基于积分分离PID的炉温控制系统设计与仿真

吴和杰（海南省高级技工学校，海南海口 571100）

基于积分分离PID的炉温控制系统设计与仿真

吴和杰（海南省高级技工学校，海南海口 571100）

电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对物料加热的一种工业炉，被广泛应用于石油化工等工业上。因此，对于电阻炉温度的精确控制是工业控制领域中一个十分重要的课题。通过对炉温控制系统的分析，可该温度自动控制系统具有纯滞后一阶惯性特性，工业上普遍采用比例积分微分控制规律--PID控制规律。但在现实生产自动控制中出现，每逢系统开车、停车以及对给定值进行调整时，该温度控制系统的e值（偏差）瞬间变化超大，比例积分微分控制规律适用于控制对象控制通道容量滞后较大而且进行消除余差的应用场合。

积分分离；PID；炉温控制

针对传统的比例积分微分控制算法在炉温控制中的上述问题，本文采用了一种积分分离PID控制算法设计了炉温控制系统并进行了仿真，实现了对炉温的容量滞后较大、控制质量要求较高的三作用控制规律。

1 电阻炉温度PID自动控制系统结构

电阻炉温度PID自动控制系统结构方框图以图1表示。该温度PID自动控制系统由3大部分组成：单片机系统；温度测量与控制系统；人机对话系统。

该系统在进行温度测量与控制工作时，热敏电阻对电阻炉内温度进行测量检测，把测量结果进行相应的信号放大、在经过A/D转换得到标准的数字量，把标准的数字量传送给单片机系统，通过对测量信号和设定信号对比及运算，输出控制量，控制电阻丝加热量，达到对炉内温度进行精准控制的目的。

图1 电阻炉温度PID自动控制系统结构方框图

2 积分分离PID控制规律应算方法

传统的PID控制规律应算法中，比例积分控制规律能消除余差，控制质量最高。但是在系统开车、停车以及改变设定值时，系统控制量的输出在瞬间内会产生较大的偏差，而且加上积分积累的特性，导致控制量超过控制极限，引起控制系统大幅量超调，引起系统不稳定。

针对上述问题，系统引入了积分分离PID控制规律应算法。积分分离PID控制规律应算方法的根据是：假设e值（偏差）出现较大时，立刻分离积分作用，限制超调量的累加；等被控变量接近设定值时，再引入积分控制作用，消除系统产生的静差，从而提高该系统控制的精准度。基本操作如下：

2.1 事先设定ε＞0；

2.2 当|e|＞ε时，采用比例微分控制规律控制；

2.3 当|e|≤ε时，采用比例积分微分控制控制。实现积分分离作用，此控制规律应算法可表示如下：

式中，T是测量时间，β是积分开关系数

系统的控制算法流程图如图2所示。

图2 积分分离PID控制算法流程图

3 系统仿真及分析

图3积分分离PID温度控制系统模型

图4给出了积分分离PID与普通PID的阶跃跟踪曲线，图中虚线为积分分离PID的阶跃跟踪曲线，实线为普通PID的阶跃跟踪曲线。传统的PID控制规律应用，输入量细微变化时，无超调，但是在阶跃量干扰下，输入量变化较大，产生巨大超调。从图4的仿真结果曲线可以看出，在同样参数条件下控制，采用积分分离PID控制规律，尽管有阶跃干扰输但能明显的减少了超调量，从而可以控制系统的超调与振荡现象。