PID算法的炉窑温度控制系统实现探讨

摘要：在我国的机械、冶金、电子等工业领域中，温度控制系统有着广泛的应用，且对控制调节器有着极高的要求，以应对控制滞后、参数多变、工况复杂和运行惯性大等状况的发生。本文通过介绍炉窑的温度控制系统、PID算法，并对PID算法提出改进及参数调整，使其展现更好的控制性能，更适合处理复杂多变的温度控制系统。

关键词：温度控制系统 PID算法 炉窑

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）02-0000-00

我国的工业企业从上世纪六十年代开始注重温度控制问题，通过深入、广泛的研究工作和计算机技术的发展，国内外的温度控制器得到了很大的改进，提升了性能和可控力，形成了智能化PID、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等商品化温度调节器。

1 炉窑的温度控制系统

炉窑保持窑内温度的主要方法是利用燃料在空气中燃烧所产生的热量。在实际生产过程当中，不仅要尽量提高燃烧效率，减少污染，最大限度地控制窑内温度，而且要保证炉窑工艺运行状态的稳定性。要想实现以上两个质量标准的要求，就必须合理有效地控制燃烧过程，保证煤气量与空气量比例配置合理稳定，使燃料充分燃烧，获取最高的热效率和烟气温度。炉窑的燃烧过程中燃料是主要流量，空气是辅助流量，且空气量随燃料量变化，这是达到工艺要求的一种手段，达到工艺要求的其他中间产物指标或生成物和混合物的质量指标。炉窑的温度是控制系统的被控变量，燃料的流量是操纵变量。只有保证进窑的空气和燃料比例合适才能维持正常燃烧，而在实际燃烧情况则要依据炉窑出烟的氧含量作为判断标准。温度控制系统可以提高热效率，保证煤气充分燃烧和空气系数合理稳定，为炉窑焙烧提供所需热量。

2 炉窑温度控制系统对控制器的要求

当生产过程中的被控变量与设计要求不一致时，可以通过控制器实现对执行器的控制，改变被控变量属性，使之达到生产要求，由此可见，控制器是控制系统的核心元件，可以检测闭环控制系统中被控变量的设定值和变送环节传递的信息，并通过比较得到偏差值进行运算，将最终输出信号运作在执行器上。控制器的控制规律严重影响控制质量，其输出信号随输入信号而变化，是依据人工操作经验的基础总结模仿而来。

比例（P）、积分（I）和微分（D）是控制器的基本控制规律，因为PID控制器结构简单且易于操作，所以如今大多数炉窑仍使用PID控制结构。PID基本数字算法包括增量式和位置式两种，由于基本算法不能满足多数控制系统控制要求，又出现了多种新型的基于基本PID算法的积分分离PID算法和不完全微分PID算法等PID改进算法。

位置式PID控制算法和增量式PID控制算法统称为数字PID控制算法。位置式PID控制算法的缺点是过去的状态会影响以后的每一次输出，计算时要对第n次采样时刻的输入偏差量进行累加，加大了计算机运算工作量。而计算机的输出和执行机构的实际位置相对应，在计算机出现故障时会影响该次采样时刻的控制器输出值，进而导致执行机构位置的大幅度变化，所以产生了增量式PID算法。增量式PID控制具有很多优点，自动或手动切换时冲击小，有助于无扰动切换的实现，且动作错误时影响较小，可使用逻辑判断方法去除。同时在计算机出现问题时，可以锁存执行装置和输出通道的信号，使其保存原值，但此算法存在静态误差，积分截断效应大。PID控制使用方便，其公式具有明确的物理意义，应用经验丰富完整，且应用范围广适应性极强，对大多数过程都具有极好的鲁棒性和控制效果。

3 PID 控制算法的改进

在原有的PID 控制理论中，由于积分项系数是常数的原因，所以当趋于设定值的时间时，系统整个的控制被控量，其积分项累加的增量并没有变化。但出于对稳定性的考虑，系统要求积分项所对应的系统积分作用的强弱，要与系统偏差的大小构成反比关系。如果积分系数取值过小的话，系统在短时间消除静差上又不能起到作用。但若积分系数过大，则会发生反面效应，随之而来的就是超调量过大，甚至于积分饱和现象。因此，若是能够保证积分累加的速度，可以随着系统偏差情况的改变而改变，那么对于提高系统品质以及控制质量是非常重要的。根据这样的需要，在原有的PID算法基础上加以改进，产生了变速积分PID 算法。

就现在PID参数整定的应用和研究现状来看，日后的实践和研究重点会转移到单入单出被控对象、多入多出被控对象、PID控制技术。单入单出控制对象需要增强抗干扰、初始化和鲁棒性能，采用简单的操作和少量的过程信息整定PID参数；多入多出被控对象则需对分散继电反馈方法进行完善，尽量减少先验信息量，方便在线整定多变量PID参数；智能PID控制技术是结合自整定、自适应和增益计划设定，具有自动诊断功能。

4 PID参数设定

PID控制参数的整定值并不是唯一确定的，而是在比例、积分和微分三部分的相互影响、作用之下产生的。在实际应用上，若是被控对象的主要指标能够满足设计要求，那么就没有问题。所以，采用经验法，也就是通过实际经验来调节、试凑，调整到恰当的值即可。该方法既简单又可行，而且对操作者来说还能保证安全，省力省时，对实际过程影响小。正常情况下，对过程曲线的观察的同时，作者一般试凑两次，即可达到理想的状态。

5 结语

我国作为使用炉窑最多的国家之一，如何提高温度控制系统的智能性得到了业内人士的广泛关注。本文在分析窑况的基础上，介绍了在原有PID算法基础上改进而来的变速积分PID算法，以及其在炉窑温度控制系统中的应用中获得的一系列成果。以上分析对改善成品质量有一定意义，对PID算法提出改进及参数调整，使其展现更好的控制性能，更适合处理复杂多变的温度控制系统，从而可以提高炉窑的工作效率。

参考文献

[1] 伍萍辉，王迎旭，唐勇奇.基于LonWorks现场总线的回转窑分解炉控制系统设计[J].半导体技术，2012（2）.

[2] 李溯，田成方.模糊技术的发展及在相关领域中的应用[J].北方工业大学学报，2011（3）.

收稿日期：2015-02-13

作者简介：钟江灵（1982—），男，广西柳州人，本科，毕业于西安工业学院，助理工程师，现主要从事电气自动化研究工作。

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