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    一、概述

    露點式濕熱箱可供各種產(chǎn)品和材料進(jìn)行不同規(guī)范的潮熱試驗和干熱試驗。某精細(xì)化工廠有一臺90年初代生產(chǎn)的Y61320溫?zé)嵩囼炏?，由于是采用模擬電子電路設(shè)計，電路較復(fù)雜，在元器件老化及發(fā)生溫控故障時很難找到替代品維修，并且試驗箱的溫度測量不是數(shù)字顯示，顯得很不直觀，有必要進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)用智能PID調(diào)節(jié)器可解決這些問題。根據(jù)這個設(shè)想，將試驗箱的后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度控制改用智能自整定PID調(diào)節(jié)器控制。

    二、儀表選型

    在濕熱箱溫控系統(tǒng)中，是通過控制可控硅的導(dǎo)通和斷開來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的，為了能夠更精確的調(diào)節(jié)溫度和盡量延長加熱器的使用壽命，采用可控硅移相觸發(fā)模式工作。儀表選擇宇電AI人工智能調(diào)節(jié)器，具體型號為AI-518EK5L2L2。

    它具有以下的特點：(1) 采用萬能輸入，使儀表僅通過簡單快捷的菜單選擇，即可實現(xiàn)儀表的各種分度號、標(biāo)準(zhǔn)信號及遠(yuǎn)傳壓力信號、毫伏信號的輸入。(2) 采用模塊化通用電路結(jié)構(gòu)，通過簡單的模塊組合，即可實現(xiàn)儀表的各種功能變換，通用性和靈活性顯著增強(qiáng)。(3) 采用了集成度更高的IC芯片和先進(jìn)的SMT表面元件貼裝工藝以及獨特的電路屏蔽技術(shù)，從而具備超強(qiáng)的抗干擾力和可靠性，可在十分嚴(yán)酷的電磁干擾環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

    三、控制原理

    原有濕溫箱電路的溫控原理如下圖所示。先把空氣加濕到飽和狀態(tài)或接近飽和狀態(tài)，然后把濕空氣加熱，降低空氣的相對濕度達(dá)到所需的濕度值。箱內(nèi)的空氣經(jīng)螺殼通風(fēng)機(jī)進(jìn)入加濕通道噴霧加濕后，空氣達(dá)到或接近所需的飽和狀態(tài)，再經(jīng)后熱器加熱，空氣達(dá)到所需的空氣狀態(tài)。只要適當(dāng)?shù)乜刂坪鬅崞骷八渌臏囟?，就能達(dá)到所需要的濕度和溫度。

    采用AI智能PID調(diào)節(jié)器控制后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度。在實際應(yīng)用中，當(dāng)箱內(nèi)實際溫度小于設(shè)定溫度時，由感溫元件熱電阻將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，測溫直流電橋的不平衡輸出經(jīng)差動放大和相敏檢波后，產(chǎn)生頻率不同的觸發(fā)脈沖，加到可控硅的控制極上，使其導(dǎo)通角變化，從而獲得升溫過程所需的功率。當(dāng)實際溫度和設(shè)定溫度相等時，測量電橋平衡，只有頻率較低的觸發(fā)脈沖輸出，使可控硅以很少的導(dǎo)通角開啟，提供一個小功率以彌補(bǔ)自然散發(fā)的熱量而維持恒溫。當(dāng)實際溫度高于設(shè)定溫度時，觸發(fā)電路無脈沖輸出，可控硅完全關(guān)斷，加熱器兩端無電壓供給，試驗箱停止加熱。應(yīng)用AI智能PID調(diào)節(jié)器后的控制加熱應(yīng)用電路如下圖所示，采用Pt100作為測溫元件輸入到控制儀中，和改進(jìn)前電路不同的是加熱功率的大小是由AI智能PID調(diào)節(jié)器輸出信號控制雙向可控硅的控制極上，控溫更加準(zhǔn)確和直觀。
 

    三、AI調(diào)節(jié)器PID算法、自整定和操作

    1.AI調(diào)節(jié)器PID算法

    AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中的人工智能控制算法，既對PID算法加以改進(jìn)和保留，加入模糊控制算法規(guī)則，并對給定值的變化加入了前饋調(diào)節(jié)。在誤差大時，運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現(xiàn)象，如同熟練工人進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差趨小時，采用改進(jìn)后的PID算法控制輸出。其控制參數(shù)采用被控對象特征描述方式。一組(MPT)參數(shù)即可同時確定PID參數(shù)和模糊控制參數(shù)。系統(tǒng)具有無超調(diào)和高控制精度等特點。針對不穩(wěn)定的非線形復(fù)雜調(diào)節(jié)對象，表內(nèi)設(shè)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進(jìn)一步加快響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì)。針對控制參數(shù)較難確定的現(xiàn)實，表內(nèi)設(shè)有自整定專家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數(shù)確定簡單，準(zhǔn)確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引入，不僅使復(fù)雜勞動簡化，節(jié)約了調(diào)試時間，而且提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。對于許多復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，例如電爐溫度控制中的電網(wǎng)電壓變化、外界干擾因素和工作環(huán)境多變等，針對有嚴(yán)重非線形的控制對象，國外儀表公司也推出了不少對策和方法。例如，日本導(dǎo)電公司生產(chǎn)的儀表中，采用了多組算法；歐陸和歐姆龍儀表中采用了自適應(yīng)功能；KMM智能調(diào)節(jié)儀表中采用了折線模塊來適應(yīng)系統(tǒng)的非線性；還有的儀表公司在儀表中采用辯識方法來提高儀表在非線性系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)質(zhì)量。在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，針對有嚴(yán)重中非線性的控制對象，選擇了自適應(yīng)方式來解決。其改進(jìn)的特點是：當(dāng)控制偏差大于估計的誤差時，自適應(yīng)系統(tǒng)不是修改MPT參數(shù)(國外儀表的自適應(yīng)功能是修改控制參數(shù))，而是修改輸出值來降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會出現(xiàn)將原來正確控制參數(shù)改錯的現(xiàn)象，使響應(yīng)速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進(jìn)：

    常規(guī)PID算法構(gòu)成如下：?輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)?

    在常規(guī)PID的控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度是難以兩全其美的，這主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢，而當(dāng)加強(qiáng)積分作用時，又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。

    在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)控制參數(shù)在比例帶以外時，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對PID算法部分又加以改進(jìn)如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)

    由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī)PID算法中的積分飽和現(xiàn)象得到較大緩解。不過從上式中可以看到，原有參數(shù)已經(jīng)較難確定了，又增加了一個新參數(shù)(∫I)，所以，這些參數(shù)必然互相影響，使得新算法參數(shù)更加難以確定。為此，經(jīng)過認(rèn)真的研究和實驗分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對象的滯后時間有關(guān)。滯后時間越大，則比例作用響應(yīng)減少，而微分作用響應(yīng)增加。兩者存在的關(guān)系如下：

    比例作用=K(1/t)?

    微分作用=K(1-1/t)d?

    式中，K為系數(shù)；t為滯后時間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。?

    由此，可將人工智能控制算法公式改為：

    輸出=P［1/t+(1-1/t)d］+(1/M)∫［1/t+(1-1/t)d］?

    式中，P用于調(diào)整微分和比例的大小，P增加，相當(dāng)于同時將微分時間增加及減少比例帶。反之，P減少，相當(dāng)于同時將微分時間減少和增大比例帶。M類似積分時間，可用于調(diào)整積分和微分積分的大小，t用于調(diào)整微分與比例的相互比例成分。如果t=1，則微分作用為0，如果1?Ｍ＝０，則積分作用為0。這樣，控制參數(shù)又減少為3個，由于常規(guī)PID參數(shù)的定義只根據(jù)算法本身，其特點是不需要考慮被控對象的精確模型，而改進(jìn)后的3個控制參數(shù)，由于同原參數(shù)概念不同，所以，定義為MPT控制算法，具體含義如下：

    M5為保持參數(shù)：M 5 定義為輸出值變化為5％時，控制對象基本穩(wěn)定后測量值的差值。5表示輸出值變化量為5%，同一系統(tǒng)的M 5參數(shù)一般會隨測量值有所變化，應(yīng)取工作點附近為準(zhǔn)。例如某電爐溫度控制，工作點為700℃，為找出最佳M 5值，假定輸出保持為50％時，電爐溫度最后穩(wěn)定在700℃左右，而55％輸出時，電爐溫度最后穩(wěn)定在750℃左右。則：M 5＝750-700＝50.0（℃）M 5參數(shù)PID調(diào)節(jié)的積分時間起相同的作用。M 5值越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M5值越大，積分作用越弱（積分時間增加）。如果，M=0，則系統(tǒng)取消積分作用。

    P為速率參數(shù)：P與每個控制周期內(nèi)儀表輸出變化100%時測量值對應(yīng)變化的大小成反比，其數(shù)值定義如下：P=1000÷每秒鐘測量值升高值（測量值單位是0.1℃或1個定義單位）。例如電爐溫度控制，如果儀表以100%功率加熱，并假設(shè)沒有散熱，電爐每秒升高1℃時，則P=1000÷10=100，在實際應(yīng)用時，因為沒有散熱的前提條件是無法滿足的，所以，用人工的方式確定P的最佳值是不可能的，因此，一般利用自整定方法確定P的最佳值，P值對調(diào)節(jié)中的比例和微分均有作用。P值越大，比例、微分作用成正比增加，而P值越小，比例、微分作用相應(yīng)減弱。P參數(shù)與積分作用無關(guān)。

    T為滯后時間參數(shù)：T定義為某電爐以某功率開始升溫，當(dāng)其升溫速率達(dá)到最大值的63.5%時所需要的時間，T值單位是秒(s)。引入?yún)?shù)T并正確設(shè)置時可以完全解決溫度控制的超調(diào)現(xiàn)象及振蕩現(xiàn)象，同時使控制響應(yīng)速度最佳。T值的變化，可對調(diào)節(jié)作用中的比例和微分起作用，T值越小，比例作用越強(qiáng)，微分作用越弱。T值越大，則比例作用減弱，微分作用增強(qiáng)。如果T≤CTL(控制周期)，則微分作用被完全取消，這時，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律將成為比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。

    2.PID自整定原理

    執(zhí)行自整定功能前，應(yīng)先將給定值設(shè)置在最常用值或是中間值上。自整定時，儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，經(jīng)2－3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計算出M 5、P、T等控制參數(shù)。參數(shù)CtL及dF的設(shè)置，對自整定過程也有影響，一般來說，這2個參數(shù)的設(shè)定值越小，理論上自整定參數(shù)準(zhǔn)確度越高。但dF值如果過小，則儀表可能因輸入波動而在給定值附近引起位式調(diào)節(jié)的誤動作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數(shù)。推薦CtL=0-2，dF=0.5。此外，基于需要學(xué)習(xí)的原因，自整定結(jié)束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段時間（一般與自整定需要的時間相同）后方可獲得最佳效果。

    3.AI儀表的操作

    參數(shù)設(shè)置操作：在基本狀態(tài)下按菜單鍵并保持約2秒鐘，即進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)。在參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下點擊菜單鍵，儀表將依次顯示各參數(shù)，例如上限報警值HIAL、參數(shù)鎖Loc等等（對于配置好并鎖上參數(shù)鎖的儀表，只出現(xiàn)操作工需要用到的現(xiàn)場參數(shù)）。用向上、向下等鍵可修改參數(shù)值。按“A/M”鍵并保持不放，可返回顯示上一參數(shù)。先按“A/M”鍵不放接著再按菜單鍵可退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。

    系統(tǒng)中需要設(shè)置的參數(shù)如下：HIAL：上限報警。LOAL：下限報警。dF：回差（死區(qū)、滯環(huán)），用于避免因測量輸入值波動而產(chǎn)生頻繁調(diào)節(jié)作用，在回差范圍內(nèi)位式調(diào)節(jié)不起作用，dF =0.5。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)，Ctrl＝1。M5：保持參數(shù)，主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用，和PID積分時間類似，M5越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。P：速率參數(shù)，與每秒內(nèi)儀表輸出變化100%時測量值時應(yīng)變化大小成正比，P=1000/每秒測量值的升高單位值（系統(tǒng)以0.1定義為一個單位）。T：滯后時間，t越小，則比例和積分作用均成正比增強(qiáng)，而微分作用相對減弱，但整體反饋作用增強(qiáng)：反之，t越大，則比例和積分作用均減弱，而微分作用相對增強(qiáng)。CtL：輸出周期，反映儀表運(yùn)算調(diào)節(jié)的快慢，CtL=1。Sn：輸入反饋信號類型，Sn=21表示Pt100輸入。OPt：輸出信號類型，Opt=8表示可控硅單相移相觸發(fā)輸出。CF：系統(tǒng)功能選擇，CF=0表示反作用調(diào)節(jié)。儀表的M5、P、T三個參數(shù)由儀表自整定自動確認(rèn)。

    自整定的操作：初次啟動自整定時，須把儀表的參數(shù)都設(shè)置好，在儀表顯示測量值和設(shè)定值的狀態(tài)下（儀表的CTRL參數(shù)必須為1），按“A/M”鍵并保持約2秒鐘，此時儀表下顯示器將閃動顯示“At”字樣，表明儀表已進(jìn)入自整定狀態(tài)。如果在自整定過程中要提前放棄自整定，可再按“A/M”鍵并保持約2秒鐘，使儀表下顯示器停止閃動“At”字樣即可。視不同系統(tǒng)，自整定需要的時間可從數(shù)秒至數(shù)小時不等。在多數(shù)情況下，自整定一次就可以使獲得滿意的控制效果。如果控制有偏差時，可以通過微調(diào)M5、P、T參數(shù)來修正。

    四、結(jié)語

    AI智能調(diào)節(jié)器以其功能強(qiáng)大、性能價格高等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PID調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有90%的回路在應(yīng)用PID調(diào)節(jié)策略。將模糊控制和常規(guī)PID調(diào)節(jié)方法融合在一起而形成的AI智能PID調(diào)節(jié)器，它吸收了兩者的優(yōu)點，因而具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力，能夠自動辨識被控過程參數(shù)的變化，它又具備常規(guī)PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，為現(xiàn)場工程人員所熟悉等特點。正是這兩大優(yōu)勢，使得AI智能PID調(diào)節(jié)器成為眾多過程控制的一種較理想的選擇。