一種無超調鈍角拐點的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，通過采用工控機組態、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參數并實時變更溫控功率的輸出比率，有效地克服了傳統PID控制器在溫控過程中，因溫控惰性而出現的超調現象，系統可完全依照用戶設定的溫控工藝曲線運行，并全程實時控制、記錄加溫過程，嚴格執行計劃曲線，尤其在變溫點的控制方面實現了既無欠溫又無超調鈍角拐點的控制效果。通過對實際產品的金相組織檢測，徹底消除了以往由于過溫超調而造成的廢品現象。
關鍵詞：金屬熱處理；金相組織；PLC溫控；工控組態；PID控制器

隨著當今工業生產的不斷發展，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)溫控系統已不能滿足特殊生產的需求，它不僅需要在加熱過程中嚴格執行預定的溫升曲線，而且尤其注重溫度拐點的工藝控制，必須做到既無欠溫而又無過溫的控制效果。欠溫時達不到預定的工藝要求，而過溫可能會造成加熱工件的晶粒組織形成永久性的破壞而導致產生廢品。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存在，在系統噪聲、負載擾動等時變不確定性的影響下，若要求加熱工藝過程實時準確執行預定溫度曲線，采用典型的PID控制思路是難以實現的。在以往的生產過程中，為防止超調過燒，在溫度的拐點處是以欠溫狀態為代價運行的，為追求產品的高質量水平，經反復探索、研究、實踐，在應用Siemens Smatic S7-200 PLC的PID指令的基礎上，通過實踐新型PID自適應控制理論，對不同溫度段PID各參數的適時變更、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相一致的控制結果。

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

2 無超調PID溫控設計
2．1 SIEMENS PLC中PID指令算法
在西門子PLC中，由于其PID算法是一種經典的PID算法，原理上與自動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調節時將PID公式離散化后，在系統的采樣周期為Ts時，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次采樣時控制器的輸出為：