一種無(wú)超調鈍角拐點(diǎn)的PlD溫控設計

摘要：為解決某特種金屬熱處理的溫控工藝要求，通過(guò)采用工控機組態(tài)、PLC控制、特殊的PID調節方法，根據不同的溫升階段，使系統自適應調節PID參數并實(shí)時(shí)變更溫控功率的輸出比率，有效地克服了傳統PID控制器在溫控過(guò)程中，因溫控惰性而出現的超調現象，系統可完全依照用戶(hù)設定的溫控工藝曲線(xiàn)運行，并全程實(shí)時(shí)控制、記錄加溫過(guò)程，嚴格執行計劃曲線(xiàn)，尤其在變溫點(diǎn)的控制方面實(shí)現了既無(wú)欠溫又無(wú)超調鈍角拐點(diǎn)的控制效果。通過(guò)對實(shí)際產(chǎn)品的金相組織檢測，徹底消除了以往由于過(guò)溫超調而造成的廢品現象。
關(guān)鍵詞：金屬熱處理；金相組織；PLC溫控；工控組態(tài)；PID控制器

隨著(zhù)當今工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，在特種金屬熱處理的工藝要求中，具有超調響應的PID(Proportional Integral Derivative)溫控系統已不能滿(mǎn)足特殊生產(chǎn)的需求，它不僅需要在加熱過(guò)程中嚴格執行預定的溫升曲線(xiàn)，而且尤其注重溫度拐點(diǎn)的工藝控制，必須做到既無(wú)欠溫而又無(wú)過(guò)溫的控制效果。欠溫時(shí)達不到預定的工藝要求，而過(guò)溫可能會(huì )造成加熱工件的晶粒組織形成永久性的破壞而導致產(chǎn)生廢品。在金屬加熱溫度控制系統中，由于加熱源與被加熱對象之間控制惰性的客觀(guān)存在，在系統噪聲、負載擾動(dòng)等時(shí)變不確定性的影響下，若要求加熱工藝過(guò)程實(shí)時(shí)準確執行預定溫度曲線(xiàn)，采用典型的PID控制思路是難以實(shí)現的。在以往的生產(chǎn)過(guò)程中，為防止超調過(guò)燒，在溫度的拐點(diǎn)處是以欠溫狀態(tài)為代價(jià)運行的，為追求產(chǎn)品的高質(zhì)量水平，經(jīng)反復探索、研究、實(shí)踐，在應用Siemens Smatic S7-200 PLC的PID指令的基礎上，通過(guò)實(shí)踐新型PID自適應控制理論，對不同溫度段PID各參數的適時(shí)變更、調節，突破了欠溫與超調相互制約的矛盾，達到了與系統預定的升溫曲線(xiàn)相一致的控制結果。

1 系統組成簡(jiǎn)介
系統設備的基本組成如圖l(a)所示，具體控制過(guò)程為：在工控機組態(tài)軟件的支持下，通過(guò)人機界面的交互輸入或修改預定的工件加熱溫升曲線(xiàn)，系統的人機界面如圖l(b)所示，生產(chǎn)過(guò)程的操作均通過(guò)人機界面上相應指示實(shí)施。設備運行后，PLC將依照組態(tài)預定的溫升曲線(xiàn)，對變頻電源的功率輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)PID調節，從而控制感應加熱設備對工件加熱，工件的實(shí)時(shí)溫度則又由紅外測溫儀采樣后反饋至PLC形成溫度閉環(huán)。系統運行過(guò)程的實(shí)時(shí)數據及現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)信息，均由相應的傳感器件傳送到PLC和工控機實(shí)施數據采集記錄、報警提示等智能化控制，所有操作均可通過(guò)人機界面實(shí)現。

2 無(wú)超調PID溫控設計
2．1 SIEMENS PLC中PID指令算法
在西門(mén)子PLC中，由于其PID算法是一種經(jīng)典的PID算法，原理上與自動(dòng)化儀表的控制思想是一致的。其PID控制結構如圖2所示，輸入輸出關(guān)系為：

圖2中，Sv(t)是輸入量(給定值)，Pv(t)是反饋量，C(t)為輸出量。偏差值ev(t)=Sv(t)-Pv(t)；mv(t)是PID調節器的輸出信號。Kp是調節器的比例系數，Mintial是PID回路輸出的初始值，PLC可編程控制器在對被控量PID調節時(shí)將PID公式離散化后，在系統的采樣周期為T(mén)s時(shí)，用矩形積分近似精確積分；用差分近似精確微分，將PID公式離散化，則第n次采樣時(shí)控制器的輸出為：