热处理炉综合式自校正温控系统研究

孙玉新，闫思江，李凡国

（青岛港湾职业技术学院，山东 青岛266400）

热处理炉综合式自校正温控系统研究

孙玉新，闫思江，李凡国

（青岛港湾职业技术学院，山东 青岛266400）

针对铸造用热处理炉温度的动态响应延迟和滞后的特点，本文基于综合式自校正PID原理，利用自校正PID控制器对热处理炉温控系统进行串级控制再设计，并设计了二级调节器的串级温度控制系统。结果表明，综合式自校正PID串级温度控制系统可以有效地提高热处理炉温度控制系统的稳定性并改善了系统的鲁棒性，优于传统的PID控制方法。

热处理炉；综合式自校正PID；温控系统；串级控制

0 引言

热处理炉温度是铸件生产过程中产品出厂的最后一道工序，热处理炉温度过高或者过低将对铸件的正常使用造成不良影响[1-2]。当前，很多国内外研究人员针对热处理炉温度控制问题进行了相关先进控制方法的研究。本文是以铸造企业单元热处理炉温度控制系统为研究对象，对热处理炉温度控制系统的温度调控进行了特性分析，阐述了温控系统的串级控制系统，通过Matlab/Simulink对有色噪声干扰下，参数多次突变时热处理炉温度控制的情况进行仿真分析。

1 热处理炉温度控制的再设计

1.1 热处理炉串级控制系统设计

热处理炉温度串级控制系统的结构如图1所示，温度控制系统由内外两个回路组成，其中温控内回路包括导前温度变送器、执行器、副调节器、减温水调节阀和减温器，而温控外回路包括主温度对象、温度变送器、温度主调节器及整个内回路。热处理炉温度控制系统的主要控制手段为减温器的喷水，因为热处理炉距离减温器出口较远，并且热处理炉管壁热容较大，这样导致主热处理炉温度控制具有较大的滞后和延迟。为此我们在温控系统中加入一个能反映减温水量变化的中间温度信号θ2做导前信号控制，这样就增加一个调节器PI2组成(见图1所示)的温度串级控制系统。这样根据θ2控制输入信号，调节器PI2通过减温水阀流量及开启的控制及时控制温度的变化，在这个过程中若某种扰动使热处理炉温度θ2比θ1提早发生变化，这样调节器PI2就是提前开始响应这种变化并及时做出反应，这样扰动θ2引起的温度波动就得到及时消除，从而不受影响热处理炉温度θ1，当热处理炉温度控制系统趋于稳定时，温度主、副调节器的温度输入偏差均为零，在这种温度串级控制系统中，温度调节器PI1的给定值同时影响着温度调节器PI2，前者根据温度信号θ1改变θ2的给定值，这样就保证了在即使有负荷扰动的情况下，仍可以保障满足X的温度要求，由此可见，采用两级调节器的串级系统中，既可以完成各自其特殊调控任务，又可以互相协调并补充其调节功能[3-4]。

图1 热处理炉温度串级控制系统

1.2 热处理炉综合式自校正PID温度控制系统设计

本文所设计的热处理炉综合式自校正PID二级减温温度控制系统结构，二级热处理炉的出口蒸汽温度作为综合式自校正PID二级减温控制系统的主回路的被控量，通过主回炉温度的给定值与实际蒸汽温度值进行比较，从而产生了二级热处理炉出口蒸汽温度偏差信号，进而对整个温度系统的进行响应。 后屏热处理炉出口蒸汽温度的给定值是随工作负荷而变化的，通常情况下其设定值的大小小与末级热处理炉的蒸汽流量扰动下的蒸汽温度特性是相反的，即如果增加蒸汽流量，那么热处理炉的温度设定值必要要下降，这样可以大幅度减小一级减温水流量，避免在锅炉高负荷工作时引起的临界高温[5-6]。

2 有色噪声干扰下，参数突变的系统仿真与分析

2.1 热处理炉温度控制的动态特性

众所周知，热处理炉的温度控制是非常典型的迟延较长，参数慢时变的控制过程。图3有色噪声干扰下，参数突变时热处理炉温度控制输出跟踪输入控制的仿真结果。由图2可见，在温度参数每次发生跳变后，控制律u(k)的输出均出现了非常大的波动，温度响应y(k)也大大偏离了预定的温度yr(k)，究其原因，这主要是因为温度调控参数积将要发生跳变的过程中，参数控制估计值与实际温度值有较大的偏差，这将直接影响到PID参数控制器的计算与分析，由于综合式自校正控制策略，使得温度预估参数的计算值越来越精确，从而使得控制器的输出变得越来越精确稳定，温度响应y(k)就可以及时准确的跟踪预定的温度yr(k)，这样控制器就将热处理炉温度控制系统的极点配置到期望的位置。系统温度在1500s的时间内有两次跳变发生，这预示着热处理炉温控系统的零、极点也有两次突变发生，同时可以看出参数具有较高的辨识精度，并且参数估计值具有较快的收敛速度和精度，这个仿真着力体现了对于温控系统大迟延、参数时变时综合式自校正方法的优越性。

图2 有色噪声干扰下，参数突变时热处理炉温度控制输出跟踪输入控制的仿真

当热处理炉温度控制输入信号 yr(t)为方波时，综合式自校正PID温度控制与传统PID串级温度控制效果y(t)的对比结果如图3所示，其中蓝色曲线表示传统PID串级温度控制响应，红色曲线表示综合式自校正PID温度控制响应。由图可见，在未加干扰的情况下，综合式自校正PID温度系统温度响应速度较快，调节时间较短，无大的滞后延迟现象存在，发生的温度输出y(t)可以准确并及时跟踪温度参考输入yr(t)。综合式自校正PID串级二级温度控制方案在有干扰和参数时变的情况下，温度响应输出仍然能够准确地跟踪温度输入；而传统PID串级一级温度控制方案，在未加干扰和参数没有发生变化的情况下，输出依然不能准确得跟踪温度输入。从图中仿真结果对比可以看出，综合式自校正PID串级二级温度温控制方案是优于传统PID串级一级温度控制方案的调控精度，且其稳定性也较高。

图3 综合式自校正PID温度控制与传统PID串级温度控制效果的对比结果

3 结论

本文通过采用串级一级温度控制系统对热处理炉复合高峰运行时的温度进行调控，同时采用综合式自校正PID控制改善热处理炉温度控制系统的延迟与滞后性，利用综合式自校正PID控制器对热处理炉温控系统进行串级控制再设计，并设计了二级调节器的串级温度控制系统图等进行绘制，并通过 MATLAB/Simulink仿真程序对综合式自校正PID串级二级温度控制系统进行论证，而传统PID串级一级温度控制方案，在未加干扰和参数没有发生变化的情况下，输出依然不能准确得跟踪温度输入，因此综合式自校正PID串级二级温度温控制方案是优于传统PID串级一级温度控制方案的调控精度，且其稳定性也较高。

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[2]李中伟,张东文,冯砚厅,等.600MW锅炉末级热处理炉管卡处磨损处理[J].热加工工艺,2010,39(23):246-248.

[3]李志明.自校正PID算法在热处理炉中的应用[J].内蒙古化工,2011(18): 37-39.

[4]赵振宁,程亮,朱宪然.300MW 热处理炉汽温不足问题分析及对策[J].华北电力技术,2013 (1):59-62+70.

[5]周云龙,苏耀雷.基于神经网络的锅炉过热器和热处理炉管壁温度预测研究[J].热力发电,2012，41(5): 22-26.

[6]朱明善,刘颖,林兆庄,等.工程热力学 [M].北京: 清华大学出版社,2004.

Research of Integrated Self-tuning PID Temperature Control System of Furnace for Heat Treatment

SUN Yu-xin,YAN Si-jiang,LI Fan-guo
(Qingdao Harbour Vocational and Technical College,Qingdao 266400,China)

Aimed at the characteristics of the delay and lag of the dynamic response of the temperature reheat thermal power plant,based on the integrated self-tuning PID principle,this paper used the integrated self-tuning PID controller to redesign the cascade control of the temperature control system of the reheater for the thermal power plant.W The results show that the temperature control system for the reheater fo the thermal power plant using the integrated self-tuning PID can effectively improve the stability of the reheater temperature control system and improve the robustness of the temperature control system,and this control method is obviously superior to the traditional PID control method.

reheater; integrated self-tuning PID; temperature control; cascade control

TG155

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.021

孙玉新（1979-），女，讲师，硕士研究生，研究方向：机械设计制造。