溫度系統(tǒng)中的智能 PID 控制-電子開(kāi)發(fā)網(wǎng)

1、溫度系統(tǒng)中的智能 PID 控制時(shí)間:2007-01-15   來(lái)源:   作者:夏春梅 黃鳳良   點(diǎn)擊：  字體大小:【大 中 小】 摘  要:由于程序升溫對(duì)象在不同溫區(qū)其數(shù)學(xué)模型不同,而傳統(tǒng)的 PID 控制方法難以保證控制質(zhì)量。 為此，介紹了在可編程調(diào)節(jié)器（SLPC）構(gòu)成的熱電偶檢定爐溫度控制系統(tǒng)中采用智能 PID 控制的方法，其將批量PID 控制方法應(yīng)用于該系統(tǒng)，使得給定值不斷大幅度變化的隨動(dòng)系統(tǒng)的控制做到快速無(wú)超調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制效果較以往同類(lèi)系統(tǒng)有了很大的提高 。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制技術(shù) 智能 PID 控制 理論研究 溫度 溫區(qū) 0

2、  引言     PID 控制是自動(dòng)控制中產(chǎn)生最早的一種控制方法，在實(shí)際控制工程中的應(yīng)用最廣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)過(guò)程控制和航空航天控制等領(lǐng)域，應(yīng)用 PID控制占 80%以上。然而，傳統(tǒng)的 PID 控制算法有它的局限性和不足之處，只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時(shí)變的情況下才能獲得理想的效果，當(dāng)應(yīng)用到時(shí)變系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的性能會(huì)變差，甚至不穩(wěn)定。另外，在對(duì) PID 參數(shù)整定過(guò)程中，往往得不到全局性的最優(yōu)值。因此，這種控制作用無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定精度的矛盾。為此，以實(shí)驗(yàn)室熱電偶檢定爐溫度控制系統(tǒng)為例 借助于可編程調(diào)節(jié)器（SLPC），說(shuō)明在程序升溫控制系統(tǒng)中如何

3、實(shí)現(xiàn)智能PID 控制。    1  程序升溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理     圖 1 為采用可編程調(diào)節(jié)器 SLPC 構(gòu)成的熱電偶檢定爐溫度控制系統(tǒng)原理圖，為一個(gè)具有較大的滯后性、非線性的時(shí)變系統(tǒng)，在熱電偶校驗(yàn)過(guò)程中，要求爐溫隨時(shí)間按一定的順序變化，即該控制系統(tǒng)中控制器的給定信號(hào)是按一定的順序變化的。在圖1 中，傳感器經(jīng)溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為 15V電壓信號(hào)，作為 SLPC 的測(cè)量信號(hào)， 調(diào)節(jié)器的給定值采用程序曲線由 SLPC 軟件包內(nèi)PGM1 功能模塊經(jīng)編程后提供，SLPC 的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔離模塊后送給可控硅移相觸發(fā)模塊，

4、從而控制可控硅的導(dǎo)通角大小，實(shí)現(xiàn)程序控溫的目的。在 SLPC 中使控制器置反作用： MODE2=1 ，CNT1=3，C 狀態(tài)（串接外給定，批量 PID 控制）。其中，給定程序曲線用戶可根據(jù)需要通過(guò)對(duì)SLPC 進(jìn)行編程調(diào)整。 圖1  熱電偶檢定爐溫度控制系統(tǒng)原理圖 2  智能 PID 控制的實(shí)現(xiàn) 2.1  分段設(shè)置 PID 參數(shù)    在常規(guī)控制系統(tǒng)中，PID 控制是迄今為止算法比較簡(jiǎn)單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法，其一般形式為u(n)= Kpe(n)+KI e(n)+KDe(n)   

5、0;    (1) 式中  n 采樣序號(hào)      u(n) 第 n 次采樣時(shí)刻的控制器輸出；      e(n) 第 n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差 ；      e(n) 第 n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差與第 n-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差之差；      KP 比例增益        KI  積分

6、系數(shù)（ KI Kp T/TI）        KD 微分系數(shù) （KD KP TD /T）        T 采樣周期 TI、 TD 分別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)       由于控制對(duì)象程序升溫時(shí)，其特性變化較大（如01000），若采用一組固定的 PID 參數(shù)，則各溫區(qū)的控制效果不能兼顧，控制效果較差。因此，關(guān)鍵問(wèn)題在于設(shè)計(jì)出一個(gè) PID 參數(shù)隨溫區(qū)的不同而自動(dòng)調(diào)整到最佳值上的控制器，可以將整個(gè)測(cè)溫范圍分為高、中、低 3溫

7、區(qū)，并分別用反應(yīng)曲線法求出對(duì)象在各溫區(qū)的近似數(shù)學(xué)模型為：     Gi = Ki .e-iS/(TiS+1) i=1,2,3        (2)       反應(yīng)曲線如圖 2 所示，由 Ki、 Ti、i可按表 1經(jīng)驗(yàn)公式求得各溫區(qū)的調(diào)節(jié)器最佳 PID 參數(shù)值， Ki=( Yi/(Ymax- Ymin )/( Xmax -Xmin ),“ Ymax- Ymin” 為測(cè)量表頭量程范圍，“Xmax-Xmin”為調(diào)節(jié)器輸出范圍。此外，也可以在

8、不同溫區(qū)利用 SLPC 自身具有的專(zhuān)家自整定功能，對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)最佳選擇。對(duì)于常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器，整個(gè)溫區(qū)只能采用同一個(gè) PID 參數(shù)進(jìn)行控制。在本系統(tǒng)中，采用可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器（SLPC）即可實(shí)現(xiàn)分段 PID 參數(shù)設(shè)置。將由表 1計(jì)算出的不同 PID 參數(shù)，按圖 3 所示的 PID 控制程序結(jié)構(gòu)框圖編制到用戶程序中去；用軟件包中的 PGM1 功能模塊取得程序升溫曲線，以此作為調(diào)節(jié)器的外給定信號(hào)；用LAL1 功能模塊實(shí)現(xiàn)中溫區(qū)、低溫區(qū)的鑒別；HAL1 實(shí)現(xiàn)中溫區(qū)、高溫區(qū)的鑒別；用 BSC功能模塊實(shí)現(xiàn)基本控制功能。不同溫區(qū)分界點(diǎn)及給定復(fù)位值用 P 參數(shù)設(shè)置，程序運(yùn)行/保持狀態(tài)的切換利用儀表面

9、板上的 PF 鍵實(shí)現(xiàn)，使用觸點(diǎn)輸出對(duì)不同溫區(qū)進(jìn)行提示，并可根據(jù)需要進(jìn)行升溫過(guò)程的“運(yùn)行/保持”狀態(tài)切換以及復(fù)位等操作。用 DI03 輸入復(fù)位信號(hào)，DO01、DO02 分別作為低溫區(qū)、高溫區(qū)指示。  圖 2  對(duì)象的反應(yīng)曲線圖  表1  由反應(yīng)曲線求最佳 PID 參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 圖 3  PID 控制程序結(jié)構(gòu)框圖 2.2  批量 PID 控制      上述智能 PID 控制系統(tǒng)，還存在著調(diào)節(jié)速度慢的缺點(diǎn)，由于程序升溫時(shí)，給定值是分檔提升的，該控制系統(tǒng)實(shí)際為一個(gè)給定值不斷變化的隨動(dòng)系統(tǒng)，

10、每次升溫過(guò)程前期，偏差總是很大，而進(jìn)入恒溫階段偏差相對(duì)較小，此時(shí)若引入批量 PID 控制方法即可克服以上不足。由于批量 PID 控制方法尤其適用于給定值 (SV) 變化幅度大的場(chǎng)合，其動(dòng)作曲線如圖 4 所示。批量開(kāi)始，當(dāng)偏差超過(guò)設(shè)定值( BD)時(shí) 操作輸出( MV )為上限設(shè)定值 MH（MH 的設(shè)置以最大加熱電流不超過(guò)額定電流為宜）使測(cè)量值盡快地向給定值靠攏。當(dāng)偏差進(jìn)入到設(shè)定值( BD)范圍以內(nèi)時(shí)，則切換到 PID 控制。 在切換時(shí) 為了避免操作輸出值超調(diào)，先使輸出值下降到 MV = MH - BB，然后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn) PID 控制模式。其中 BB為輸出返回時(shí)的偏置設(shè)定。如果一旦進(jìn)入 PID 控制輸

11、出模式，即使偏差超過(guò)設(shè)定值( BD )但沒(méi)有超出鎖定寬度( BL )，此時(shí)仍進(jìn)行 PID控制。一旦超出鎖定寬度( BL )時(shí)，則又使MV = MH。如果執(zhí)行相反動(dòng)作時(shí)，操作輸出上限( MH )被下限值( ML )代替，BD、BB、BL、MH、ML通過(guò)儀表側(cè)面相應(yīng)鍵盤(pán)設(shè)置即可。圖 5 為智能 PID 控制方式下程序控溫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)對(duì)程序升溫對(duì)象實(shí)現(xiàn)了快速、 準(zhǔn)確的程序升溫控制。 圖 4  批量 PID 動(dòng)作曲線 圖 5  智能 PID 控制方式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 3  結(jié)束語(yǔ)     對(duì)于程序升溫裝置這樣一個(gè)具有較大的滯后性、非線性時(shí)變系統(tǒng)，單純采用傳統(tǒng)的 PID 控制不會(huì)取得較好的控制效果，而采用上述智能 PID 控制方式不失為一種較好的控制方法。其具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，同時(shí)又具有 PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)好和穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。該方案具有廣泛的實(shí)用性和靈活性，系統(tǒng)用戶程序具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性，它與傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)儀表構(gòu)成的系統(tǒng)相比，具有先進(jìn)性、可靠性；與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比，它又具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。    參考文