CN105807812A - Pid温度控制方法及温度控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PID温度控制方法，其采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括以下步骤：预先设定温度/时间曲线，获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值，根据当前时刻的温度测量值和温度目标值进行PID运算，根据PID运算结果调节功率输出，完成一次功率调节。本发明还公开了一种PID温度控制模块，包括温度测量值获取单元、随动控制温度目标值运算单元、PID运算单元、输出单元。本发明的PID温度控制方法及PID温度控制模块，采用随动控制方式控制升温、降温过程，其能够按照设计好的升/降温曲线匀速升/降温，加热功率在较小的范围内波动，减少了因为大惯性所造成温度误差，提高了控温的精确性。

Description

PID温度控制方法及温度控制模块

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种PID温度控制方法及PID温度控制模块。

背景技术

在控制过程中温度是影响工艺过程的重要参数，因此需要对温度进行比较精确的控制，而且很多时候不仅需要对保温过程进行精确控制，还需要对升温和降温过程进行精确控制。

目前对温度的控制很多时候是通过手动方式完成，控制过程中，操作员根据温度误差的大小，变化方向和变化速度，由经验判断控制量的大小和操作时间。虽然手动控制可以得到较好的控制效果，但不管是升温、降温、还是保温过程，可能持续较长时间，加重操作负担，造成操作员疲劳。

通过自动控制方式可以避免上述手动方式带来的种种问题，在现有DCS***一般采用PID或其改进算法对连续过程进行自动控制，其中，对温度的控制一般采用定值控制方式，即将温度设定值作为恒定输入值，使用这种定值PID控制方法控制温度，会使超调量变大，调节时间变长，影响自动控制的效果，甚至会因为与工艺要求的温度控制精度相差太大，而不能在生产中使用，这主要是因为：

一方面，由于温度对象具有大惯性的特点，从开始加热到温度开始变化需要相当长的时间，如果使用这种定值PID控制方式进行自动控制，势必需要降低比例和积分作用，提高微分作用(由于温度对象是大惯性对象的特点，比例和积分作用过大，温度来不及反应，控制器输出会在0％和100％之间来回跳变，变成开关控制)，但比例和积分作用的降低，会使超调量变大，调节时间变长，影响自动控制的效果。

另一方面，在升温过程中，如果设置一个较大的设定值，采用这种定值PID控制方式，会使得控制***以最大加热功率升温，直到测量值接近设定值，加热功率才从满功率逐渐下降，这也会造成较大超调量。

同时，为了实现PID控制过程，需要通过引入反馈组成闭环控制回路，对于温度控制过程，需要设置热电偶等温度测量装置，这些温度测量装置采集的一般为伏级、毫伏级的电压信号，由于信号比较微弱，如果使用补偿导线将测量装置连接到DCS卡件，将极易受到电磁干扰产生波动，而这种波动即使是很微小的，也会给温度测量带来较大的影响，例如S型热电偶信号为毫伏级，500℃时对应电压信号为4.233毫伏，600℃时对应电压信号为5.239毫伏，也就是说如果实际温度为500℃，而S型热电偶因受到干扰产生了微小变化至5.239毫伏，则温度测量值就是600℃，和实际温度之间的误差达到了100℃，这种情况下很有可能造成控制器的误动作，影响自动控制效果。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有的PID控制方法对温度对象进行控制时存在的超调量大、调节时间长的问题，进而提供一种适用于对温度对象进行控制的、超调量小、调节时间短的PID温度控制方法及PID温度控制模块。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种PID温度控制方法，采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括以下步骤：

S01：预先设定温度/时间曲线；

S02：获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据所述温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值；

S03：根据当前时刻的所述温度测量值和所述温度目标值进行PID运算；

S04：根据PID运算结果调节功率输出，完成一次功率调节；

S05：重复步骤S02至步骤S04，直至完成所述温度/时间曲线。

优选地，所述PID温度控制方法通过DCS***实现。

优选地，在步骤S02中获取被控对象当前时刻的温度测量值的具体步骤如下：

对温度测量值进行读取、采样，对采样信号进行滤波预处理计算，并将计算结果作为当前时刻的所述温度测量值，所述滤波预处理可以为滑动平均值滤波处理、中值滤波处理、限幅滤波处理和低通滤波处理中的一种。

优选地，所述滑动平均值滤波处理包括以下步骤：

将队列中的N个数据乘以不同的权值，和/或首先对N个温度测量值的采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个采样数据的算术平均值作为当前时刻的所述温度测量值。

优选地，步骤S01步骤包括以下步骤：

设定防过冲温度，并设置所述温度/时间曲线使所述防过冲温度至温度设定值之间的温度区间的升/降温速率小于初始温度至所述防过冲温度之间的温度区间的升/降温速率。

本发明还提供一种PID温度控制模块，采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括：

温度测量值获取单元，用于获取被控对象当前时刻的温度测量值；

随动控制温度目标值运算单元，用于预先设定温度/时间曲线，并根据所述温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值；

PID运算单元，用于根据当前时刻的所述温度测量值和所述温度目标值进行PID运算；

输出单元，用于根据PID运算结果调节功率输出。

优选地，所述PID温度控制模块为用于DCS***的温度控制器。

优选地，所述温度测量值获取单元中设置有滤波子单元，用于对所述温度测量值获取单元读取的温度测量值的采样信号进行滤波预处理计算得到当前时刻的所述温度测量值，所述滤波单元可以包括滑动平均值滤波单元、中值滤波单元、限幅滤波单元和低通滤波单元。

优选地，所述滑动平均值滤单元的滤波过程如下：

将队列中的N个数据乘以不同的权值，和/或对N个温度测量值的采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，计算余下的N-2个采样数据的算术平均值作为当前时刻的所述温度测量值。

优选地，所述随动控制温度目标值运算单元中设置有防过冲温度，并设置所述温度/时间曲线使所述防过冲温度至温度设定值之间的温度区间的升/降温速率小于初始温度至防过冲温度之间的温度区间的升/降温速率。

本发明的有益效果如下：

本发明的PID温度控制方法及PID温度控制模块，采用随动控制方式控制升温、降温过程，其能够按照设计好的升/降温曲线匀速升/降温，加热功率在较小的范围内波动，减少了因为大惯性所造成温度误差，提高了控温的精确性。

附图说明

图1为本发明的PID温度控制方法的流程图；

图2为本发明的PID温度控制模块的结构框图；

图3为本PID温度控制模块在使用防过冲功能情况下的控制流程图；

图4为防过冲功能示意图；

图5为一个实施例中的数据预处理结果图；

图6为一个实施例中实验过程温度/时间曲线图；

图中：

1温度设定值、2温度目标值、3温度测量值、4控制器输出值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说明。

参见附图1，本发明的PID温度控制方法，采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括以下步骤：

S01：预先设定温度/时间曲线；

S02：获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据上述温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值；

S03：根据当前时刻的温度测量值和温度目标值进行PID运算；

S04：根据PID运算结果调节功率输出，完成一次功率调节；

S05：重复步骤S02至步骤S04，直至完成上述温度/时间曲线。

本发明中改进了PID算法，将控制方式改为随动控制方式，使用采用本发明的方法的控制器能够按照设计好的升/降温曲线匀速升/降温，加热功率在较小的范围内波动，减少了因为大惯性所造成温度误差。

本发明的PID温度控制方法可以通过DCS***实现，此时，可按照本发明的方法制作能够在DCS软件中直接调用的PID控制模块，与PID控制器一样，通过引入反馈，可以组成闭环控制回路，实现对升温、降温、保温过程的自动控制。

为了降低电磁干扰对温度测量值的影响，在使用温度测量值之前，要对其进行预处理，具体的将步骤S02中读取被控对象的温度测量值的进行如下处理：

对温度测量值进行读取、采样，对采样信号进行滤波预处理计算，并将计算结果作为当前时刻的温度测量值。

为了减轻温度测量值的滤波计算过程对内存的占用以及减轻运算负担，滤波预处理可以选择滑动平均值滤波处理、中值滤波处理、限幅滤波处理和低通滤波处理中的一种：

(1)滑动平均值滤波

滑动平均值法是把N个采样数据看成一个队列，对列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行平均，就可得到新的滤波值。

滑动平均值法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差。因此他不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡***。通过观察不同N值下滑动平均的输出响应来选取N值，以便既少占用时间，又能达到最好的滤波效果。

也可将N个数据乘以不同的权值，例如越新的数据给予越大的权值，可以提高数据的灵敏度。

在脉冲干扰比较严重的场合，若采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果中去，故不易消除由于脉冲干扰而引起的采样值偏差。可先对N个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值。

(2)中值滤波

中值滤波是对某一被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把N次采样值从小到大，或从大到小排队，再取其中间值作为本次采样值。

中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效。

(3)限幅滤波

限幅滤波把两次相邻的采样值相减，求出其增量，增量以绝对值表示，然后与两次采样允许的最大差值ΔY进行比较，若小于或等于ΔY，则取本次采样值；若大于ΔY，则仍取上次采样值作为本次采样值。门限值应由被控对象的实际情况决定。

(4)低通滤波

可以采用如下传递函数的二阶低通滤波器：

$\frac{1}{1+\mathrm{\τs}+0.5\mathrm{\τ}{s}^2}$

其中，τ为滤波常数，s为复变量。

低通滤波器可以去除高频干扰，对含有高频干扰的信号具有较好的效果。

使用过程中，可以根据实际情况选择不同的滤波方式。上述滤波方式的选择亦是针对温度对象的特点选择：温度测量值一般变化较慢，可以对一段时间内的几次采样数据进行运算得到处理后的测量值，同时，温度信号，尤其是采用补偿导线方式采集的温度信号很容易受到电磁干扰，使温度值产生高频振荡，采用以上几种预处理方式可以更好的是温度测量值和实际温度相符合。

本发明的在改进了PID控制方式的程的基础上，还可以加入防过冲功能，从而可以进一步有效减小超调量，使调节时间显著缩短，较快的稳定在设定值附近。具体地，可以使步骤S01步骤包括以下步骤：

设定防过冲温度，并设置上述温度/时间曲线使防过冲温度至温度设定值之间的温度区间的升/降温速率小于初始温度至防过冲温度之间的温度区间的升/降温速率。

防过冲功能可以应用在升温过程，也可以应用在降温过程：

在用于升温过程时，温度需要从较低的初始温度上升至较高的设定温度，此时防过冲温度是在温度设定值之下的作用点，通过设置温度/时间曲线使防过冲温度至较高的温度设定值之间的温度区间的升温速率小于较低的初始温度至防过冲温度之间的温度区间的升温速率，从而使得当过程值达到防过冲温度并向温度设定值接近时，加热功率输出开始减小，升温速率降低，缓慢加热至设定温度，从而使得对象温度不会高过设定值太多，有效降低升温过程的超调量。

在降温过程中，温度需要从较高的初始温度较低至较低的设定温度，例如在保温过程结束后，需要800℃的初始温度降温至500℃的设定温度保温，此时防过冲温度是在温度设定值之上的作用点，通过设置温度/时间曲线使防过冲温度至较低的温度设定值之间的温度区间的降温速率小于较高的初始温度至防过冲温度之间的温度区间的降温速率，从而使得当过程值达到防过冲温度并向设定温度接近时，加热功率输出开始增大，降温速率降低，从而使得受控对象的温度缓慢降低至设定温度，从而使得受控对象温度不会低于设定值太多，有效降低降温过程的超调量。

防过冲功能主要用来在存在大偏差的情况下抑制过冲。

参见附图2，本发明的PID温度控制模块，采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括：

温度测量值获取单元，用于获取被控对象当前时刻的温度测量值；

随动控制温度目标值运算单元，用于预先设定温度/时间曲线，并根据所述温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值；

PID运算单元，用于根据当前时刻的所述温度测量值和所述温度目标值进行PID运算；

输出单元，用于根据PID运算结果调节功率输出。

本发明中，PID温度控制模块可以基于DCS***设置，从而，PID温度控制模块可以直接在DCS中调用。

本发明中，可以在温度测量值获取单元中设置有滤波子单元，用于对温度测量值获取单元读取的温度测量值的采样信号进行滤波预处理计算得到当前时刻的温度测量值，滤波单元可以包括滑动平均值滤波单元、中值滤波单元、限幅滤波单元和低通滤波单元。各种滤波单元的滤波过程上文中已有详细描述，在此不再赘述。

本发明中，为了进一步有效减小超调量，使调节时间显著缩短，可以在随动控制温度目标值运算单元中设置防过冲温度，并设置温度/时间曲线使防过冲温度至设定温度之间的温度区间的升/降温速率小于初始温度至防过冲温度之间的温度区间的升/降温速率。对于使用防过冲温度的控制原理及过程上文中已有详细描述，在此不再赘述。

为了方便控制，本发明的PID温度控制模块中还可以提供手动控制方式，同时可以将防过冲功能设置成可选功能。

使用时，本发明的PID温度控制模块需要输入的参数有：手自动控制选择、温度测量值、温度设定值、PID参数、数据预处理方法选择、防过冲区间值、第一段升温速率，第二段升温速率等。根据以上输入参数，计算得出控制器输出，算法流程图如图3所示，以升温过程为例，具体如下：

首先对温度测量值PV进行预处理，以滑动平均值滤波为例。把N个采样数据看成一个队列，对列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行平均，就可得到新的滤波值。若取N为40，则算法如下：

$\begin{array}{c}{x}_{40}=x_{39};\\ x_{39}=x_{38};\\ .\\ .\\ .\\ x_1=x_t;\\ x_t^{\′}=(x_1+x_2+...+x_{40})/40;\end{array}$

其中x′_t为预处理后的结果。

预处理后，需要判断是否需要使用防过冲功能。防过冲功能示意图如图4所示，可以通过防过冲值的设定在达到设定值SP之前设置一个接近设定值的区间，例如设置防过冲值为100℃即表示将距离设定值100℃温度范围作为防过冲区间，而不直接设定防过冲温度，这种设置方式使得温度设定值变化后，其防过冲区间也据此变化，具有一定的通用性，避免每次更改设定值都需要对防过冲温度进行设置。在判断是否需要使用防过冲功能时，如果初始时刻的温度测量值与设定值的偏差小于防过冲值，则不需要分两段，直接以设定升温速率升至设定值。如果初始时刻的温度测量值与设定值的偏差大于防过冲值，则分成两段加热，两段升/降温速率可分别设置，对于加热过程，第二段升温速率小于第一段升温速率，第二段升温速率越小，则超调量越小，适合对温度控制精度有较高要求的回路。

确定是否需要防过冲功能后，使控制模块实际设定值按给定的升温速率上升，到达防过冲功能设置的温度，例如SP-100时，继续以另一升温速率上升，直至设定值SP。控制过程中，需要根据选定加热方法的温度/时间曲线不断计算当前时刻的温度目标值。

在这一调节过程中，温度目标值是不断上升的曲线，而控制模块也是一个随动控制***。控制模块的输出不断调节输出功率(或其他执行机构)，使温度能够跟踪温度目标值的变化。避免由于温度的大惯性特性，使控制模块输出大开大关，造成较大的波动，影响控制精度。

控制模块的PID参数也应合理设置，控制作用过强，温度控制就成了开关控制；控制作用过弱，会增大超调量，增长调节时间，甚至使过程不可控。

通过以上控制算法，可以将大多数温度控制回路投入自动，提高了温度控制精确性和稳定性，提高生产的自动化程度，降低操作员的工作难度。

下面结合本发明的PID控制模块在锌蒸馏装置DCS***第二路加热器TICA-20-1的应用，说明该模块的使用效果，该加热器使用220V交流电加热，使用可控硅移相触发调压方式控制功率，使电压连续可调，最大功率19.4kW。

实验在数据处理过程中，选择滑动平均值滤波方法。采样时间为1秒，做40秒内滑动平均值运算。这样可以使幅值为±10℃的扰动，减小为±0.25℃，显著减小了干扰，从而使温度可控，防止了控制器误动作。数据预处理的效果如图5所示。

实验中，加热器初始温度为室温，设定温度为700℃，并保温，实验过程曲线如图6所示。在升温过程中，设置设定值为700℃，但控制器的每一时刻的目标值如图所示，以固定速率升温(升温速率可调)，升温至防过冲值600℃后，再以另一升温速率(小于前面升温速率)继续上升至设定值700℃。在这一过程中，控制器采用了随动控制的方法。

分析实验数据得出，升温过程最大超调量13℃，保温过程控温精度±1℃，能够达到工艺设计要求。

Claims (10)

1.一种PID温度控制方法，其特征在于，采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括以下步骤：

S01：预先设定温度/时间曲线；

S02：获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据所述温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值；

S03：根据当前时刻的所述温度测量值和所述温度目标值进行PID运算；

S04：根据PID运算结果调节功率输出，完成一次功率调节；

S05：重复步骤S02至步骤S04，直至完成所述温度/时间曲线。

2.如权利要求1所述PID温度控制方法，其特征在于：所述PID温度控制方法通过DCS***实现。

3.如权利要求2所述PID温度控制方法，其特征在于：在步骤S02中获取被控对象当前时刻的温度测量值的具体步骤如下：

对温度测量值进行读取、采样，对采样信号进行滤波预处理计算，并将计算结果作为当前时刻的所述温度测量值，所述滤波预处理可以为滑动平均值滤波处理、中值滤波处理、限幅滤波处理和低通滤波处理中的一种。

4.如权利要求3所述PID温度控制方法，其特征在于：所述滑动平均值滤波处理包括以下步骤：

将队列中的N个数据乘以不同的权值，和/或首先对N个温度测量值的采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个采样数据的算术平均值作为当前时刻的所述温度测量值。

5.如权利要求1至4中任一项所述PID温度控制方法，其特征在于：步骤S01步骤包括以下步骤：

设定防过冲温度，并设置所述温度/时间曲线使所述防过冲温度至温度设定值之间的温度区间的升/降温速率小于初始温度至所述防过冲温度之间的温度区间的升/降温速率。

6.PID温度控制模块，其特征在于，采用随动控制方式控制升温和/或降温过程，具体包括：

温度测量值获取单元，用于获取被控对象当前时刻的温度测量值；

随动控制温度目标值运算单元，用于预先设定温度/时间曲线，并根据所述温度/时间曲线计算当前时刻的温度目标值；

PID运算单元，用于根据当前时刻的所述温度测量值和所述温度目标值进行PID运算；

输出单元，用于根据PID运算结果调节功率输出。

7.如权利要求6所述PID温度控制模块，其特征在于：所述PID温度控制模块为用于DCS***的温度控制器。

8.如权利要求7所述PID温度控制模块，其特征在于：所述温度测量值获取单元中设置有滤波子单元，用于对所述温度测量值获取单元读取的温度测量值的采样信号进行滤波预处理计算得到当前时刻的所述温度测量值，所述滤波单元可以包括滑动平均值滤波单元、中值滤波单元、限幅滤波单元和低通滤波单元。

9.如权利要求8所述PID温度控制模块，其特征在于：所述滑动平均值滤单元的滤波过程如下：

将队列中的N个数据乘以不同的权值，和/或对N个温度测量值的采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，计算余下的N-2个采样数据的算术平均值作为当前时刻的所述温度测量值。

10.如权利要6至9中任一项所述PID温度控制模块，其特征在于：所述随动控制温度目标值运算单元中设置有防过冲温度，并设置所述温度/时间曲线使所述防过冲温度至温度设定值之间的温度区间的升/降温速率小于初始温度至防过冲温度之间的温度区间的升/降温速率。