分段PID在高温石墨化炉温度控制中的应用

2016-11-03薛煜骞胡祥龙

制造业自动化 2016年10期

关键词：分段石墨偏差

薛煜骞，胡祥龙，周瑶

（1.石河子大学机电学院，石河子 832000；2.湖南顶立科技有限公司，长沙 410118）

分段PID在高温石墨化炉温度控制中的应用

薛煜骞1，胡祥龙2，周瑶2

（1.石河子大学机电学院，石河子 832000；2.湖南顶立科技有限公司，长沙 410118）

在高温石墨化炉加热过程中，温度一般采用PID闭环控制，而实际加热过程中高温会使发热体电阻发生变化，从而影响整个炉内加热模型，所以一组PID参数无法在整个升温过程中的不同温度段都做到精确调节，分段PID针对此问题，在不同的温度段，采用不同的PID参数设定，使实际温度在整个升温过程中能精确跟随给定升温曲线，更好的满足工艺要求，提升高温石墨化炉的产品质量。

高温石墨化炉；分段PID；精确调节；升温曲线

0　引言

石墨化是指非石墨质碳经2000℃以上高温热处理，主要因物理变化转变成结构规则的石墨碳质的过程。该过程是为了改善石墨化材料的热电传导性，增加其稳定性，提高碳材料纯度、去除杂质等。高温石墨化炉长期工作在2600℃左右的高温下，整个温控系统一般采用常规PID控制，但是高温石墨化炉具有大滞后、大惯性和非线性的特点，加上高温时发热元件的电阻变化，一般PID不能取得理想的效果。因此，在普通PID控制的基础上，设计一个控制精度高，运行稳定性好的高温石墨化炉温度控制系统具有很高的应用价值。

1　PID控制技术［1］

经典的控制技术是基于被控对象的精确数学模型的控制方式，通过传递函数联系使输入和输出相关系，控制系统由于过于依赖数学模型而往往缺乏应变能力。传统控制的经典之一就是PID，其原理如图1所示。

PID控制是把设定值与实际反馈值的偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，通过执行机构对控制对象进行控制。比例作用是提高响应速度和提高系统的调节精度。积分作用是消除系统静态误差，但是积分参数选择过大饱和会产生超调，选择过小则难以消除静态误差影响精度。微分作用是改善系统动态性能。

PID中的P、I、D参数一般通过经验设定，通过调试参数以改变控制性能。由于PID算法简单、可靠性高并且容易实现，比起多数智能算法被更广泛应用于工业过程控制当中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性温控系统。

2　PID算法改进

PID一般模拟控制计算如式（1）所表示：

式中：u（t）表示控制输出；e（t）为偏差值，即设定值与反馈值之差；KP是比例增益；TI，TD为控制器积分微分常数。调节KP，TI，TD使系统快速稳定达到设定值是PID算法的原理。实际计算机控制系统中，由于计算机只能识别二进制，只能把式（1）改为离散的公式表达：

图1　PID系统原理图

其中：T为采样周期；k为第k次采样号；u（kT）为第k次采样时的离散输出值；e（k-1）T为e（k-1）次采样时刻偏差值。如果采样周期足够小，该算式能很好的逼近公式（1），使被控过程基本接近连续控制。

可简化为：

式（3）为离散化的位置式PID控制算法编程表达式［2～4］。

由式（3）可以看出，比例环节产生的控制量只与最后一次采样的偏差e（k）有关，微分环节产生的控制量只与最后两次采样的偏差e（k）和e（k-1）有关，而积分环节产生的控制量与前k次的采样偏差都有关。在开始和结束阶段，或者在调节过程中当设定值出现跳变时，就有可能使得这个积分累积项增大，产色积分饱和现

当e（k）＞δ时，α=0；当e（k）≤δ时，α=1。其中δ是偏差阈值［5，6］。

通常采用试凑法来确定PID参数，P、I、D三个参数保持其中两个参数不变，调节其中的另外一个参数，观察调节的参数对系统响应的影响，反复调节，直到控制精度和响应速度都令人满意。由于PID控制是针对于某温度点进行的，所以理论上需要根据温控精度将整个温控过程分为无限多个温度段，但是段数也受到数据存储能力，实际可操作性等诸多因素影响，合理划分为几个温度段即可满足一般的控温要求，从而达到分段控温的目的。

3　在高温石墨化炉中的应用和效果

高温石墨化炉的温度控制也是以PLC，功率控制器，发热体，温度测量器件构成的一个闭环PID系统，其温度控制框图如图2所示。

图2　高温石墨化控制系统原理图

上位机通过工艺设定界面把升温时间和目标温度设定值输入到PLC，PLC拟合一务工艺曲线，同时把整个工艺过程按时间或者温度分成若干段，不同段设置不同的PID参数，为了减小积分项产生的超调，设定温度偏差阈值，当偏差大于温度偏差阈值时，I自动设置为0，反之则保留原参数。

高温石墨化炉的工艺曲线是阶梯式上升的折线，图3为最高温为2600℃的高温石墨化炉的工艺曲线：

图3　高温石墨化炉工艺设定曲线图

由于在2000℃以下电阻变化较小时，分段PID效果变化不明显，即使不做分段处理，温度跟随给定的效果也较好，所以本文选取图3中15-17段工艺曲线，即2400℃-2500℃升温段和2500℃保温段曲线，常规PID的参数设置为P=10.0，I=28，D=8，分段PID参数在该温度区间内设置为P=10.5，I=25，D=7。15-17段工艺区间分段PID和不做分段处理的PID的控温曲线比较如图4所示。

图4　分段PID和普通PID控温曲线图

从图4可以看出：与普通PID比较，该温控段中分段象，造成较大的超调甚至振荡。因此对积分项必须加以限制，有效的措施是在采样次数0-k范围内，采样偏差量大于阈值时取消积分项，采样偏差量小于阈值则保留积分项。取消积分项使用PID调节时，既保证了快速相应，又避免了超调；保留积分项使用PID调节时，保证了控制精度。

其规律为：PID具有超调小，精度高的特点，整个实际曲线跟随设定曲线的效果非常好。在温度控制系统的实际应用中，这些都是非常重要的性能指标。

4　结束语

本文通过针对高温石墨化炉温度控制的特点，结合PID控制技术，设计出了一套可行的分段PID控制系统。实践证明，与传统PID控制相比较，该控制系统具备稳定性好、控温精度高、温升曲线跟随设定工艺曲线效果好等特点，完全满足高温石墨化炉的工艺要求，改进PID技术在高温炉温度控制领域的应用。

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2）设计变量。横向载重板在工作的时候，主要受到横向气缸的推力以及五个气动手指的重力作用，由横向载重板的应力分析可知，其应力主要分布的螺纹孔周围。为了整体的配合，企业要求不改变横向载重板的外观尺寸，因此综合考虑，可以通过减小其厚度L来实现节省材料，并将其最小厚度设置为5mm。

在SolidWorks Simulation中生成新的算例，并重复前面的步骤，优化结果显示：横向载重板的厚度从10mm变为5mm，质量从0.567kg变为0.268kg，减少了52.73%，最小安全系数为8.01。符合安全生产标准，证明此优化设计可行。图9为优化后的横向载重板的应力分析图。

图9　优化后横向载重板应力分析图

4　结束语

本文应用SolidWorks2014三维软件对簧片自动铆接生产线的拨叉机构进行设计，同时对关键结构横向载重板进行应力分析和优化设计。仿真结果表明：螺纹孔周围部分所受应力、位移和应变都较其他部位大，满足横向载重板使用强度。在满足安全系数的前提下，对横向载重板进行优化，优化设计的结果使横向载重板的总质量大幅减轻、降低了制造成本。

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Application of segment PID in high temperature graphite furnace temperature control

XUE Yu-qian1， HU Xiang-long2， ZHOU Yao2