温度控制系统中采用智能PID控制的方法

温度控制系统中采用智能PID控制的方法摘要:由于程序升温对象在不同温区其数学模型不同,而传统的PID控制方法难以保证控制质量。为此，介绍了在可编程调节器（SLPC）构成的热电偶检定炉温度控制系统中采用智能PID控制的方法，其将批量PID控制方法应用于该系统，使得给定值不断大幅度变化的随动系统的控制做到快速无超调。实验结果表明，控制效果较以往同类系统有了很大的提高。关键词：自动控制技术智能PID控制理论研究温度温区0引言PID控制是自动控制中产生最早的一种控制方法，在实际控制工程中的应用最广。据不完全统计，在工业过程控制和航空航天控制等领域，应用PID控制占80%以上。然而，传统的PID控制算法有它的局限性和不足之处，只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当应用到时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID参数整定过程中，往往得不到全局性的最优值。因此，这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳定精度的矛盾。为此，以实验室热电偶检定炉温度控制系统为例借助于可编程调节器（SLPC），说明在程序升温控制系统中如何实现智能PID控制。1程序升温控制系统的结构及原理图1为采用可编程调节器SLPC构成的热电偶检定炉温度控制系统原理图，为一个具有较大的滞后性、非线性的时变系统，在热电偶校验过程中，要求炉温随时间按一定的顺序变化，即该控制系统中控制器的给定信号是按一定的顺序变化的。在图1中，传感器经温度变送器将温度信号转换为1－5V电压信号，作为SLPC的测量信号，调节器的给定值采用程序曲线由SLPC软件包内PGM1功能模块经编程后提供，SLPC的输出信号经信号隔离模块后送给可控硅移相触发模块，从而控制可控硅的导通角大小，实现程序控温的目的。在SLPC中使控制器置反作用：MODE2=1，CNT1=3，C状态（串接外给定，批量PID控制）。其中，给定程序曲线用户可根据需要通过对SLPC进行编程调整。图1热电偶检定炉温度控制系统原理图2智能PID控制的实现2.1分段设置PID参数在常规控制系统中，PID控制是迄今为止算法比较简单、功能比较完善、效果比较好的一种控制算法，其一般形式为u(n)=Kpe(n)+KI∑e(n)+KD△e(n)(1)式中n采样序号u(n)第n次采样时刻的控制器输出；e(n)第n次采样时刻输入的偏差；△e(n)第n次采样时刻输入的偏差与第n-1次采样时刻输入的偏差之差；KP比例增益KI积分系数（KI＝KpT/TI）KD微分系数（KD＝KPTD/T）T—采样周期TI、TD分别为积分时间常数和微分时间常数由于控制对象程序升温时，其特性变化较大（如0－1000），若采用一组固定的PID参数，则各温区的控制效果不能兼顾，控制效果较差。因此，关键问题在于设计出一个PID参数随温区的不同而自动调整到最佳值上的控制器，可以将整个测温范围分为高、中、低3温区，并分别用反应曲线法求出对象在各温区的近似数学模型为：Gi=Ki.e-τiS/(TiS+1)i=1,2,3(2)反应曲线如图2所示，由Ki、Ti、τi可按表1经验公式求得各温区的调节器最佳PID参数值，Ki=(△Yi/(Ymax-Ymin))/(△Xmax-Xmin),“Ymax-Ymin”为测量表头量程范围，“Xmax-Xmin”为调节器输出范围。此外，也可以在不同温区利用SLPC自身具有的专家自整定功能，对PID参数进行自动最佳选择。对于常规模拟调节器，整个温区只能采用同一个PID参数进行控制。在本系统中，采用可编程数字调节器（SLPC）即可实现分段PID参数设置。将由表1计算出的不同PID参数，按图3所示的PID控制程序结构框图编制到用户程序中去；用软件包中的PGM1功能模块取得程序升温曲线，以此作为调节器的外给定信号；用LAL1功能模块实现中温区、低温区的鉴别；HAL1实现中温区、高温区的鉴别；用BSC功能模块实现基本控制功能。不同温区分界点及给定复位值用P参数设置，程序运行/保持状态的切换利用仪表面板上的PF键实现，使用触点输出对不同温区进行提示，并可根据需要进行升温过程的“运行/保持”状态切换以及复位等操作。用DI03输入复位信号，DO01、DO02分别作为低温区、高温区指示。图2对象的反应曲线图表1由反应曲线求最佳PID参数的经验公式图3PID控制程序结构框图2.2批量PID控制上述智能PID控制系统，还存在着调节速度慢的缺点，由于程序升温时，给定值是分档提升的，该控制系统实际为一个给定值不断变化的随动系统，每次升温过程前期，偏差总是很大，而进入恒温阶段偏差相对较小，此时若引入批量PID控制方法即可克服以上不足。由于批量PID控制方法尤其适用于给定值(SV)变化幅度大的场合，其动作曲线如图4所示。批量开始，当偏差超过设定值(BD)时操作输出(MV)为上限设定值MH（MH的设置以最大加热电流不超过额定电流为宜）使测量值尽快地向给定值靠拢。当偏差进入到设定值(BD)范围以内时，则切换到PID控制。在切换时为了避免操作输出值超调，先使输出值下降到MV=MH-BB，然后进入标准PID控制模式。其中BB为输出返回时的偏置设定。如果一旦进入PID控制输出模式，即使偏差超过设定值(BD)但没有超出锁定宽度(BL)，此时仍进行PID控制。一旦超出锁定宽度(BL)时，则又使MV=MH。如果执行相反动作时，操作输出上限(MH)被下限值(ML)代替，BD、BB、BL、MH、ML通过仪表侧面相应键盘设置即可。图5为智能PID控制方式下程序控温的实验结果，可见对程序升温对象实现了快速、准确的程序升温控制。图4批量PID动作曲线图5智能PID控制方式下的实验结果3结束语对于程序升温装置这样一个具有较大的滞后性、非线性时变系统，单纯采用传统的PID控制不会取得较好的控制效果，而采用上述智能PID控制方式不失为一种较好的控制方法。其具有不依赖系统精确数学模型的特点，同时又具有PID控制器的动态跟踪品质好和稳态精度高的特点。该方案具有广泛的实用性和灵活性，系统用户程序具有良好的可移植性和可扩展性，它与传统的模拟调节仪表构成的系统相比，具有先进性、可靠性；与计算机控制系统相比，它又具有成本低、实用性强的优点。参考文献[1]任哲.数字调节仪表[M].北京:化学工业出版社,1992.[2]李英顺,伦淑娴.模糊PID温度测控仪[J].仪表技术与传感器,2003,(1):20-22.[3]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.