一種無超調(diào)鈍角拐點的PlD溫控設(shè)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(jī)組態(tài)、PLC控制、特殊的PID調(diào)節(jié)方法，根據(jù)不同的溫升階段，使系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)并實時變更溫控功率的輸出比率，有效地克服了傳統(tǒng)PID控制器在溫控過程中，因溫控惰性而出現(xiàn)的超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)可完全依照用戶設(shè)定的溫控工藝曲線運(yùn)行，并全程實時控制、記錄加溫過程，嚴(yán)格執(zhí)行計劃曲線，尤其在變溫點的控制方面實現(xiàn)了既無欠溫又無超調(diào)鈍角拐點的控制效果。通過對實際產(chǎn)品的金相組織檢測，徹底消除了以往由于過溫超調(diào)而造成的廢品現(xiàn)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

隨著當(dāng)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(diào)響應(yīng)的PID(Proportional Integral Derivative)溫控系統(tǒng)已不能滿足特殊生產(chǎn)的需求，它不僅需要在加熱過程中嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)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(dá)不到預(yù)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(dǎo)致產(chǎn)生廢品。在金屬加熱溫度控制系統(tǒng)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(tǒng)噪聲、負(fù)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(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)定溫度曲線，采用典型的PID控制思路是難以實現(xiàn)的。在以往的生產(chǎn)過程中，為防止超調(diào)過燒，在溫度的拐點處是以欠溫狀態(tài)為代價運(yùn)行的，為追求產(chǎn)品的高質(zhì)量水平，經(jīng)反復(fù)探索、研究、實踐，在應(yīng)用Siemens Smatic S7-200 PLC的PID指令的基礎(chǔ)上，通過實踐新型PID自適應(yīng)控制理論，對不同溫度段PID各參數(shù)的適時變更、調(diào)節(jié)，突破了欠溫與超調(diào)相互制約的矛盾，達(dá)到了與系統(tǒng)預(yù)定的升溫曲線相一致的控制結(jié)果。

1 系統(tǒng)組成簡介
系統(tǒng)設(shè)備的基本組成如圖l(a)所示，具體控制過程為：在工控機(jī)組態(tài)軟件的支持下，通過人機(jī)界面的交互輸入或修改預(yù)定的工件加熱溫升曲線，系統(tǒng)的人機(jī)界面如圖l(b)所示，生產(chǎn)過程的操作均通過人機(jī)界面上相應(yīng)指示實施。設(shè)備運(yùn)行后，PLC將依照組態(tài)預(yù)定的溫升曲線，對變頻電源的功率輸出進(jìn)行實時PID調(diào)節(jié)，從而控制感應(yīng)加熱設(shè)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(huán)。系統(tǒng)運(yùn)行過程的實時數(shù)據(jù)及現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，均由相應(yīng)的傳感器件傳送到PLC和工控機(jī)實施數(shù)據(jù)采集記錄、報警提示等智能化控制，所有操作均可通過人機(jī)界面實現(xiàn)。

2 無超調(diào)PID溫控設(shè)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)器的輸出信號。Kp是調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，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(diào)節(jié)時將PID公式離散化后，在系統(tǒng)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：