一、概述

    露點(diǎn)式濕熱箱可供各種產(chǎn)品和材料進(jìn)行不同規范的潮熱試驗和干熱試驗。某精細化工廠(chǎng)有一臺90年初代生產(chǎn)的Y61320溫熱試驗箱，由于是采用模擬電子電路設計，電路較復雜，在元器件老化及發(fā)生溫控故障時(shí)很難找到替代品維修，并且試驗箱的溫度測量不是數字顯示，顯得很不直觀(guān)，有必要進(jìn)行技術(shù)改造，應用智能PID調節器可解決這些問(wèn)題。根據這個(gè)設想，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調節器控制。

    二、儀表選型

    在濕熱箱溫控系統中，是通過(guò)控制可控硅的導通和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現溫度調節的，為了能夠更精確的調節溫度和盡量延長(cháng)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人工智能調節器，具體型號為AI-518EK5L2L2。

    它具有以下的特點(diǎn)：(1) 采用萬(wàn)能輸入，使儀表僅通過(guò)簡(jiǎn)單快捷的菜單選擇，即可實(shí)現儀表的各種分度號、標準信號及遠傳壓力信號、毫伏信號的輸入。(2) 采用模塊化通用電路結構，通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊組合，即可實(shí)現儀表的各種功能變換，通用性和靈活性顯著(zhù)增強。(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)，從而具備超強的抗干擾力和可靠性，可在十分嚴酷的電磁干擾環(huán)境下長(cháng)期穩定工作。

    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到所需的濕度值。箱內的空氣經(jīng)螺殼通風(fēng)機進(jìn)入加濕通道噴霧加濕后，空氣達到或接近所需的飽和狀態(tài)，再經(jīng)后熱器加熱，空氣達到所需的空氣狀態(tài)。只要適當地控制后熱器及水箱水的溫度，就能達到所需要的濕度和溫度。

    采用AI智能PID調節器控制后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度。在實(shí)際應用中，當箱內實(shí)際溫度小于設定溫度時(shí)，由感溫元件熱電阻將溫度變化轉化為電阻值的變化，測溫直流電橋的不平衡輸出經(jīng)差動(dòng)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，使其導通角變化，從而獲得升溫過(guò)程所需的功率。當實(shí)際溫度和設定溫度相等時(shí)，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通角開(kāi)啟，提供一個(gè)小功率以彌補自然散發(fā)的熱量而維持恒溫。當實(shí)際溫度高于設定溫度時(shí)，觸發(fā)電路無(wú)脈沖輸出，可控硅完全關(guān)斷，加熱器兩端無(wú)電壓供給，試驗箱停止加熱。應用AI智能PID調節器后的控制加熱應用電路如下圖所示，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調節器輸出信號控制雙向可控硅的控制極上，控溫更加準確和直觀(guān)。
 

    三、AI調節器PID算法、自整定和操作

    1.AI調節器PID算法

    AI系列智能工業(yè)調節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則，并對給定值的變化加入了前饋調節。在誤差大時(shí)，運用模糊算法進(jìn)行調節，以徹底消除PID飽和積分現象，如同熟練工人進(jìn)行手動(dòng)調節。當誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法控制輸出。其控制參數采用被控對象特征描述方式。一組(MPT)參數即可同時(shí)確定PID參數和模糊控制參數。系統具有無(wú)超調和高控制精度等特點(diǎn)。針對不穩定的非線(xiàn)形復雜調節對象，表內設有自適應調節規則，可使系統進(jìn)一步加快響應速度，改善控制品質(zhì)。針對控制參數較難確定的現實(shí)，表內設有自整定專(zhuān)家系統，可使系統的控制參數確定簡(jiǎn)單，準確度提高，因此，自整定系統的引入，不僅使復雜勞動(dòng)簡(jiǎn)化，節約了調試時(shí)間，而且提高了控制系統的調節品質(zhì)。對于許多復雜的調節對象，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，針對有嚴重非線(xiàn)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功能；KMM智能調節儀表中采用了折線(xiàn)模塊來(lái)適應系統的非線(xiàn)性；還有的儀表公司在儀表中采用辯識方法來(lái)提高儀表在非線(xiàn)性系統中的調節質(zhì)量。在A(yíng)I系列智能工業(yè)調節器中，針對有嚴重中非線(xiàn)性的控制對象，選擇了自適應方式來(lái)解決。其改進(jìn)的特點(diǎn)是：當控制偏差大于估計的誤差時(shí)，自適應系統不是修改MPT參數(國外儀表的自適應功能是修改控制參數)，而是修改輸出值來(lái)降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會(huì )出現將原來(lái)正確控制參數改錯的現象，使響應速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進(jìn)：

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

    在常規PID的控制系統中，減少超調和提高控制精度是難以?xún)扇涿赖?，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(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢，而當加強積分作用時(shí)，又難以避免超調，這也是常規PID控制中經(jīng)常遇到的難題。

    在A(yíng)I系列智能工業(yè)調節器中，當控制參數在比例帶以外時(shí)，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問(wèn)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PID算法中的積分飽和現象得到較大緩解。不過(guò)從上式中可以看到，原有參數已經(jīng)較難確定了，又增加了一個(gè)新參數(∫I)，所以，這些參數必然互相影響，使得新算法參數更加難以確定。為此，經(jīng)過(guò)認真的研究和實(shí)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(shí)間有關(guān)。滯后時(shí)間越大，則比例作用響應減少，而微分作用響應增加。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；t為滯后時(shí)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用于調整微分和比例的大小，P增加，相當于同時(shí)將微分時(shí)間增加及減少比例帶。反之，P減少，相當于同時(shí)將微分時(shí)間減少和增大比例帶。M類(lèi)似積分時(shí)間，可用于調整積分和微分積分的大小，t用于調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，控制參數又減少為3個(gè)，由于常規PID參數的定義只根據算法本身，其特點(diǎn)是不需要考慮被控對象的精確模型，而改進(jìn)后的3個(gè)控制參數，由于同原參數概念不同，所以，定義為MPT控制算法，具體含義如下：

    M5為保持參數：M 5 定義為輸出值變化為5％時(shí)，控制對象基本穩定后測量值的差值。5表示輸出值變化量為5%，同一系統的M 5參數一般會(huì )隨測量值有所變化，應取工作點(diǎn)附近為準。例如某電爐溫度控制，工作點(diǎn)為700℃，為找出最佳M 5值，假定輸出保持為50％時(shí)，電爐溫度最后穩定在700℃左右，而55％輸出時(shí)，電爐溫度最后穩定在750℃左右。則：M 5＝750-700＝50.0（℃）M 5參數PID調節的積分時(shí)間起相同的作用。M 5值越小，系統積分作用越強。M5值越大，積分作用越弱（積分時(shí)間增加）。如果，M=0，則系統取消積分作用。

    P為速率參數：P與每個(gè)控制周期內儀表輸出變化100%時(shí)測量值對應變化的大小成反比，其數值定義如下：P=1000÷每秒鐘測量值升高值（測量值單位是0.1℃或1個(gè)定義單位）。例如電爐溫度控制，如果儀表以100%功率加熱，并假設沒(méi)有散熱，電爐每秒升高1℃時(shí)，則P=1000÷10=100，在實(shí)際應用時(shí)，因為沒(méi)有散熱的前提條件是無(wú)法滿(mǎn)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值對調節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、微分作用相應減弱。P參數與積分作用無(wú)關(guān)。

    T為滯后時(shí)間參數：T定義為某電爐以某功率開(kāi)始升溫，當其升溫速率達到最大值的63.5%時(shí)所需要的時(shí)間，T值單位是秒(s)。引入參數T并正確設置時(shí)可以完全解決溫度控制的超調現象及振蕩現象，同時(shí)使控制響應速度最佳。T值的變化，可對調節作用中的比例和微分起作用，T值越小，比例作用越強，微分作用越弱。T值越大，則比例作用減弱，微分作用增強。如果T≤CTL(控制周期)，則微分作用被完全取消，這時(shí)，系統的調節規律將成為比例或比例積分調節規律。

    2.PID自整定原理

    執行自整定功能前，應先將給定值設置在最常用值或是中間值上。自整定時(shí)，儀表執行位式調節，經(jīng)2－3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來(lái)自動(dòng)計算出M 5、P、T等控制參數。參數CtL及dF的設置，對自整定過(guò)程也有影響，一般來(lái)說(shuō)，這2個(gè)參數的設定值越小，理論上自整定參數準確度越高。但dF值如果過(guò)小，則儀表可能因輸入波動(dòng)而在給定值附近引起位式調節的誤動(dòng)作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數。推薦CtL=0-2，dF=0.5。此外，基于需要學(xué)習的原因，自整定結束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段時(shí)間（一般與自整定需要的時(shí)間相同）后方可獲得最佳效果。

    3.AI儀表的操作

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

    系統中需要設置的參數如下：HIAL：上限報警。LOAL：下限報警。dF：回差（死區、滯環(huán)），用于避免因測量輸入值波動(dòng)而產(chǎn)生頻繁調節作用，在回差范圍內位式調節不起作用，dF =0.5。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調節/PID調節，Ctrl＝1。M5：保持參數，主要決定調節算法中的積分作用，和PID積分時(shí)間類(lèi)似，M5越小，系統積分作用越強。P：速率參數，與每秒內儀表輸出變化100%時(shí)測量值時(shí)應變化大小成正比，P=1000/每秒測量值的升高單位值（系統以0.1定義為一個(gè)單位）。T：滯后時(shí)間，t越小，則比例和積分作用均成正比增強，而微分作用相對減弱，但整體反饋作用增強：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。CtL：輸出周期，反映儀表運算調節的快慢，CtL=1。Sn：輸入反饋信號類(lèi)型，Sn=21表示Pt100輸入。OPt：輸出信號類(lèi)型，Opt=8表示可控硅單相移相觸發(fā)輸出。CF：系統功能選擇，CF=0表示反作用調節。儀表的M5、P、T三個(gè)參數由儀表自整定自動(dòng)確認。

    自整定的操作：初次啟動(dòng)自整定時(shí)，須把儀表的參數都設置好，在儀表顯示測量值和設定值的狀態(tài)下（儀表的CTRL參數必須為1），按“A/M”鍵并保持約2秒鐘，此時(shí)儀表下顯示器將閃動(dòng)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(guò)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(dòng)“At”字樣即可。視不同系統，自整定需要的時(shí)間可從數秒至數小時(shí)不等。在多數情況下，自整定一次就可以使獲得滿(mǎn)意的控制效果。如果控制有偏差時(shí)，可以通過(guò)微調M5、P、T參數來(lái)修正。

    四、結語(yǔ)

    AI智能調節器以其功能強大、性能價(jià)格高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應用。PID調節具有結構簡(jiǎn)單、穩定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于可建立精確數學(xué)模型的確定性控制系統。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域仍有90%的回路在應用PID調節策略。將模糊控制和常規PID調節方法融合在一起而形成的AI智能PID調節器，它吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，因而具備自學(xué)習、自適應的能力，能夠自動(dòng)辨識被控過(guò)程參數的變化，它又具備常規PID調節器結構簡(jiǎn)單、可靠性高，為現場(chǎng)工程人員所熟悉等特點(diǎn)。正是這兩大優(yōu)勢，使得AI智能PID調節器成為眾多過(guò)程控制的一種較理想的選擇。