基于改进PID算法的加热炉温度控制研究

熊昌炯，王春荣，夏尔冬

（三明学院机电工程学院，福建 三明 365004）

钢铁产业是国家的重要产业，在钢铁的生产过程中，加热炉温度的控制对钢坯质量和生产经济效益具有重要的影响。随着现代制造技术的发展，钢铁产业已经朝着高速化、自动化、智能化等方向发展，这要求加热炉在操作与控制等方面具有更高的精度。但是，由于加热炉热容量巨大、钢坯温度检查困难、炉温具有强非线性、强干扰性、滞后性和时变性等特点，这给建立炉温数学模型带了巨大的困难。PID控制算法具有原理简单、控制效果好等特点，被广泛地应用于各种控制领域。因此，本文引入PID控制算法对加热炉的温度进行控制，并且为了提高PID控制算法的效果，提出了改进自适应模糊PID控制算法，实验结果表明，改进的算法具有较好的控制效果。

1 控制算法

1.1 PID控制算法

PID算法是控制领域中一种典型的、实用性强的控制算法，其主要以线性控制器为主。算法的主要思想是通过计算初始设定值与反馈环节获取的实际输出值的偏差e(t)，并调节比例系数k、积分系数ki、微分系数kd，使得实际输出值等于设定值，其算法框图如图1所示。

根据图1中所示，传统的PID控制算法的核心为：

图1 PID算法框图

可得其传递函数为：

设k为系统的采样序号，则e(k)为第k时刻的偏差信号。因此可将离散PID描述为：

1.2 改进自适应模糊PID控制算法

模糊控制可以在无人为干预的情况下自主地适应外界的变化，适用于被控对象无明确数学模型且具有非线性与滞后性等。其主要是通过系统的运行状态采集过程状态信息，并能在线辨别、自学习，从而自动修正PID参数，使得系统能迅速跟随外界环境的变化而变化。其算法框图如图2所示。

图2 自适应模糊PID算法框图

不完全微分PID控制算法可以克服微分作用引起的高频干扰，其通过惯性环节以抑制高频带来的影响，其传递函数可以描述为：

对式（4）离散处理可得：

当uP(k)和uI(k)不变，而uD(k)变化时，可得：

利用差分计算近似微分计算，可得：

2 结果分析

为了验证本文提出的改进自适应模糊PID控制算法的有效性，以炉温的设定值和检测的实际温度差值作为输入变量误差。加热炉的设定温度为1100℃，将采集的温度送至PC端后对测得的数据进行计算分析，从而获得新的kp、ki、kd。图3和图4分别为传统PID控制算法与本文控制算法获得的响应曲线图。

图3 传统PID控制算法

图4 改进自适应模糊PID控制算法

分析实验结果可以发现，传统的PID控制算法具有响应慢、超调大以及所需要的用时长等缺点，而本文提出的算法不仅具有较小的超调量和较快的响应速度，而且稳态误差也比较小，表明了算法的优越性。

3 结语

为提高钢坯的生产质量和经济效益，设计了一种自适应模糊PID控制算法。通过实验室测试，当炉温目标温度为1100℃时，传统的PID控制算法响应较慢、超调较大而且需要较长时间才能达到稳定状态，而本文提出的算法具有较小的超调量、较快的响应速度、较小的稳态误差，表明本文的算法可以使PID参数可以自适应地进行修正，提高算法的控制效果。