确测量的基础上，把热处理温度调节在工艺要求的范围内。炉温只有实现自动调节，才能确保热处理产品的质量，才能提高生产率，节约能源，因此，实现炉温的自动控制尤为重要。

1 热处理工艺拟定

一般情况下，炉温自动调节是利用测温仪与自动化装置组成自动调节系统来实现的，热处理工艺要将炉温调节在一个预先给定的数值。如图1所示，调节系统主要由调节对象（炉温）、检测元件（一次测温仪表）、调节器、执行器等环节组成，每一环节都接受它前面一环节的作用，又对后一环节施加影响，并构成负反馈的闭环系统[1]。

图1 炉温自动调节系统

现今热处理工艺采用的控温系统，一般分为位式调节和连续（PID）调节。由于位式调节存在被调参数波动较大，调节精度不高，调节器动作频繁，易损坏，噪音较大等弊端，现已处于逐步淘汰。太原工具厂为进一步提高热处理的质量，于2009年、2010年分别安装调试成功两套热处理可控硅智能温控系统；利用PID程序实现调节器的功能，利用晶闸管调压器完成执行器的功能。该设备使用两年多时间里，提高了控温精度，提高了产品质量，减少了废品损失，收到了很高效益。然而，在使用过程中，也发现了一些问题，例如，一般情况下，该智能控温系统的控制精度相当出色，不仅升降温速度较快，而且控温精度一般都能保证在（±2.5）℃的范围。但是，有些时候却会发生一些用常规难以解释的现象，例如炉温有时偏差能达到10℃以上，有时则出现升温速度明显放慢的现象，甚至在淬火过程中，整个控制系统运行在4 h左右都未达到工艺要求的温度，对生产的影响很大。针对这些状况，我们经过长时间的调查试验，找到问题症结，采取了有效的解决方法。

2 智能控温系统

在生产过程中发现，原用智能控温系统不能快速响应外界环境的原因，主要源于PID参数自身产生方式的局限。按偏差的比例、微分、积分进行控制的PID调节器，是连续控制系统中技术成熟、应用最广的调节器。它的结构简单、参数易于调整，长期积累了丰富的经验；特别是工业过程中，由于控制对象的精确模型难以建立，系统参数又常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价，而且往往不能收到预期效果，人们便用PID调节器根据经验进行在线整定；并且由于软件的灵活性，PID算法可以修正得更加完善，本厂车间的智能控温系统就采用了PID调节器。PID控制一般有位置式和增量式两种开式。由于控温的特殊性，只能采用位置式PID控制。其控制方式为“准连续控制”，而PID调节器的参数常常通过实验确定，或通过凑成法，或通过实验结合经验确定一个较为满意的参数结合，但是所谓“满意”的调节效果，是随不同的对象控制要求而异的。此外，PID调节器的参数对于控制质量的影响不十分敏感，因而整定参数的选择并不是唯一的。即在比例、微分、积分三者产生的控制作用中，某部分的减少往往可由其他部分的增大来补偿。由于以上这种原因，便会出现本来控制精确的仪表有时却显偏差较大[2]。

一般情况下，炉温能实现较好的自动控制，说明PID内存参数与当前工作状态较为吻合，即使稍有偏差，通过启动仪表的自整定系统也能很快达到要求，这也是PID系统较为出色之一。但其程序是按相对稳定状态设计的参数，而实际的工作环境却是各有不同（炉体时而处于较高的室温中，时而又随天气变化、炉体外界温度急剧变化，以及炉体本身的新旧、炉内电极的新旧等因素），无一不对整个控制系统产生作用；由于以往位式系统本身控制精度不高、这种影响尚不明显，而对PID系统则不然，整个控温系统的任一变化都有潜移默化的影响，成为刻不容缓要解决的问题。

3 正确合理的解决方法

通过了解了问题的原由，便将问题分成两步解决：1）仔细分析系统升温慢的原因，以前一直认为升温慢跟执行系统有关，但在排除了交流接触器触点、电极、可控硅等元件的可能后，问题仍然存在，尤其是想到控制不正常时大多发生在停炉较长时间后再开炉的时候，例如，星期一、节假日后，阴雨天后，因此怀疑可能是内存参数设定不合理，便按PID参数调整原理，先将比例参数P从内存窗口调出，试将参数由原来确定的113改为156，凑巧在这种尝试竟然有效，炉温不但很快升起，且使常规淬火温度处于较满意的控制效果。2）尝试虽然成功，但仍有点疑虑：仪表本身就有自整定系统，为什么不能自身得到合适的控制参数呢？经过分析研究发现，自整定系统无法同时较快响应炉体的变化，同时又响应炉温内部的变化，故出现了PID参数的不适应性。确定了这些问题后，根据三个参数在控制中的不同作用，发现在实际控制中二次回调过大时，可用适度减小积分的数值来解决；而当出现控制中温度上冲偏差过大时，可用减小微分的数值来改善。通过多次现场试验总结，逐步找到多组PID参数的理想组合，针对不同的环境和现象，采用了有效的参数干扰措施，在随后装调成功的可控硅控温系统中得到具体验证。本次试验结果不仅适用于岛电SR93系统智能表，且对英国产3204系统智能表得到验证，只是在PID数值调整幅度上有所区别，必要时还可通过仪表调整变压器输出功率的配合来达到更理想的控温效果。本系统经过近两年来的现场应用，调整方法简单实用，不仅从理论上找到控制系统失常的依据，而且提出正确合理的解决办法，为进一步提高设备控制精度、提高产品质量做出应有贡献。

[1]宋宏运,杨天怡.单片微型计算机原理及应用[M].重庆:重庆大学出版社,1989.

[2]陈特夫.测温仪表与感应加热装置[M].北京：机械工业出版社，1998.