PID专家控制器在温控系统中的应用

10, 20 20, +∞
2, 0, 2
2, 0, 2 4, 0, 2
4, 0, 2 4, 0, 4
4, 0, 2 8, 0, 8
8, 0, 4 8, 0, 8
8, 0, 6 8, 0, 6
16, 0, 8 满功率
满功率
满功率
(2) PID 算法 由 于 标 准 PID 算 式 中 积 分 项 的 作 用 ，有 可 能 会 使系统产生一个较大的超调量，故基本算法采用位 置式 PD 加改进的积分项。位置式 PD 算法如下：
2 制袋机 PID 专家控制器的设计
2.1 系统分析
针 对 制 袋 机 电 热 特 性 ，要 求 系 统 控 温 范 围 80～ 200℃，稳定后温度波动不超过 0.5℃。由于制袋机 烫刀以电阻丝加热，加热元件工作在低温区，滞后 时间 22s 左右。为了保证加热元件快速升到设定温 度 ，为 加 热 元 件 提 供 的 功 率 富 余 很 多 。8%的 输 出 功 率 就 能 保 证 烫 刀 稳 定 在 100℃ 。烫 刀 暴 露 于 空 气 中 ， 随着自身温度升高，其散热条件也不断变化。利用 常 规 PID 控 制 很 难 得 到 好 的 控 制 效 果 ，为 了 实 现 快 速精确的温度控制，根据被控对象的特性建立专家 系统 PID 控制方式，如图 1。
2, 4, 8 2, 4, 4 1, 4, 4 1, 0, 4
1, 4, 4 1, 4, 2 1, 4, 2 1, 0, 2
1, 4, 8 2, 4, 8 2, 4, 8 2, 0, 8
2, 4, 8 4, 2, 8 8, 2, 8 8, 0, 8
4, 2, 16 16, 2, 16 满功率 满功率
收稿日期： 2004－ 02－ 17；修回日期：2004－ 03－ 15 作 者 简 介 ： 魏 红 昀 （ 1976－ ）， 女 ，河 南 人 ， 在 读 硕 士 ，1998 年 毕 业 于 武 汉 科 技 大 学 ， 从 事 计 算 机 系 统 集 成 与 网 络 控 制 、 工 业 过 程 控 制 、 智
PID 专家控制器在温控系统中的应用
魏红昀 1，邓忠华 1，魏晴昀 2 （1. 华中科技大学 控制科学与工程系，湖北 武汉 430074；2. 空军雷达学院 机械工程系，湖北 武汉 430019）
摘要：以单片机为核心的制袋机温度控制系统采用了基于专家智能与 PID 相结合的专家控制器，利用专家系统 知识库输出修正 PID 参数以改变 PID 控制方式。据对象特性设计了 99 条控制规则，并将各种规则的调整方法及调 整参数存于控制器。用改进积分法控制温度波动以达到最佳 PID 控制效果。
测 量 值 (度 )
110 100
90 80
70
60
50
40
300
400
800
1200 1600
(a) 简 单 智 能 控 制
200
400 800 1200 1600 2000
j= 0
即改进后的 PID 输出为：
Out (n )
=
Kp
* e(n) +
Kd
* [e(n) −
e(n
−
1)] +
n − 1 P( j) ∑
j= 0 K µ
3 实际效果与结论
以 上 述 专 家 智 能 PID 复 合 控 制 方 法 为 理 论 依 据 ，以 单 片 机 196KC 为 核 心 设 计 了 制 袋 机 温 度 控 制 系统。其中，温度传感器为镍铬镍硅热电偶；加热
把 专 家 系 统 和 PID 控 制 器 结 合 ，利 用 专 家 系 统 知 识 库 输 出 修 正 PID 参 数 ，改 变 PID 控 制 方 式 以 达 到最佳 PID 控制效果。根据对象特性及设计要求， 设 计 了 99 条 控 制 规 则 ，并 预 先 将 规 则 下 的 调 整 方 法 及调整参数存储于控制器中。专家控制规则根据当 前 偏 差 e(n)及其变化率△e(n)的大小决定控制方式 和是否需修改比例系数 Kp、改进积分增益 Kμ和
满 功 率 输 出
＋
e
Yr
－
输出关断
u
PID 控 制 器
专 家 系 统 PID
Kp,ki,kd 参 数 修 正
被控对象 Y PID 基本参数
de／ dt
图 1 专 家 智 能 PID 复 合 控 制 器 的 原 理 框 图
(1) 专家控制 本专家控制器的推理结构采用数据驱动的正 向 推 理 策 略 。 产 生 式 规 则 采 用 IFe(n) AND △e(n) THEN out(n)形式。专家系统的关键是专家知识的 建立、确定。知识获取，有些来自工艺人员的长期 总结，有些借助于控制领域的知识和分析。如：温 差很大时，满功率输出；温度稳定阶段，比例增益 要选小一些；为抑制波动，微分增益选大一些等。
2. Dept. of Mechanics Engineering, Air Force Radar Academy, Wuhan 430019, China)
Abstract: PID expert controller based on expert intelligent and PID was adopted in temperature control system
功 率 的 调 节 由 无 触 点 继 电 器 实 现 。经 过 试 验 及 应 用 ， 在 不 同 条 件 下 的 控 温 波 动 度 均 优 于 0.3℃ ， 调 整 时 间不超过 10min，综合性能优于以往的控制方法， 可满足制袋机需要。图 2 给出了简单智能 PID[2]控 制效果和本文的专家智能 PID 复合控制效果。
8, 2, 16 8, 4,1 6 4, 4, 16
4, 2, 8 4, 2, 8 1, 4, 8
k0p、 k0μ 、 k0D 关闭输出
关闭输出
关闭输出 1, 4, 2
1, 4, 8
1, 4, 4
1, 4, 4 1, 4, 4 2, 4, 8
2, 4, 8 1, 4, 8
0, 4, 0
1, 4, 8 2, 2, 8
兵工自动化
测控技术
O. I. Automation
2004 年第 23 卷第 4 期 Measurement and Control Technique 2004, Vol. 23, No.4
文章编号：1006－ 1576（2004）04－ 0050－ 02
Key words: Expert control; PID control; Intelligent control; Temperature control
1 引言
温度控制系统具有非线性、强耦合、时变、时 滞 等 特 性 ，采 用 常 规 PID 控 制 难 以 兼 顾 高 精 度 与 快 速 性 的 双 重 要 求 。 而 专 家 系 统[1] 对 此 不 仅 可 作 出 较 好的预测，还可处理带有误差或不完善的数据。综 合 PID 控 制 和 专 家 系 统 的 优 点 ，故 提 出 专 家 式 智 能 与 PID 相 结 合 的 复 合 控 制 方 法 ，将 专 家 经 验 和 PID 控制定量调节特性充分运用于控制过程中，较好地 满足了高精度控温中的高精度与快速性要求。
分
和
微
分
增
益
；a
T p
、
a
T
μ
和
a
T D
分别为当前调整状态
下的比例、积分和微分项修正系数。
表 1 各调整状态的判别规则及修正系数
e Δe
－ ∞, -2 － 2, -1
－∞, －2
－ 2, 1.25
关闭输出
－ 1.25, － 0.625 关闭输出 8, 2, 16
－ 0.625, － 0.25 8, 4, 16 8, 4, 16
1, 3
3, 10
关闭输出 关闭输出 2, 0, 2
2, 2, 2 4, 0, 2 4, 2, 8 4, 0, 4 4, 2, 8 4, 0, 8 4, 2, 8 4, 0, 8 4, 2, 8 4, 0, 8 4, 2, 8 4, 0, 8
注：表中的系数在使用时全部除以 16。如查表得到 2, 4, 8，则相应的修正系数为 0.125, 0.25, 0.5。
能控制等研究。
·50·
兵工自动化
测控技术
O. I. Automation
2004 年第 23 卷第 4 期 Measurement and Control Technique 2004, Vol. 23, No.4
－ 0.25, 0.25 8, 0, 4 4, 8, 8
0.25, 0.375 8, 0, 4 4, 4, 4
0.375, 0.625 8, 0, 4 4, 4, 4
0.625, 1
8, 0, 4 4, 4, 2
1, +∞
8, 0, 2 4, 0, 2
－ 1, － 0.5 － 0.5, － 0.25 － 0.25, 0.25 0.25, 0.5 0.5, 1
P(n)＝Kp*e(n)＋ Kd*[e(n)－ e(n－ 1)]
式中：e(n)＝r(n)–y(n) P(n)－第 n 次采样时 PD 控制器的输出； Kp，Kd－分别为比例增益和微分增益； e(n)－第 n 次采样时刻的偏差； e(n－1)－第 n－1 次采样时刻的偏差； r(n)－第 n 次采样时刻的设定值； y(n)－第 n 次采样时刻被控量的测量值。
关键词：专家系统；PID 控制；智能控制；温度控制
中图分类号：TP182 文献标识码：A
Application of PID Expert Controller in Temperature Control System