熱處理工業(yè)中PID算法的研究與應(yīng)用

阮瑋琪,　程思源,費(fèi)敬敬（南京信息工程大學(xué)　電子與信息工程學(xué)院,南京　210044）

熱處理工業(yè)中PID算法的研究與應(yīng)用

阮瑋琪,程思源,費(fèi)敬敬
（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,南京210044）

PID智能控制算法能夠融合多種不同參量并且可以在不同工作模式下微調(diào)PID控制參數(shù)，PID智能控制算法在熱處理工業(yè)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了熱處理控制中升溫速度、保溫時(shí)間和冷卻速度的良好匹配，提高了工藝控制技術(shù)和成品率，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

熱處理控制;智能控制;PID算法應(yīng)用;PID算法深度改進(jìn);多參量控制

0　前言

熱處理工業(yè)中，為了降低工件硬度、消除殘余應(yīng)力、穩(wěn)定工件尺寸并減少變形與裂紋傾向，需要消除工件的表面應(yīng)力。熱處理的特點(diǎn)是改變工件或者毛坯的內(nèi)部組織，而不改變其形狀和尺寸，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能。因此，升溫速度、保溫時(shí)間和冷卻速度是熱處理工業(yè)中需要精確控制的參量，這就需要PID智能控制算法對溫度和時(shí)間雙參量進(jìn)行控制。

1　項(xiàng)目概括

PID控制算法是通過反饋的方式，利用傳感器讀取實(shí)時(shí)參量并與目標(biāo)參量做減法取差值，然后通過比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）的方式分別控制系統(tǒng)對外界反應(yīng)的快慢、滯后和提前。然而傳統(tǒng)的PID算法只能控制單一參量且無法自動(dòng)對PID三個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在熱處理工業(yè)中，溫度必須直接與時(shí)間數(shù)據(jù)掛鉤，且不同時(shí)間段的控制模式都不同，必須在升溫、保溫和冷卻三種模式中來回切換。新型PID智能控制算法很好的解決了雙輸入變量的控制和三種模式間的切換問題。

2　PID智能控制算法

2.1熱處理溫度控制要求

普通的熱處理控溫流程如下圖1，橫軸為溫度，單位小時(shí)(h)，縱軸為時(shí)間，單位攝氏度(℃)。如圖，室溫20℃下，經(jīng)過2h的緩慢升溫提升至300℃，并在300℃的情況下保持1h，這主要是為了使得鋼結(jié)構(gòu)工件充分受熱且受熱均勻，除去鋼結(jié)構(gòu)工件在室溫下吸收的水蒸氣等不利于高溫下熱處理的雜質(zhì)液體和氣體。經(jīng)過以上3h的加溫預(yù)熱之后，再經(jīng)過1h將溫度從300℃提升至600℃，可以看到，升溫速度明顯提升，然后經(jīng)過1.5h的保溫，熱處理完成。最后需要將工件緩慢降至室溫，經(jīng)過2h的緩慢降溫和1h正常降溫后完成這一工序。

2.2PID雙輸入量的融合計(jì)算

智能控制系統(tǒng)核心基于TI公司MSP430F169微控制芯片，具體的驗(yàn)證了PID智能算法的合理性。

系統(tǒng)首先根據(jù)用戶設(shè)置的控溫時(shí)間和目標(biāo)溫度，基于起始溫度計(jì)算出時(shí)間與溫度的線性關(guān)系，然后系統(tǒng)通過溫度傳感器和自身時(shí)鐘分別獲取當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)W和時(shí)間數(shù)據(jù)，智能PID算法將時(shí)間數(shù)據(jù)代入預(yù)先計(jì)算出的線性關(guān)系得出當(dāng)前工件的實(shí)時(shí)目標(biāo)溫度T，并將傳感器的溫度數(shù)據(jù)W與實(shí)時(shí)目標(biāo)溫度T一起進(jìn)行比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）計(jì)算。

2.3PID參數(shù)的智能微調(diào)

熱處理系統(tǒng)的三種工作模式加溫、保溫和冷卻，對于控溫的要求都不一樣。加溫階段要求系統(tǒng)反應(yīng)速度較快，需要提高比例系數(shù)（Proportion），并且加溫過程中溫度需要緩慢線性增加，因此，積分系數(shù)（Integral）需要增大，微分系數(shù)（Differential）需要減?。槐仉A段要求系統(tǒng)變化緩慢盡量保持當(dāng)前溫度，這就需要降低比例系數(shù)（Proportion），提高積分系數(shù)（Integral）和微分系數(shù)（Differential）以降低系統(tǒng)的變化速度，保持原有狀態(tài)，響應(yīng)系統(tǒng)的變化趨勢；冷卻階段，系統(tǒng)的降溫趨勢是主要考慮的因素，降溫速度過快會(huì)使得工件產(chǎn)生裂紋，因而降溫需要盡量平滑，可以通過適當(dāng)降低比例系數(shù)（Proportion）和提高微分系數(shù)（Differential）的方式實(shí)現(xiàn)。

以上三種工作模式中，PID系數(shù)的增大或者減小，都是在用戶設(shè)置的PID三個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過提升或者降低百分比的方式實(shí)現(xiàn)的。

3　結(jié)論

應(yīng)用PID智能控制算法后，實(shí)現(xiàn)了良好的熱處理控制。如圖2熱處理溫度采集數(shù)據(jù)圖，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集基于工業(yè)用記錄儀，記錄儀是一種半機(jī)械結(jié)構(gòu)儀器，記錄數(shù)據(jù)客觀而準(zhǔn)確。在升溫階段(0-2h，3-4h)，溫度點(diǎn)沿理想線性線段上下擺動(dòng)明顯，這是由于比例系數(shù)較大的緣故；保溫階段(2-3h,4-4.5h)，由于積分作用隨時(shí)間增加更加明顯，溫度點(diǎn)基本保持在一個(gè)溫度上，且隨著時(shí)間的增加更加趨于穩(wěn)定；冷卻階段，微分系數(shù)增大使得溫度沿著原有的趨勢變化。

以上PID智能控制算法是基于PID算法的深度改進(jìn)版本，在熱處理工業(yè)中的應(yīng)用，良好的實(shí)現(xiàn)了多個(gè)參量的融合和多種工作模式間的切換。智能算法通過控溫時(shí)間和目標(biāo)溫度自動(dòng)計(jì)算出線性關(guān)系，并實(shí)時(shí)根據(jù)線性關(guān)系，微調(diào)PID三個(gè)參數(shù)的大小。如此，溫度變化的快慢可以隨著工作模式的改變而改變，使得控制過程更加符合熱處理工藝要求，提高了成品率，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]徐祖耀.鋼熱處理的新工藝[J].2007.

[2]滿紅.自動(dòng)控制原理[M].清華大學(xué)出版社,2011.