智能控制在溫度調(diào)節(jié)儀中的應(yīng)用

1 引言
溫度是工業(yè)控制中很重要的參量,溫度控制有很多方式。而利用VB語言進(jìn)行智能調(diào)節(jié)儀溫控系統(tǒng)的通訊和控制算法的開發(fā)使得系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展都十分方便,可操作性更強(qiáng)。
本設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度控制,涉及到計(jì)算機(jī)與智能調(diào)節(jié)儀的雙向通信,智能PID算法和分段PID控制算法的應(yīng)用[1]。計(jì)算機(jī)對(duì)溫度變送器輸入信號(hào)進(jìn)行處理后與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較,并進(jìn)行P、I、D參數(shù)運(yùn)算,然后送給智能調(diào)節(jié)儀進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出信號(hào)對(duì)可控硅調(diào)壓模塊進(jìn)行控制,從而改變加熱功率以達(dá)到控制溫度的目的。

2 控制算法設(shè)計(jì)
智能PID算法:由于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難以建立,常規(guī)的PID控制無法滿足要求,引入智能控制的概念,提出一種符合要求的智能PID控制算法。圖1為智能PID控制的一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2]。

分段模糊PID控制算法:模糊PID控制器以誤差E和誤差變化作為輸入,可以滿足不同時(shí)刻的E和對(duì)PID參數(shù)自整定的要求,并利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。
2.1 智能PID算法設(shè)計(jì)

式中參數(shù)P,I,D分別為調(diào)整系數(shù)[3]。
設(shè)定二個(gè)誤差界限
(1) 當(dāng)時(shí),說明誤差在向誤差絕對(duì)值增大方向變化。
1) 如果說明盡管誤差向絕對(duì)值增大的方向變化,但誤差絕對(duì)值本身并不大,控制器實(shí)施一般的控制作用,控制器輸出為:

2) 如果說明誤差較大,加強(qiáng)比例環(huán)節(jié)的作用,以達(dá)到并迅速減小誤差絕對(duì)值的目的,控制器輸出為:

為放大系數(shù)。
當(dāng)或者時(shí),說明誤差的絕對(duì)值向減小的方向變化,或者已經(jīng)到達(dá)平衡狀態(tài)。此時(shí)保持控制器輸出不變

(3)，說明誤差處于極值狀態(tài)。
1) 如果誤差的絕對(duì)值較大,即，實(shí)施較強(qiáng)的控制作用。

此時(shí)式中為增益系數(shù)。
2) 如果誤差的絕對(duì)值較小,即實(shí)
施較弱的控制作用。

此時(shí)為抑制系數(shù),
3) 時(shí),說明溫度誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大。此時(shí)無論誤差變化趨勢如何,控制器都應(yīng)按最大(或最小)輸出,以達(dá)到迅速調(diào)整誤差的目的,使誤差絕對(duì)值以最大速度減小。
式中為放大系數(shù)。
分段PID算法主要思想是以誤差E和誤差變化作為輸入,可以滿足不同時(shí)刻的E和對(duì)PID參數(shù)自整定的要求[4]。
圖2是一種分段PID控制方案。設(shè)開始時(shí)在點(diǎn)O處,期望位置是點(diǎn)T,　誤差可能到達(dá)的最大負(fù)偏差位置點(diǎn)是N,把OT分成OA、AS和ST三段,把TN分成TS′、S′A′和A′N三段,在這里, |OA|=|A′N|,|AS|=|S′A′|, |ST|=|TS′|。在每一段實(shí)施不同的控制方案,分別對(duì)應(yīng)于以下的3點(diǎn)自整定要求。

(1) 在OA和A’N段, E較大,為使系統(tǒng)具有良好的快速跟蹤性能,避免因E瞬間變化大而引起微分飽和,應(yīng)取較大的與較小的同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,通常取根據(jù)實(shí)際情況也可直接采取P控制。