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技術(shù)指南來(lái)了!智能石墨消解儀PID控溫技術(shù)應(yīng)用

返回列表 來(lái)源: 儀德 發(fā)布日期: 2020.11.13
智能石墨消解儀是一種新型的濕法消解設(shè)備,是一款樣品前處理加熱、消解、趕酸的儀器,能滿足控溫消解的要求。本文以智能石墨消解儀為研究對(duì)象,根據(jù)控溫消解的特點(diǎn),采用專家控制和增量式PID相結(jié)合的方法,并引入智能積分,設(shè)計(jì)了一種溫度控制算法。MATLAB仿真和實(shí)際應(yīng)用表明,該算法完全適用于石墨消解儀的溫度控制,并取得了良好的控制效果。

智能石墨消解儀

【技術(shù)篇】智能石墨消解儀PID控溫技術(shù)

1前言


濕法消解是目前化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室最常用的無(wú)機(jī)分析樣品前處理方法之一。對(duì)于濕法消解而言,溫度控制對(duì)消解效果極為重要,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

①加熱可以促進(jìn)
消解,但溫度過(guò)高會(huì)使消解液沸騰溢出,造成樣品失量;

②采用分段階梯式升溫,選擇合適的控溫流程,將會(huì)達(dá)到較優(yōu)的消解效率與效果。
智能石墨消解儀是一種新型的濕法消解設(shè)備,采用高純石墨作為導(dǎo)熱媒介,其良好的導(dǎo)熱性能,可保證溫度的均勻性和準(zhǔn)確測(cè)量。然而由于其熱容量也比較大,因此石墨消解儀溫度控制系統(tǒng)存在一定的時(shí)滯和比較大的慣性,給自動(dòng)控制帶來(lái)了一定的困難。

PID控制方法由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在各種工業(yè)控制領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。但是,對(duì)于大滯后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng),采用常規(guī)PID控制較難獲得高品質(zhì)的控制效果,因此往往需要對(duì)常規(guī)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)。而專家PID控制是對(duì)常規(guī)PID控制算法的一種改進(jìn),是利用專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)PID參數(shù)。專家PID具有響應(yīng)速度快、超調(diào)小,甚至沒有超調(diào)等優(yōu)點(diǎn).

2專家PID控制原理


PID控制原理控制器是通過(guò)對(duì)誤差e(t)進(jìn)行比例(P)積分(I)微分(D)運(yùn)算后,將運(yùn)算結(jié)果加權(quán)作為控制器的輸出模擬PID的控制規(guī)律可用下式表示:

控制器的輸出模擬PID的控制規(guī)律

控制器的輸出模擬PID的控制規(guī)律

增量式PID控制算法的好處是:由于計(jì)算機(jī)輸出的是增量,所以誤動(dòng)作的時(shí)候?qū)敵龅挠绊懕容^小,必要的時(shí)候可以使用邏輯判斷的方法將這種影響消除。算式中不需要對(duì)誤差進(jìn)行累加,控制增量△u(k)的確定僅與最近的k、k-1、k-2次的采樣值有關(guān),所以能夠比較容易的通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。

2.3專家PID控制

專家控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí),并以智能的方式利用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)控制器。而專家PID控制就是專家控制與PID控制的結(jié)合,即根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)PID控制的參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)整。

由于專家PID控制的核心是對(duì)控制過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和控制規(guī)律的知識(shí),因此能對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)整,兼顧系統(tǒng)的快速反應(yīng)和超調(diào)量,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。

3專家PID算法設(shè)計(jì)


本文的研究對(duì)象是一個(gè)典型的溫度控制系統(tǒng)。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電加熱裝置一般可用一個(gè)一階慣性和滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述。通過(guò)開環(huán)階躍響應(yīng),求得系統(tǒng)的大致數(shù)學(xué)模型為:

數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型

從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)看,本系統(tǒng)主要由兩大特點(diǎn):①存在50s的滯后環(huán)節(jié);②系統(tǒng)的慣性相對(duì)較大。
根據(jù)控溫消解的要求,本系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)多步階梯式升溫,而每個(gè)階梯又包含線性升溫和恒溫保持兩個(gè)階段根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn),理想的升溫曲線大致如圖1:

升溫曲線

升溫曲線

根據(jù)系統(tǒng)特性,設(shè)計(jì)控制規(guī)則如下:(1)在啟動(dòng)階段,由于系統(tǒng)存在一定的時(shí)滯和較大的慣性,必須加以比較強(qiáng)的控制作用,才能使系統(tǒng)盡快響應(yīng)因此應(yīng)根據(jù)本階梯的最終穩(wěn)定溫度和升溫速率加入前饋控制量,控制器輸出為:
長(zhǎng)圖

圖中紅色曲線為目標(biāo)溫度曲線,藍(lán)色線為系統(tǒng)輸出溫度曲線。從仿真結(jié)果來(lái)看:①在開始時(shí)系統(tǒng)能快速啟動(dòng);②在線性升溫階段則能準(zhǔn)確的跟蹤目標(biāo)溫度曲線,實(shí)現(xiàn)線性升溫;③而在進(jìn)入穩(wěn)定溫度后,最大超調(diào)僅為0.5℃。因此,控制效果還是比較理想的。

4實(shí)際應(yīng)用與控制效果


本算法主要應(yīng)用于智能石墨消解儀,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其主控單位采用ADUC831,而溫度傳感器則采用高精度的Pt1000鉑電阻,輸出控制方式為PWM控制。

實(shí)際控制過(guò)程如下:

(1)連續(xù)A/D采樣,并進(jìn)行軟硬件濾波,去除干擾信號(hào);

(2)計(jì)算誤差e和誤差變化值Δe,并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài),計(jì)算求取kp,ki,kd;

(3)進(jìn)行PID控制運(yùn)算,求取輸出控制值;

(4)執(zhí)行系統(tǒng)輸出,調(diào)節(jié)加熱功率;

(5)等待下一周期。

雖然在MATLAB仿真時(shí),本算法已取得了不錯(cuò)控制效果,但畢竟數(shù)學(xué)建模是一種理想化、簡(jiǎn)單化的過(guò)程,與實(shí)際系統(tǒng)總存在偏差,因此通過(guò)仿真得到的參數(shù)在實(shí)際系統(tǒng)的控制中并不能直接采用,而必須通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。在多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整后,本算法在實(shí)際系統(tǒng)中也取得了優(yōu)良的控制效果。圖4為實(shí)際的溫度曲線:

消解儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

消解儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

消解儀實(shí)際控制效果

消解儀實(shí)際控制效果

本次實(shí)驗(yàn)是從室溫25.4℃升溫到95℃,升溫時(shí)間25min,平均升溫速率約為2.8℃/min,與仿真實(shí)驗(yàn)大致相同。而實(shí)際溫度曲線也與仿真結(jié)果相似,進(jìn)入穩(wěn)定溫度階段后,最大超調(diào)量為1.3℃,則比仿真結(jié)果稍大一些。

5結(jié)束語(yǔ)


本文通過(guò)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn),證明采用專家系統(tǒng)對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)整,在溫度控制中可以取得良好的控制效果,具有響應(yīng)速度快,超調(diào)小等優(yōu)點(diǎn),從而也體現(xiàn)了專家PID控制算法的適應(yīng)性與優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

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