智能PID控制在實訓教學中的設計與應用

[摘 要] 智能控制吸收傳統的PID控制的優勢從而進一步發展成智能PID控制，自適應性的采用是其最大特色。以鍋爐內膽水溫作為被控對象，基于學生在實驗室過程控制中所遇到的難題，來討論關于鍋爐內膽水溫的控制方案，使得系統在安全穩定運行的前提下能夠更高效率地工作。在控制過程中，由于受到的擾動不同，所需采取的控制方案也不同，需要根據大小和干擾程度選擇控制方案。鍋爐水溫度具有非線性、時變性，這些特性的大滯后和不對稱，一般方法很難達到理想的控制效果。所以采用單回路控制與串級控制兩種方案進行比較，通過反復試驗與調節，使系統達到一定的設計精度和要求，從而體現智能PID控制鍋爐內膽水溫的重要意義及研究價值。

[關 鍵 詞] 智能PID；單回路控制；串級控制；參數調節

[中圖分類號] G718 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）08-0084-02

一、概述

在實驗室指導學生實訓時，就常常遇到這樣的問題，在擾動產生后，參數調節不夠理想，耗時長，系統無法迅速恢復穩定狀態。因為常規的PID控制存在一定的不足之處，學生無法掌控。本文將以智能PID控制鍋爐內膽水溫為實例，即以鍋爐內膽作為被控對象，內膽的水溫為系統的被控變量，通過具有負反饋的閉環系統，使鍋爐內膽的水溫穩定在設定值上，以達到控制鍋爐內膽水溫的目的。但是夾套溫度的加熱過程容量時延非常大，其控制過渡時間也較長，溫度控制本身滯后性大，動態性能變化反復，控制起來難度也就比較大。所以合理選擇設計方案，參數的整定方法，參數的調節非常重要。本文主要采用智能PID來控制鍋爐內膽水溫，以期達到良好的控制效果。

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，其算法結構簡單，十分適用于工程中，是迄今工業過程控制中應用最廣泛的一種控制策略。面對越來越復雜的被控對象，如具有非線性、參數時變、數學模型無法精確獲得等特點的對象，傳統PID設計方法難以取得較好的控制效果，這也是我們在實驗室實訓時學生所面臨的難題，因此，需要先進的智能算法來改進PID控制器。學校為此引進了DCS實驗室，以智能AI808控制鍋爐內膽水溫，從而體現智能PID遠程控制鍋爐內膽水溫系統研究的意義。

二、設計方案

這次設計主要是采用閉環控制系統，閉環控制系統的定義是說控制器與被控對象之間從起點出發又會回到起點的控制系統。閉環控制系統特點是當系統受到擾動時，被控變量就會偏離我們最初的設定值，此時系統就會立馬產生控制作用，去消除被控變量與設定值之間的偏差。所以閉環控制系統是有非常高的控制精度的，而且有比較強的適應能力，它的應用非常廣泛。但它也有一些缺點，當系統的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質量大大降低，所以控制方案中要著重克服其存在的缺點。接下來我們看一下具體設計方案。

（一）單回路控制鍋爐內膽水溫

以鍋爐作為對象，內膽水的溫度作為系統的被控變量。設定值我們預先按要求設定好，鍋爐內膽水的溫度最終目的就是穩定在設定值上。檢測元件將檢測到的鍋爐內膽水的溫度信號輸送到控制器，然后與我們給定的值進行比較運算，得出差值再由調節器傳送到執行器，這是一個閉環線路，周而復始以達到控制鍋爐內膽水溫的目的。在鍋爐的整個定值控制系統中，鍋爐內夾套的溫度的升降是由鍋爐內膽的溫熱傳遞來決定的。所以夾套溫度加熱延遲非常大，過渡時間跨度長。在單回路控制系統中鍋爐外殼溫度如果不用循環水進行熱交換，熱量喪失的過程就比較慢了，整個溫度調控質量也會受到對象特性和環境的影響，在準確度和穩定性上隱藏著一定的誤差。而如果引入了水循環系統之后，那么情況就會有很大的改變。同比于靜態溫度控制實驗中，整個系統的準確性、速度上都會有很大的提高。我們這個系統控制的鍋爐夾套水溫系統，它的控制任務就是應用智能PID調節，使得鍋爐內夾套的水溫等于最初的給定值。接下來我們看一下本實驗系統結構圖和方框圖。如圖1所示。

（二）鍋爐夾套和鍋爐內膽溫度串級控制

1.基本工作原理

首先這是兩個閉合回路構成的，并且具有負反饋，在測溫回路中，內膽溫度檢測變送器檢測到的信號會輸送到副調節器，這就形成了副回路；夾套水溫通過夾套溫度檢測變送器檢測到的，這是主回路上的反饋信號，與剛開始輸入設定值相比較后，再被送入主調節器，主調節器也會傳送出新的信號，再與副回路反饋信號進行比較運算后，得出的差值信號將被副調節器送給執行器，從而能夠達到控制鍋爐內膽水溫的最終目的。

2.控制方案分析

控制系統中的主控制量是鍋爐內夾套水溫，副控制量則是指鍋爐內膽水溫，這是一個輔助控制量。控制系統由主、副回路兩個聯合在一起，主回路是一個定值控制系統，即主控量必須等于我們的給定值，那么比例積分（PI）或比例積分微分（PID）就作為系統的主調節器控制；副回路是一個隨動系統，這就要求輸出副回路可以快速顯示主控制裝置的變化規律，從而達到控制主控變量的目的，二次調節器通常是比例（P）控制，如果有必要，適當引入積分環節。由于溫度升降夾套鍋爐上反映鍋爐的傳熱是非常明顯的，因為副對象管道的時間常數小于主對象時間常數，所以，當主回路對副回路產生干擾影響的時候，只要調節副回路參數就能盡快消除干擾，所以我們主張采用串級控制，其結構如圖2所示。

3.串級控制系統的特點

①改善了過程的動態特性；

②可以克服各環節兩次進入系統的干擾，提高抗干擾能力；

③提高了系統的魯棒性；

④具有一定的自適應能力。

4.主、副調節器各自的作用

主回路的設計：

串級控制的主回路就是一個定值控制系統，它的設計理念其實和單回路控制系統相差并不是很多，整個組態過程完全依照單回路系統的原則來進行。在這里，兩個回路的相互協調性問題是我們主要處理并關注的。例如如何選擇合適的參數，主、副回路應當遵循的規則等問題。

副回路的設計：

前面我們也說了副回路是一個隨動系統，那么對其產生影響的二次擾動，它可以很好地抑制住且自適應能力強，這樣二次擾動對主被控量的影響就會變得很小，所以我們希望大振幅擾動、頻繁擾動和嚴重的擾動都盡可能地包括在副回路中。

當遇到一些非線性環節的對象時，就應盡力使非線性環節消失于副環節中，而串級控制系統本身是有一定的自適應能力的，它能消除副回路對象的非線性特征，所以非線性環節最好能融入副環中。

當所面對的對象有較大滯后特性時，這樣主控制器輸出的反應對于它來說就顯得很遲鈍，也不能很快地克服各種干擾所產生的影響，同時副回路也不能起到隨動系統的作用。在這種情況下我們就應盡量將純滯后部分引入主回路對象中去，從而保證副回路的快速抗擾動功能。

三、總結

通過以上討論與分析，本次論文設計將單回路控制與串級控制兩種不同的控制方案進行了比較，通過智能PID控制對各調節參數的影響，我們發現雖然串級控制比較復雜，但是如果方法應用得當，便能使系統很快達到理想狀態。因為內膽水溫控制本身就具有一定的滯后性，在實訓操作中學生難以把握，而我們選用智能PID控制器去控制其參數，就是因為智能PID具有良好的自適應性，它吸收了傳統PID的優勢，更加易于學生掌握控制。智能PID算法是近年來發展起來的一種將智能控制方法和常規PID控制方法相融合的新方法。它具有自學習、自適應、自組織能力，而且構成的PID控制器結構簡單、抗干擾性強、魯棒性高。對于沒有經驗的學生，PID參數的設定有一定的難度，所以我們希望通過智能PID控制方案的設計與應用，來提高學生的認知能力和學習能力。

參考文獻：

[1]杜效榮.化工儀表及自動化[M].化學工業出版社，2001-06.

[2]何道清，湛海云，張禾.儀表與自動化[M].化學工業出版社，2008-01.

[3]厲玉鳴.化工自動化及儀表[M].4版.化學工業出版社，2010-03.

[4]劉金琨.智能控制[M].2版.北京：電子工業出版社，2009.