基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统探究

基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统探究

周金山

广东粤铭智能装备股份有限公司 广东东莞 523000

[摘要]工业领域实施热处理生产运行期间，电热炉属于常用设备，对其温控系统有着极高要求，因电热炉原有温控系统存在着大滞后性、非线性及多干扰、较大功率等特点，故此次提出以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，便于弥补传统温控系统缺陷，达到更为理想化的温控效果，为今后能够更好地开发应用此类系统提供借鉴或指导。

[关键词]温度智能；电热炉；模糊PID；控制系统；

前言：

伴随现代科技持续的进步发展，温控技术实际成熟度不断提升，现阶段温控系统被广泛应用至众多行业领域当中。针对电热炉的温控系统来说，为能达到最为理想化温控效果，便需以模糊PID为基础，积极构建温度智能化控制系统，便于提升总体的温控效果，这有着一定的现实意义和价值。

1、关于以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统概述

PID，即生成树的协议STP当中，若端口所接收BID和path cost相一致，则经对比PID，选定阻塞端口。借助PID的参数控制，能够实现对工业生产当中液位、流量、温度、压力等调控。以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，其所具备特点集中表现为电热炉温控非线性、保温、升温、随时间变化等。电热炉实际温度若是超出最低或是最高限定值，温度变化便很难实现，设备故障产生。设备操作期间，需结合操作者感官条件实现信息获取及描述，依靠着工作经验来简单评估控制对象[1]。以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，其以产品加热及烘干为基本功能。加热过程，实行封闭式加热，借助PID来调节气，实现针对电热炉实际温度有效控制，确保其可维持最适宜温度，便于更好地投入产品具体生产加工中。

2、控制系统总体设计及其仿真分析

2.1系统设计

2.1.1在控制装置结构层面

模糊PID的控制装置结构当中，以直接及间接控制装置为主。常规PID的控制装置，为直接控制装置；而模糊推理，则为间接控制装置。系统运行期间，模糊推为基础下，对比分析当前温度和所设温度，二者偏差为｜e｜，而偏差实际变化率则为｜ec｜。有效判断PID控制装置性能，结合控制效果，对PID数值实施在线修改，涉及KP、K1、KP等，确保PID控制装置达到最为理想效果。结合模糊推理具体效果，经PID计算所获取控制量，依照着标定值来计算分析软件系统计数寄存装置R5数值，获取晶闸管实际启动时间，P1.7输出零触发的电路通断信号，实现对电热炉实际温度的调节。此以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统当中，借助单片机AT89C50予以定时，并借助寄存器实施计数，以5s周期和晶闸管的通断周期为主要方式，针对计数器则选定R5。

2.1.2在模糊变量及其控制规则确定层面

以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统当中，模糊PID为所输出模糊控制装置，经温控系统相应曲线获取，以偏差变化率及绝对值为方式，将系统整体运行过程展现出来[2]。故选定｜e｜、｜ec｜为输入的语言变量，借助单值模糊装置降低论域数值，便于降低其工作量，关于模糊变量及其控制规则确定详细如下：一是，针对输出/入变量实际论域层面。语言值表示情况，即B表示大；M表示中；S表示小；Z表示零；借助以上语言之来表示偏差数值，即X取值区间是0~3，以三角形为方式，分析各语言值实际隶属函数。针对输出的语言变量，以KP、K1、KP等为主，量化偏差之后，借助以上四个等级予以表示，则Y取值区间为0~3，隶属函数则是单点的模糊量这一形式；二是，针对PID参数自整定基本规则层面。｜e｜若为较大数值，为确保系统当中快速跟踪这一性能得以提升，促使强大电流针对电网所产生强烈冲击得以缓解，选定较大数值额度KP和较小数值KD。为避免系统当中有较大超调产生，则K1取值为0；｜e｜若数值适中，为将系统实际响应时间缩短，需尽可能将KP实际取值范围缩小，确保系统达到更高响应速度；｜e｜若为较小数值，若想确保系统稳定性得以提升，便需增加KP、KD取值，避免系统设定值有波动情况出现，为其余因素干扰系统预留相应空间；｜ec｜若为较小数值，KD数值大小应适中；｜ec｜若为较大数值，KD数值则适当缩小。

2.1.3在控制策略层面

加热炉实际运行期间，为非线性多样化特点的系数，故需以模糊控制和PID控制联合予以实现，确保PID控制优势得到更好的发挥，具备着模糊控制这一特征，把模糊系统有效融入到系统总结结合框架，将PID和模糊控制实际比例关系算出来，Z=a*Z1（1-a）*Z2。该列式当中，Z1、Z2分别代表PID的输出及模糊控制装置输出；而a，则代表协调因子，通过实时改变来协调因子数字，确保取值区间维持0~1，对于PID控制及模糊控制实施加权程度，确保充分其作用，隐藏二者缺陷。

2.2仿真分析

钢厂运行过程，引入以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，设备温度设1300℃，可允许偏差值设20℃，对该系统开展正式安装及运行调试前期，处于Matlab基础环境当中，借助计算机开展系统仿真处理分析，便于了解其优劣势情况，将最具理想化控制方案确定下来，改变蓄热式电热炉以往温度调节方式。对于该系统控制结果实施仿真处理及其分析，优化控制目标，以滞后惯性节点作为此次被控目标，将传递函数构建起来。被控目标设为G，被控目标假定函数对象是G（s）=

。室内温度达到20%条件，PID控制下参数设定：K1=0.08、KD=10、KP=1.6。待稳定3000s后，加入5K干扰。结合仿真结果便可了解到，系统呈现较长稳定时间，约3000s，超调较大，系统整体呈较低抗干扰力。若想达到良好温控效果，融入Smith，对系统当中较大滞后节点起到补偿作用，虽升温控效果有所提升[3]。但实际应用期间，无法实现完全补偿，需将模糊控制的规则表建立起来，对于模糊控制装置实施仿真处理，其仿真结果超调量是0，实际稳定及上升时间分别是1000s、900s，系统此时可达较强抗干扰力。经对比分析以上三种不同控制装置仿真效果，对比其超调量、实际稳定及上升时间相关动态参数后可了解到，PID为控制装置条件下，为52.4%超调量，稳定及上升时间各为3000s、500s；针对控制装置当中融入Smith的PID条件下，为28.6%超调量，稳定及上升时间各为1500s、500s；针对控制装置为模糊控制条件下，为0%超调量，稳定及上升时间各为1000s、900s。

3、结语

综上所述，经此次对以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统所开展分析可了解到，该系统原理简单，电热炉实际温度超调量和稳定状态呈较小偏差，系统可以结合自身需求，实施升温及降温相应调控，有效提升系统自调能力，具备较强稳定性，控制效果相对理想化，持续推广及运用价值显著。工业企业可结合自身具体的需求情况，不断优化完善以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，便于系统优势得以更为充分的发挥，不断提升系统实际应用效果。

参考文献：

[1]戴世纪,王仲根.基于Smith预估型模糊PID温度控制系统的设计[J].重庆工商大学学报：自然科学版,2020,37(016):619-620.

[2]骆东松,李龙.基于S7-410的模糊PID炉膛温度控制系统设计[J].工业控制计算机,2021,34(011):326-327.

[3]韦宏利,周建波,王晴悦,等.基于模糊PID的温度控制系统设计[J].国外电子测量技术,2021,40(009):611-612.