专家PID控制在微型精密恒温槽中的应用研究
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摘要: 微型精密恒温槽属于滞后、时变并且非线性的系统,由于其易受环境温度、空气流速、光照、辐射热、振动等因素的影响,采用常规PID控制技术无法实现精确的控制。专家pid控制在常规PID基础上融合人类控制专家的知识与经验,以智能方式设计控制规则,可实现高品质的控制性能。经过在微型精密恒温槽中的实际应用,表明这种控制方式完全适用于微型精密恒温槽的温度控制,达到了良好的控制效果。
Abstract: The miniature precise thermostat belongs to the lag, time-variable, and mis alignment system, because its factor such as ambient temperature, air speed of flow, illumination, radiating heat, vibration influences, using the conventional PID control technology can not be unable easily to realize the precise control. The expert PID control fuses the humanity control expert's knowledge and experience in the conventional PID foundation, by the intelligent way designs control rule, which may realize the high quality control performance. Through the practical application in the miniature precise thermostat, it indicated that this control mode is suitable completely for the miniature precise thermostat temperature control, achieving the good control effect.
关键词:专家;PID;恒温槽;鲁棒性;自适应
Key words: Expert;PID;thermostat;robustness;auto-adapted
中图分类号:TM571.6 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0089-02
0引言
微型精密恒温槽是一种体积较小、便于携带的精密温度恒温源,根据使用温度的不同,其工作介质一般为工业乙醇、水或甲基硅油等,提供的温度范围一般在(-30～+300)℃之间,主要应用于工业生产现场对温度测量控制系统的性能校准、检测之中,也可作为理化分析的恒温装置。由于温度测量控制系统性能校准和检测中,对精密温度恒温源的要求较高,因此要求恒温槽能够达到较高的温场分布性能技术指标。然而,为了适应工业生产现场操作的需要,便携式微型精密恒温槽往往要求体积越小越好,其工作区域容积极小,工作介质热容量小,保温层厚度薄,因此在工业生产现场的恶劣环境条件下使用时,易受环境温度、空气流速、光照、辐射热、振动等因素的影响。
目前,在微型精密恒温槽中使用较为广泛的温度控制方式是常规PID控制技术。常规PID控制技术是最早发展起来的工业过程控制方法,具有原理简单、适应性强、鲁棒性强等特点,是目前应用最为广泛的控制策略之一。但是,对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统,其中有的参数未知或变化缓慢,有的带有延迟或随机干扰,有的数学模型粗糙等,采用常规PID控制较难获得高品质的控制效果,因此往往需要对常规PID控制算法进行改进。微型精密恒温槽的主要控制参数是温度,属于缓变参数,其随时间而发生变化,又是时变量。同时,其温度控制用的传感器是精密铂电阻温度计,具有非线性特征。因此,采用常规PID控制技术很难实现微型精密恒温槽具有高品质的温度性能。本文将专家PID控制技术应用到微型精密恒温槽的温度控制之中,解决了常规PID控制微型精密恒温槽出现的超调大、波动大、不易稳定等缺陷,实现了较好的控温品质。
1专家PID控制
专家PID控制是对常规PID控制算法的一种改进,它是专家系统和常规PID控制的结合。所谓专家系统是指一个具有大量专门知识与经验的智能程序系统,它应用人工智能技术,根据人类专家提供的特殊领域知识和经验进行推理和判断,模拟人类专家做决策来解决那些需要专家决定的复杂问题。专家控制系统是应用专家系统的概念和技术,模拟人类控制专家的知识与经验而建造的控制系统,其实质就是基于被控对象和控制规律的各种知识,以智能的方式来设计控制规则。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制。
微型精密恒温槽的专家PID控制框图见图1所示。
在常规增量型PID控制算法的基础上,根据常规PID控制的误差值及其变化特征,设计了六种专家PID控制规则,以实现专家PID控制。
常规增量型PID控制器的离散型式为:
u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+
kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
式中:kp、ki、kd――分别为控制器的比例、积分、微分系数;
u(k)、u(k-1)――分别为控制器当前、前一个采样时刻的输出值;
e(k)、e(k-1)、e(k-2)――分别为控制器离散化的当前、前一个和前二个采样时刻的误差值。
这样就有:
Δe(k)=e(k)-e(k-1)
Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)
根据常规PID控制的误差值e(k)及其变化特征,在设计六种专家PID控制规则前首先需要确定以下参数:
(1)误差的上极限值ML和下极限值MS;
(2)增益放大系数k1,且应k1>1;
(3)抑制系数k2,且应0
(4)ε,任意小的正数。
六种专家PID控制规则为:
(1)当│e(k)│>ML时,说明误差的绝对值比较大。此时,不论误差变化趋势如何,都应考虑较强的控制作用,即控制器的输出应按最大或最小方向输出,以使误差尽快减小而达到迅速调整误差的目的。
控制器输出为:
u(k)=u(k-1)+kikpe(k)
(2)当e(k)Δe(k)>0时,说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时,如果│e(k)│MS,说明误差也较大,可考虑由控制器实施较强的控制作用,以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化,并迅速减小误差的绝对值,控制器输出为:
u(k)=u(k-1)+k1{kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+
kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}
此时,如果│e(k)│