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工业电炉温度控制系统中数字改进PID算法的介绍

简介：本文简单分析了工业电炉温度控制系统和简单原来，利用基础PID算法，提出一种改进PID算法，达到较好的控制效果。

PID控制由于原来简单、稳定可靠等特点在工业控制过程中得到普遍的应用。但是在工业电炉的控制中，由于工业电炉属于非线性、时变大、大滞后的特点，传热比较复杂，所以常规PID难以对工业电炉进行精确稳定的控制。所以实际的工业电炉控制场合逐渐引入更先进的控制策略，以提高控制质量。

数字PID算法的控制原理

电阻炉采用可控硅温度控制器，温度测量与控制系统中，实际炉内温度在热电偶的监测下，由温度变送器转换为0～5V的电压信号，计算机系统采集温度信号后，与设定的温度进行比较计算，计算出温度误差和变化率，然后通过PID温度调节器用自调节控制算法求出控制输出量(0～10mA或者4～20mA)。该输出量经过转换后输送到可控硅调压器的输入端，改变可控硅控制器的导通角。导通角与输入到电阻炉两端的交流电压值成正比关系，与电阻炉的输入功率也成正比关系，当炉温保持在设定的炉内温度时，可控硅保持当前的导通角不变，电阻炉保持当前的输入功率不变，这样可以保证炉内实际温度不变。

PID控制由比例单元P、积分单元I、微分单元D组成。在一般的控制情况下，PID控制并不一定需要比例积分微分三个单元同时控制，可以取其中的一到两个单元，但是比例单元是不可缺少的一个控制单元。在计算机控制系统中，PID控制的灵活性很大，于是针对如上对积分项进行改进，产生了先进算法，改善了系统品质，满足复杂系统控制的需要。

在基础PID控制理论中，积分项系数为常数，这样在系统整个的电炉控制被控量趋于设定值的时间里，积分项累加的增量是不变的。而考虑到控制的稳定性，系统对积分项有着特定的要求，系统积分作用的强弱应该和系统偏差的大小成反比关系。

如果积分系数过大会产生反面的效果，较大的超调量随之产生，严重的话还可能产生积分饱和现象，如果取值过小，系统又不能短时间消除静差。因此如何保证积分累加的速度根据系统偏差情况的改变而改变，对于提高控制质量和系统品质是具有不可或缺的研究意义。由此变速积分PID算法应运而生。

变速积分PID控制算法的基本思路为：通过某种算法，使得系统积分项的累加速度成反比于系统偏差的大小。偏差越小，积分越快；偏差越大，积分越慢。由仿真结果可以

看出，变速积分与积分分离是两种类似的PID控制算法，但是他们的调节方式不一样，前者是缓慢控制积分项变化，后者则直接控制积分项的有无，类似于“开关”控制。

由工业电炉温度控制的仿真结果可以得出，变速积分PID算法采用比例控制消除大的误差，采用积分控制消除小的误差，这样就可彻底的消除积分分离现象，很容易的整定各个参数，缩短了调节时问，减小了******超调量和振荡次数。因此，在工业电炉温度控制系统中，变速积分PID控制算法比其他的算法具有更好的控制性能，更适合处理复杂多变的温控系统。

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