智能PID算法在炉温度控制系统中的运用

智能PID算法在炉温度控制系统中的运用

吴兴纯;赵金燕;杨秀莲;杨燕云

【摘 要】Aiming at the problems of the time-varying,nonlinearity and

uncertainty of parameters and the status that traditional PID control is

hard to meet the high stable constant-temperature requirement, a new

system based on intelligent PID controller and PIC 1684 microcomputer

was investigated in industrial furnaces. This system used thermocouple to

measure the temperature of furnace, and the transmitter carried the signal

to A/D0809. Then the PIC 1684 microcomputer achieved the deviation

according to being given values, carried on an intelligent PID control and

outputted the control quantity to adjust the angle of silicon. Thus the

system would control temperature. The results show that this temperature

control system has the characteristics of static accuracy, adaptability,

reliability, and anti-interference. And good effects of temperature is

achieved by this controller in electric heaters.%针对工业炉温度控制系统被控参数通常具有时变性、非线性、不确定性等特点,常规PID控制难以满足高精度控制的现状,提出了智能PID算法与PIC1684单片机的温度控制系统.系统利用热电偶检测温度,经温度变送器变换为标准电压信号后送A/D0809转换成数字信号,PIC1684单片机与设定值比较,单片机执行智能PID算法并输出控制量去调节可控硅的触发脉冲,从而实现了温度的实时控制.研究结果表明:该控制器具有静态精度高、自适应能力强、可靠性高、抗干扰性强的特点,炉温控制效果良好.

【期刊名称】《机电工程》 【年(卷),期】2011(028)008

【总页数】4页(P948-950,959)

【关键词】温度控制;智能PID控制;单片机;电加热

【作 者】吴兴纯;赵金燕;杨秀莲;杨燕云

【作者单位】云南农业大学基础与信息工程学院,云南昆明650201;云南农业大学基础与信息工程学院,云南昆明650201;云南农业大学基础与信息工程学院,云南昆明650201;云南农业大学国资处,云南昆明650201

【正文语种】中 文

【中图分类】TP273;TH39

0 引 言

电加热炉是科学实验、工业生产等过程中常用的加热设备，由于炉子种类与规格、加热对象的不同，它们所构成的系统千差万别。从控制的角度讲，多数电加热炉具有升温单向性、大惯性、大滞后性和参数时变性等特点，难以用精确数学模型表达［1］，这给传统PID控制带来了困难。而其升温的单向性是一个必须面对的重要问题。在工控系统中，用得最广泛的控制方式是PID控制;近年来，国内外对智能控制的研究和运用十分活跃，智能技术已成为工业控制的重要组成部分［2］。智能控制常与传统PID控制结合，它对于不具有精确数学模型的控制对象有着广泛运用。

本研究以单片机为线索，针对电加热炉的特点构建了电加热炉温度控制系统，利用智能PID控制算法设计了一个温度在定范围内可调的电加热温度控制系统。 1 系统原理

电加热炉温度控制过程可以用自然降温、程序升温和恒温3个分过程来描述。降温:停止加热，环境温度在整个过程中保持不变，受控温度场最终稳定为环境温度。程序升温过程:给定电压值为一变化值，由程序控制逐渐变化，最终使炉温稳定在给定值上。恒温:给定炉温为一定值，使炉温稳定在给定值上，这时受控场温度恰好抵消散热因素的影响而能够维持在所设定的温度。

图1 系统原理图

电加热炉温度控制系统的结构图如图1所示。炉膛温度是由炉丝的供电功率来调节，炉丝由可控硅的导通角度来控制其供电电压。通过改变可控硅的触发脉冲可以实现输出功率的调节，即调节可控硅的供电电压达到调节电加热炉炉膛的温度。

2 硬件电路设计

控制器的核心是PIC1684单片机，其硬件原理如图2所示。系统采用镍铬热电偶检测温度，测量范围在400℃～1 000℃ ，热电偶输出电压为16.4 mV～41.32

mV［3］，该信号经变送器变换标准模拟电压信号后送A/D0809转换器［4］，转换器输出的数字实测温度信号送入单片机PIC1684。单片机根据系统的给定温度和温度实测值比较得出偏差，然后执行智能PID算法程序求出控制量，得出可控硅的触发脉冲，调节可控硅的导通时间，达到控制温度的目的。

图2 硬件原理图

PIC1684单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，I/O地址分配为:RB0～RB7为输入端口，用来接收AD0809的D0～D7的实时温度数据;RA1为脉冲输出口，每输出一个脉冲，寄存器74LS164接收一次从串行输出口RA0输出的温度显示数据;RA1口为可控硅控制量输出口，RA3口接键盘的一输入按钮，用于正向温控设定(每按一次设定值加1，设满为0FFH)，RA4接键盘的控温/测温度开并，接低电平测温，接高电平控温。AD0809是8位8通道A/D转换器。74LS164为数据寄存器，74LS48为译码显示器。热电偶检测到的温度信号经变送器变换成0 V～5 V范围内的标准信号送A/D0809的IN0口。

3 温度控制的算法与程序

3.1 系统误差分析

典型二阶系统单位阶跃响应的误差曲线［5］如图3所示。在图中“Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ……”区域，误差朝绝对值减小的方向变化，实施较弱的控制作用以保持等待;在“Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ……”区域，误差朝绝对值增大的方向变化，实施较强或一般的控制作用以使误差减小。

设e(k)为当前采样时刻离散化的误差采样值，e(k－1)、e(k－2)为前一个和前两个采样时刻的误差采样值，Δe(k)、Δe(k－1)为前一个和前两个采样时刻的误差变化率，于是:

图3 典型二阶系统单位阶跃响应的误差曲线

设umax为控制器输出的最大值，umin为控制器输出的最小值，u(k)为控制器第k次的输出值，则:

设u(k－1)为控制器第k－1次的输出值，K1为放大系数(K1＞1)，K2为抑制系数(K2＜1)，emax、emid、emin为设定误差界限，其中emax＞emid＞emin。

当时，误差的绝对值很大，此时不论误差的变化趋势如何，都应考虑控制器按最大(或者最小)输出，以便迅速调整误差。即:

当e(k)·Δe(k)＞0时，误差在朝绝对值增大的方向变化，如果此时emid≤e(k)＜emax，误差仍较大，考虑控制器实施较强的控制作用，以便误差的绝对值迅速减小。即:

如果此时emin≤e(k)＜emid，误差并不大，考虑控制器实施一般的控制作用。即:

当e(k)·Δe(k)＜0时，误差在朝绝对值减小的方向变化，如果此时emid≤e(k)＜emax，误差仍较大，考虑控制器实施一般的控制作用。即:

如果此时emin≤e(k)＜emid，误差并不大，考虑控制器采取较弱的控制作用。即:

当时，误差的绝对值很小，此时可保持控制器的输出不变。即:

3.2 智能PID的控制规则

本研究根据上面的分析，可以总结出相应的控制规则如下:

规则1:如果，则:

规则2:如果，则:

规则3:如果，则:

规则4:如果，则:

智能PID控制算法在计算机中完成，实现上述算法只要对相关的参数进行四则运算和参数比较即可。智能PID算法中的emax、emid、emin等参数的大小及采样周期T的频率可在程序调试中具体确定。

图4 主程序流程图

3.3 软件系统设计

系统程序设计包括主程序设计、显示程序、键盘处理程序等。控制器的软件主要包括两部分:监控程序和控制程序。监控程序的主要功能包括初始化设置、内存清零、定时采样、键位操作和显示等。控制程序的主要功能包括定时、数据处理、斜坡输入信号、控制规则计算等。控制软件采用模块化结构，把常用的计算功能编成模块结构程序，固定其输入/输出地址，以便随时调用。其中主程序的流程图如图4所示［7］。

4 实验结果

实验电炉的升温、降温曲线如图5所示。由曲线可知炉温得到了良好的控制，其静态、动态指标均达到了控制要求，系统无超调，调节时间小。系统用单片机来设计，使控制和显示智能化、仪表化。

图5 电炉的升温、降温曲线

5 结束语

实践表明，对于电炉这样具有升温单向性、大惯性、大滞后性和参数时变的控制对象来说，智能PID控制器响应快速，克服了传统PID控制器超调量大，过渡时间长的缺点，可以获得令人满意的控制效果。其按区段进行不同算法的调节［6］，它既有bang-bang控制的快速性，又有迟滞控制稳定性的抗干扰能力。该控制器在热处理、化工、机械加工、金属冶炼等行业中具有广泛的用途和推广价值。

参考文献(References):

［1］ 李林琛.电加热炉温度控制系统数学模型的建立及验证［J］.北京工业职业技术学院学报，2010，9(4):23-25.

［2］ SU W E.New process identification method for automatic design of PIDcontrollers［J］.automatic，1998，34(4): 513-520.

［3］ 胡汉才.单片机原理及其接设计［M］.2版.北京:清华大学出版社，2004.

［4］ 王福瑞.单片微机测控系统设计大全［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［5］ 李正军.计算机测控系统的设计与应用［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［6］ PAN H Z.Experimental validation of a nonlinear backstepping liquid

controller for a state coupled two tank system［J］.Control Engineering

Practice，2005(13):27-40.

［7］ 赵一鹏，姜 伟.基于模糊PID电液伺服控制系统的设计和仿真［J］.轻工机械，2010，28(3):69-72.