温度系统中的智能 PID 控制

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)= K_pe(n)+K_I ∑e(n)+K_D△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；
      K_P 比例增益 
      K_I  积分系数（ K_I＝ K_p T/T_I） 
      K_D 微分系数 （K_D＝ K_P T_D /T） 
      T —采样周期 T_I、 T_D 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：
    
G_i = K_i .e^-τiS/(T_iS+1) i=1,2,3        (2)  

    反应曲线如图 2 所示，由 K_i、 T_i、τ_i可按表 1经验公式求得各温区的调节器最佳 PID 参数值，
K_i=( △Y_i/(Y_max- Y_min ))/( △X_max -X_min ),“ Y_max- Y_min” 为测量表头量程范围，“X_max-X_min”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 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.