智能控制在温度调节仪中的应用

1 引言
温度是工业控制中很重要的参量,温度控制有很多方式。而利用VB语言进行智能调节仪温控系统的通讯和控制算法的开发使得系统的开发、维护和扩展都十分方便,可操作性更强。
本设计采用计算机进行温度控制,涉及到计算机与智能调节仪的双向通信,智能PID算法和分段PID控制算法的应用[1]。计算机对温度变送器输入信号进行处理后与设定温度值进行比较,并进行P、I、D参数运算,然后送给智能调节仪进行调节,输出信号对可控硅调压模块进行控制,从而改变加热功率以达到控制温度的目的。

2 控制算法设计
智能PID算法:由于被控对象的数学模型难以建立,常规的PID控制无法满足要求,引入智能控制的概念,提出一种符合要求的智能PID控制算法。图1为智能PID控制的一般系统结构图[2]。

分段模糊PID控制算法:模糊PID控制器以误差E和误差变化作为输入,可以满足不同时刻的E和对PID参数自整定的要求,并利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。
2.1 智能PID算法设计

式中参数P,I,D分别为调整系数[3]。
设定二个误差界限
(1) 当时,说明误差在向误差绝对值增大方向变化。
1) 如果说明尽管误差向绝对值增大的方向变化,但误差绝对值本身并不大,控制器实施一般的控制作用,控制器输出为:

2) 如果说明误差较大,加强比例环节的作用,以达到并迅速减小误差绝对值的目的,控制器输出为:

为放大系数。
当或者时,说明误差的绝对值向减小的方向变化,或者已经到达平衡状态。此时保持控制器输出不变

(3)，说明误差处于极值状态。
1) 如果误差的绝对值较大,即，实施较强的控制作用。

此时式中为增益系数。
2) 如果误差的绝对值较小,即实
施较弱的控制作用。

此时为抑制系数,
3) 时,说明温度误差的绝对值已经很大。此时无论误差变化趋势如何,控制器都应按最大(或最小)输出,以达到迅速调整误差的目的,使误差绝对值以最大速度减小。
式中为放大系数。
分段PID算法主要思想是以误差E和误差变化作为输入,可以满足不同时刻的E和对PID参数自整定的要求[4]。
图2是一种分段PID控制方案。设开始时在点O处,期望位置是点T,　误差可能到达的最大负偏差位置点是N,把OT分成OA、AS和ST三段,把TN分成TS′、S′A′和A′N三段,在这里, |OA|=|A′N|,|AS|=|S′A′|, |ST|=|TS′|。在每一段实施不同的控制方案,分别对应于以下的3点自整定要求。

(1) 在OA和A’N段, E较大,为使系统具有良好的快速跟踪性能,避免因E瞬间变化大而引起微分饱和,应取较大的与较小的同时为避免系统响应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取根据实际情况也可直接采取P控制。
(2) 在AS和S’A’段, E处于中等大小,为了减小系统的超调,同时保证系统的响应速度,应取得小些,的取值要适当。在这种情况下,的取值对系统响应的影响较大,一般根据的取值经验:较大时,可取稍小;较小时,可取稍大。实际中也可直接采用PD控制。
(3) 在ST和TS’段,E较小,为使系统具有较好的稳态性能,提高系统的抗干扰性,避免系统振荡,与均应取得大些。同时为避免系统在设定值附近出现振荡,值的选择很关键,可根据来决定,即:当较大时,可取稍小,较小时,可取稍大。

3 仿真结果
图中蓝色曲线表示设定值,红色曲线表示测量值,绿色曲线表示加热比例。
3.1 智能PID控制
智能PID控制中,针对不同的偏差做出不同的控制策略。按照第二节中提出的研究思路和技术方法,对偏差量进行趋势判断,通过判断调整PID控制参数[5]。
(1) 偏差较大时,可采取纯比例或比例积分控制。一般的,曲线浮动大说明误差大,此时比例度减小,P参数增大,曲线不能稳定,超调量大。说明要减小比例度。
(2) 偏差减小且要改善系统的动态性能时,可采取比例积分控制;当曲线振荡频率较快时,则可进一步加入微分作用。
(3) 最后,经过不断调节,得到满意的控制曲线,如图3所示;此时P、I、D参数分别为:3、800、3温度设定值:80度;

3.2 分段PID控制
分段PID控制原理和智能PID控制有相似的地方,两者都是以偏差的趋势变化为调节对象[6]。本设计中分段PID设定两个偏差界限,在控制中,当偏差在不同的范围内变化时采取不同的PID参数控制。偏差较大时,采用纯比例控制;而减小到一定范围内时,采用P控制或PI控制;要得到最好的控制效果,可加上微分作用,采用PID控制,得出比较满意的控制曲线。如图4所示:此时P、I、D参数分别为:3、800、3温度设定值:80度;K0=1;K1=1.2;K2=1.5

4 结束语
本文介绍一种温度控制方法,该控制方法分别采用智能PID和分段PID控制算法,分析仿真曲线可以得到:温度偏差在本文所设计的PID控制器作用下可以得以消除。虽然在某些动态性能上还有所欠缺,但控制器总体良好的控制效果还是比较明显的。