基于灰色PID控制的工业加热炉温控研究

诸天逸　朱慧

摘 要：灰色PID智能控制算法能够在工业加热炉这个复杂非线性的系统中，改善控制性能并提高鲁棒性，确保了温度控制的稳定、准确、快速，大大提高了工业生产的效率和成品率。

关键词：工业加热炉；灰色控制；PID控制；温度控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.027

0 前言

温度控制是工业加热炉的一个技术难题，因工业加热炉本身具有的炉温度惯性较大、温度变化缓慢、系统滞后性严重、时变等特点，而工业要求的温度一旦达到并超过所需要的温度，那么就无法采用控制手段使其降温，所以，温度控制需要非常精确，它与任何物化变化都相关。因此，工业加热炉的温度控制在工业制造中具有极其重要的地位，也就需要不断优化控温方案，以求获取最佳的经济效益。

1 项目概括

本文提出的灰色PID控制算法是能够处理不确定量，它需要的要求少，移植性好、计算灵活易行，对不确定部分建立灰色模型，利用它来控制系统中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制质量及其鲁棒性[1]。

在加热炉温度控制中，温度是时间的函数，基于灰色PID控制的工业加热炉闭环控制，其中一部分是对当前工业生产中加热炉温度的实时测量，另一部分是通过灰色预测器对不确定温度部分进行的估计，通过调节两部分信号的权重值Kr和Kg，分别进行估计，可以实现对总体温度的补偿，从而达到灰色控制的效果。

2 灰色PID控制算法

2.1 传统加热炉温度控制

普通的加热炉温度控制利用PID控制算法，由于此算法较容易、鲁棒性较好、可靠，常常在加热炉温度控制系统中应用，但是对于非线性、时变的、不确定的、和纯时间滞后的加热炉温度控制系统来说，难以建立准确的温控数学模型，用PID算法的效果不是很理想，微分所用的效果要等温度偏离目标温度很多时才起作用，这种事后控制方式不能解决系统的超调问题。鉴于此，本文有必要提出一种基于灰色PID控制的工业加热炉温度控制方案，以灰色理论为基础，对系统不确定部分进行灰色建模及灰色预估补偿，使控制系统的灰度得到一定成都的白化，提高了对工业加热炉温度的有效控制[2]。

2.2 灰色PID控制建模计算

灰色PID控制系统核心基于ST公司的STM32F103RBT6芯片，具体验证了灰色PID智能算法的合理性。

加热炉控制系统根据预先设定的温度和时间，基于起始温度，生成灰色控制数列。首先建模，用预先设定的温度数据生成数列并建立微分方程，灰色控制系统的研究中，将原始数据进行计算处理，亦即数的“生成”，当中为了增强规律性，弱化随机性而采用累加生成。

2.3 灰色PID加热炉温度控制

由于工业加热炉系统是一个复杂的非线性不确定系统，为了减弱不确定部分的影响，改善控制性能并提高鲁棒性，在温度控制器启动过程中，首先要用灰色估计器将不确定部分模型参数V粗略地估计出来，然后对系统进行一定程度的灰色补偿，由于这种灰色补偿不要求连续实时地进行，所以不存在通常实时辨识中存在的数据发散问题。

温控系统中的灰色估计器的PID控制方法分为两个阶段。首先采用PID进行温控，对不确定部分的模型参数V进行估计，其次在上述控制规律基础上，按照估计参数加上补偿控制，此时系统性能将大为改善，鲁棒性大为提高。

3 结论

应用灰色PID控制算法后，实现了良好的加热炉温度控制，利用记录仪记录的数据温度沿着预先设定的温度稳定变化，有效地消除了传统PID微分的滞后性，使得工业加热炉温度控制超调的问题得到深度的改善。

以上基于灰色PID控制的工业加热炉温度控制算法是传统PID算法的深度改进版本，在工业加热炉温度控制的应用中良好的实现了对温度的准确、稳定、快速的控制要求，结合工业加热炉具体工艺要求，可以使系统精确升温、恒温、降温，从而保證系统有充足实现过渡，确保设备和工作人员的安全，也大大提高了工业生产的效率和成品率。

参考文献：

[1]秦刚.基于灰色PID控制的智能车差速转向系统研究[J].2015.

[2]李永泰.工业加热炉控制方法研究[J].2010.