【正文】 困擾，常規(guī)PID 控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運(yùn)行工作情況的適應(yīng)性很差。因此，常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。因此，人們對PID 控制做了各種改進(jìn)工作。本文分別對常規(guī)PID 控制、模糊自適應(yīng)PID 控制、專家PID 控制進(jìn)行了對比分析。 課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 最近十年來，在溫度控制方法上有了快速的發(fā)展。己從傳統(tǒng)的直接控制轉(zhuǎn)變成PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等控制方法。 ．PID控制即比例、積分、微分控制。這種控制由于其結(jié)構(gòu)簡單、實用、價格低，在廣泛的過程領(lǐng)域內(nèi)可以實現(xiàn)滿意的控制，所以應(yīng)用極其廣泛。該方法通過溫控系統(tǒng)將熱電偶實時采集的溫度值與設(shè)定值比較，差值作為PID功能塊的輸入。PID控制算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計算出合適的輸出控制參數(shù)，利用修改控制變量誤差的方法實現(xiàn)閉環(huán)控制，使控制過程連續(xù)。 ．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前主要的、也是重要的一種人工智能技術(shù)，是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法各異，其中誤差反向傳播算法(即BP算法)應(yīng)用最為廣泛。 ．模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對象。 ．模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)。其特點是不須知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強(qiáng)魯棒性，對控制系統(tǒng)干擾有較強(qiáng)抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計分析和標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求，特別是其強(qiáng)魯棒性能較好適應(yīng)過程工況的大范圍變動。但PID本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與PID結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點。即用過程的運(yùn)行狀態(tài)(溫度偏差及溫度變化率)確定PID控制器參數(shù)，用PID控制率確定控制作用。主要的問題是合理地獲得PID參數(shù)的模糊校正規(guī)則。其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。 ．遺傳算法(GeneticAlgoriths．簡稱GA)是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的全局優(yōu)化搜索算法。它將生物進(jìn)化過程中適者生存規(guī)則與群體內(nèi)部染色體的隨機(jī)信息交換機(jī)制相結(jié)合，通過正確的編碼機(jī)制和適應(yīng)度函數(shù)的選擇來操作稱為染色體的二進(jìn)制串l或O。引入了如繁殖交叉和變異等方法在所求解的問題空間上進(jìn)行全局的并行的隨機(jī)的搜索優(yōu)化，朝全局最優(yōu)方向收斂。基于遺傳算法溫控系統(tǒng)的設(shè)計就是傳感器得到的溫度信號放大，數(shù)字化送入單片機(jī)，單片機(jī)將其與給定溫度進(jìn)行比較，用遺傳算法來優(yōu)化3個PID參數(shù)，然后將控制量輸出。 將專家PID 控制技術(shù)應(yīng)用于具有遲延、時變、非線性的恒溫槽的溫度控制中，克服了常規(guī)PID 控制的易超調(diào)、波動大、穩(wěn)定性差的缺點。實驗結(jié)果表明，它能適應(yīng)對象參數(shù)的變化并表現(xiàn)出良好的控制品質(zhì)，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。而對于模糊PID，模糊PID恒溫槽控制系統(tǒng)對于恒溫槽內(nèi)溫度的變化調(diào)節(jié)更加平穩(wěn), 顯示了很好的控制效果。具體表現(xiàn)為溫度上升和下降更為平穩(wěn), 基本沒有出現(xiàn)過采用傳統(tǒng)PID時溫度的跳躍式上升和下降情況。模糊自適應(yīng)PID算法比普通PID算法的控制精度雖然沒有太大的提高, 但是在控制穩(wěn)定性上卻大為提高。經(jīng)過恒溫系統(tǒng)的實際運(yùn)行, 基本得到預(yù)期的效果, 證明此系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和可靠性。綜上所述，專家PID與模糊PID對于恒溫槽的控制效果都要強(qiáng)于傳統(tǒng)的PID控制，在未來，這兩種方法將會成為主流。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計采用專家PID數(shù)字式控制以達(dá)到快速響應(yīng)和穩(wěn)定的性能，控制器基于單片機(jī)，并使用最佳性能的程序，傳感器置于槽內(nèi)測量溫度。按恒溫槽內(nèi)狀況，單片機(jī)將控制相應(yīng)控制電路，使各工作部件開始工作，進(jìn)行加熱與制冷，連續(xù)控制獲得適當(dāng)?shù)臏囟戎?，直至溫度合適。在封閉循環(huán)回路中控制器根據(jù)需要用電加熱器加熱和壓縮機(jī)制冷保持所需溫度，專家PID控制器對檢定腔的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的變化作出快速反應(yīng)。溫度控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21。 圖22 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 控制系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計單片機(jī)控制系統(tǒng)中，由于主要利用軟件算法實現(xiàn)控制方案，相比模擬控制較靈活；其次，單片機(jī)系統(tǒng)由于采用元器件較少，信號采用數(shù)字處理，避免了模擬信號傳遞過程中的畸變、失真，故受干擾小，可靠性高；第三，參數(shù)設(shè)定簡便，可以使系統(tǒng)的調(diào)試工作變得方便。因此，單片機(jī)控制系統(tǒng)非常適合于應(yīng)用型控制領(lǐng)域。又由于單片機(jī)系統(tǒng)具有體積小、成本低、易維護(hù)、性能穩(wěn)定等特點，得到了越來越多的應(yīng)用。該測控系統(tǒng)的硬件框圖主要包括單片機(jī)STC89C5溫度傳感器、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器ICL713輸入設(shè)備（傳感器、獨立鍵盤）、輸出設(shè)備（加熱器、制冷器、數(shù)碼顯示器LED），其結(jié)構(gòu)框圖如圖22。其中微處理器STC89C52是整個系統(tǒng)的控制核心。 圖23 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 a. 器件選擇 a1 AD590簡介型號AD590IAD590JAD590KAD590LAD590M單位最大非線性誤差度最大標(biāo)定溫度誤差1050度額定溫度系數(shù)1uA/K額定輸出電流（25度)uA長期溫度飄逸度/月響應(yīng)時間20us殼與管角對地電阻10^10歐姆等效并聯(lián)電容100pF工作范圍+4至+30V 表1 AD590等效于一個高阻抗恒流源,工作范圍時+4~+30V，測溫范圍是55~+150，對于溫度變化范圍內(nèi)，對于熱力學(xué)溫度每變化1T就輸出1電流。（25）。這表明其輸出電流與熱力學(xué)溫度嚴(yán)格成正比。即 因此，輸出電流的微安數(shù)就代表熱力學(xué)溫度數(shù)，如需顯示攝氏溫度，需要加轉(zhuǎn)換電路或進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算。有關(guān)系式： a2 ICL7135簡介 ICI7135 是4 位雙積分A/D 轉(zhuǎn)換芯片,可以轉(zhuǎn)換輸出177。20000 個數(shù)字量,有STOR 選通控制的BCD 碼輸出, 具有精度高(相當(dāng)于14 位A/D 轉(zhuǎn)換),每個轉(zhuǎn)換周期均有:自校準(zhǔn)(調(diào)零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準(zhǔn)電壓積分)和過零檢測四個階段組成,其中自校準(zhǔn)時間為10001 個脈沖,正向積分時間為10000 個脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過20001 個脈沖).故設(shè)計者可以采用從正向積分開始計數(shù)脈沖個數(shù), 給出了ICL7135 時序,由圖可見,當(dāng)BUSY 變高時開始正向積分,反向積分到零時BUSY 變低,所以BUSY 可以用于控制計數(shù)器的啟動/：圖24 ICL引腳圖V+,V為電源輸入端，典型值為：5，+5V；REF為參考電壓輸入端，若參考電壓為1V，轉(zhuǎn)換結(jié)果=10000(VIN/VREF)；AC為模擬公共端，接地；INT OUT為積分輸出端，典型外接積分電容；AZ為自校零端；BUF OUT為緩沖放大器輸出端，典型外接積分電阻；RC1為外接參考電容+，典型值1uf；RC2為外接參考電容，典型值1uf；INPUT HI為模擬輸入正；INPUT LO為模擬輸入負(fù)；D1至D5為個、十、百、千、萬選通；B8 B4 B2 B1為BCD碼輸出，對應(yīng)8421碼；UR為欠量程信號輸出端,當(dāng)輸入信號小于量程范圍的9%時,該端輸出高電平；OR為過量程信號輸出端,當(dāng)輸入信號超過計數(shù)范圍(20001)時,該端輸出高電平；STOR為數(shù)據(jù)輸出選通信號(負(fù)脈沖),寬度為時鐘脈沖寬度的一半,每次A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時,該端輸出5 個負(fù)脈沖,分別選通由高到低的BCD 碼數(shù)據(jù)(5 位),該端用于將轉(zhuǎn)換結(jié)果打到并行I/O 接口；R/H為自動轉(zhuǎn)換/。每隔40002 個時鐘脈沖自動啟動下一次轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入為低電平時,轉(zhuǎn)換結(jié)束后需輸入一個大于300ns 的正脈沖,才能啟動下一次轉(zhuǎn)換；GND為數(shù)字地；POL為極性判斷端,高電平表示極性為正；BUSY為忙信號輸出,反向積分結(jié)束時自動變低；CLK為時鐘輸入端，典型值=125kHz,對50Hz 工頻干擾有較大抑制能力,此時轉(zhuǎn)換速度為3 次/s. (1)信號調(diào)理電路圖25 信號調(diào)理電路如圖24所示，AD590采集的信號是微弱的電流信號，需要經(jīng)過一個電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)化為上的輸出電壓，放大增益為,由于反饋系數(shù)。由于，所以 此放大電路相當(dāng)于電流控制的電壓源。因此無論負(fù)載如何變化，只要輸入電流不變，則不變。，ICL7135的輸入是0到2V，所以應(yīng)該采取放大倍數(shù)為10K，取。由下式得 由運(yùn)算放大器2組成減法器電路，這樣，當(dāng)溫度為70時。其中,。將此模擬信號于ICL7135的模擬輸入端相連，經(jīng)過溫度轉(zhuǎn)換程序，即可求得此時