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格丹納DS系列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。

1 前言

濕法消解是目前化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室常用的無機(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：

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 k、k-1、k-2 次的采樣值有關(guān)，所以能夠比較容易的通過加權(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)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)來描述。通過開環(huán)階躍響應(yīng)，求得系統(tǒng)的大致數(shù)學(xué)模型為：

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：

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)本階梯的穩(wěn)定溫度和升溫速率加入前饋控制量 ，控制器輸出為：

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，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)單化的過程，與實(shí)際系統(tǒng)總存在偏差，因此通過仿真得到的參數(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：

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，超調(diào)量為 1.3℃，則比仿真結(jié)果稍大一些。

5 結(jié)束語

本文通過仿真和實(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。

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