PID加热炉温度控制器设计+仿真图+回路图(4)
图3 硬件控制电路
2.2 控制方案确定
随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器结构简单、稳定性好、调整方便、可靠性高目前已经成为现代工业生产中的主要控制技术之一。当被控对象的内部结构和参数不能完全掌握、难以建立精确的数学模型时，使用PID控制技术最为方便。控制系统设计的核心是PID控制器的参数整定。控制参数根据被控过程的特性来确定。PID控制原理简单、适用面广、易于实现。本文中被控制对象为加热炉温度，故采用PID控制器作为控制系统的主要原件。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
2.2.1 控制器的选定
加热炉的控制要求就是根据生产需要提供充足热能，同时保证加热炉在安全、高效率的情况下运作。根据加热炉控制要求，加热炉的控制方案主要满足的是产生足够的热量，高效率与安全生产。工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求文持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。PID控制器主要由三部分构成，也就是积分、微分、比例环节。不断的调节三个环节参数使其达到降低超调量，增加系统的稳定性，减小稳态误差，提高动态性能。在工程实际中，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手
段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。
2.2.2 PID控制器的控制特点
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例控制是一种最简单的控制方式，其输入与输出的误差成比例关系。对动态性能的影响，比例控制Kp加大使系统的动作灵敏速度加快Kp偏大振荡次数加多调节时间加长。当Kp太大时系统会趋于不稳定。若Kp太小又会使系统的动作缓慢。对稳态性能的影响，加大比例控制Kp在系统稳定的情况下可以减小稳态误差ess,提高控制精度但是加大Kp只是减少ess,却不能完全消除稳态误差。当仅有比例环节时，系统的输出存在稳态误差。 在积分环节中，控制器的输入与输出误差的积分成正比关系。如果，系统在进入稳态后存在稳态误差，则这个系统称为有差系统。积分控制通常与比例控制或微分控制联合使用构成PI控制或PID控制。积分控制Ti通常使系统稳定性下降。Ti太小系统将不稳定。Ti偏小振荡次数较多。Ti太大对系统性能的影响减小。当Ti合适时过渡特性比较理想。对稳态性能的影响，积分控制Ti能消除系统的稳态误差提高控制系统的控制精度。若是太大时积分作用太弱以致不能减小稳态误差。合理使用比例积分控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。 在微分控制中，其输出与输入误差信号的微分关系成正比关系。系统在克服误差的调节中可能出现振荡情况，甚至变得不稳定。微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用构成PD控制或PID控制。微分控制可以改善动态特性如超调量σp减少调节时间ts缩短允许加大比例控制使稳态误差减小提高控制精度当Td偏大时超调量σp较大调解时间较长。当Td偏小时超调量σp也较大调解时间ts也较长。在对有较大惯性或者滞后的被控对象时，合理使用比例积分控制器能够改善系统的动态特性。合理的利用PID控制器在加热炉温度控制系统中，使得工业中大大的减少了生产的成本。PID控制器的系统结构图如图4所示。其中比例环节，积分环节，微分环节，各控制环节各有各的作用，对系统的动态性能，稳态性能影响各不相同。各个环节的参数需要根据PID参数整定方法进行整定，使得控制系统达到理想状态，在设置到控制器中，运用到控制系统中，从而实现温度控制系统的优化控制。