热处理工业中PID算法的研究与应用

阮玮琪,　程思源,费敬敬（南京信息工程大学　电子与信息工程学院,南京　210044）

热处理工业中PID算法的研究与应用

阮玮琪,程思源,费敬敬
（南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京210044）

PID智能控制算法能够融合多种不同参量并且可以在不同工作模式下微调PID控制参数，PID智能控制算法在热处理工业中的应用实现了热处理控制中升温速度、保温时间和冷却速度的良好匹配，提高了工艺控制技术和成品率，带来了可观的经济效益。

热处理控制;智能控制;PID算法应用;PID算法深度改进;多参量控制

0　前言

热处理工业中，为了降低工件硬度、消除残余应力、稳定工件尺寸并减少变形与裂纹倾向，需要消除工件的表面应力。热处理的特点是改变工件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能。因此，升温速度、保温时间和冷却速度是热处理工业中需要精确控制的参量，这就需要PID智能控制算法对温度和时间双参量进行控制。

1　项目概括

PID控制算法是通过反馈的方式，利用传感器读取实时参量并与目标参量做减法取差值，然后通过比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）的方式分别控制系统对外界反应的快慢、滞后和提前。然而传统的PID算法只能控制单一参量且无法自动对PID三个控制参数进行调整。

在热处理工业中，温度必须直接与时间数据挂钩，且不同时间段的控制模式都不同，必须在升温、保温和冷却三种模式中来回切换。新型PID智能控制算法很好的解决了双输入变量的控制和三种模式间的切换问题。

2　PID智能控制算法

2.1热处理温度控制要求

普通的热处理控温流程如下图1，横轴为温度，单位小时(h)，纵轴为时间，单位摄氏度(℃)。如图，室温20℃下，经过2h的缓慢升温提升至300℃，并在300℃的情况下保持1h，这主要是为了使得钢结构工件充分受热且受热均匀，除去钢结构工件在室温下吸收的水蒸气等不利于高温下热处理的杂质液体和气体。经过以上3h的加温预热之后，再经过1h将温度从300℃提升至600℃，可以看到，升温速度明显提升，然后经过1.5h的保温，热处理完成。最后需要将工件缓慢降至室温，经过2h的缓慢降温和1h正常降温后完成这一工序。

2.2PID双输入量的融合计算

智能控制系统核心基于TI公司MSP430F169微控制芯片，具体的验证了PID智能算法的合理性。

系统首先根据用户设置的控温时间和目标温度，基于起始温度计算出时间与温度的线性关系，然后系统通过温度传感器和自身时钟分别获取当前的温度数据W和时间数据，智能PID算法将时间数据代入预先计算出的线性关系得出当前工件的实时目标温度T，并将传感器的温度数据W与实时目标温度T一起进行比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）计算。

2.3PID参数的智能微调

热处理系统的三种工作模式加温、保温和冷却，对于控温的要求都不一样。加温阶段要求系统反应速度较快，需要提高比例系数（Proportion），并且加温过程中温度需要缓慢线性增加，因此，积分系数（Integral）需要增大，微分系数（Differential）需要减小；保温阶段要求系统变化缓慢尽量保持当前温度，这就需要降低比例系数（Proportion），提高积分系数（Integral）和微分系数（Differential）以降低系统的变化速度，保持原有状态，响应系统的变化趋势；冷却阶段，系统的降温趋势是主要考虑的因素，降温速度过快会使得工件产生裂纹，因而降温需要尽量平滑，可以通过适当降低比例系数（Proportion）和提高微分系数（Differential）的方式实现。

以上三种工作模式中，PID系数的增大或者减小，都是在用户设置的PID三个参数的基础上，通过提升或者降低百分比的方式实现的。

3　结论

应用PID智能控制算法后，实现了良好的热处理控制。如图2热处理温度采集数据图，图中数据点的采集基于工业用记录仪，记录仪是一种半机械结构仪器，记录数据客观而准确。在升温阶段(0-2h，3-4h)，温度点沿理想线性线段上下摆动明显，这是由于比例系数较大的缘故；保温阶段(2-3h,4-4.5h)，由于积分作用随时间增加更加明显，温度点基本保持在一个温度上，且随着时间的增加更加趋于稳定；冷却阶段，微分系数增大使得温度沿着原有的趋势变化。

以上PID智能控制算法是基于PID算法的深度改进版本，在热处理工业中的应用，良好的实现了多个参量的融合和多种工作模式间的切换。智能算法通过控温时间和目标温度自动计算出线性关系，并实时根据线性关系，微调PID三个参数的大小。如此，温度变化的快慢可以随着工作模式的改变而改变，使得控制过程更加符合热处理工艺要求，提高了成品率，带来了可观的经济效益。

[1]徐祖耀.钢热处理的新工艺[J].2007.

[2]满红.自动控制原理[M].清华大学出版社,2011.