温度控制系统中采用智能 pid 控制的方法

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1、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PI

2、D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

3、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

4、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

5、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-

6、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

7、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3 PID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

8、动系统，每次升温过程前期，偏差总是很大，而进入恒温阶