常用溫控器控制算法包括常規(guī)PID、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Fuzzy-PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳PID及廣義預(yù)測等PID算法。常規(guī)PID控制易于建立線性溫度控制系統(tǒng)被控對(duì)象模型；模糊控制基于規(guī)則庫，并以絕對(duì)或增量形式給出控制決策；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制采用數(shù)理模型模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并用簡單處理單元連接成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；Puzzy-PID為線性控制，且結(jié)合模糊與PID控制優(yōu)點(diǎn)。
1、引言
溫度控制系統(tǒng)是變參數(shù)、有時(shí)滯和隨機(jī)干擾的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，為達(dá)到滿意的控制效果，具有許多控制方法。故對(duì)溫控器幾種常見的PID控制算法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與比較。
2、常見溫控器的PID控制算法
2.1 常規(guī)經(jīng)典PID控制算法的PID控制
PID控制即比例、積分、微分控制，其結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，常用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。原理如圖1。
圖1 常見PID控制系統(tǒng)的原理框圖
明顯缺點(diǎn)是現(xiàn)場PID參數(shù)整定麻煩，易受外界干擾，對(duì)于滯后大的過程控制，調(diào)節(jié)時(shí)間過長。其控制算法需要預(yù)先建立模型，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響很難歸并到模型中。在我國大多數(shù)PID調(diào)節(jié)器廠家生產(chǎn)的溫控器均為常規(guī)經(jīng)典PID控制算法。
2.2 模糊PID控制算法的PID控制
模糊控制(Fuzzy Control)是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)控制。原理如圖2。昌暉儀表YR-GFD系列傻瓜式PID調(diào)節(jié)器使用的就是模糊控制PID控制算法。
圖2 模糊控制系統(tǒng)原理框圖
2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的PID控制
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，用簡單處理單元連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并采用誤差反向傳播算法(BP)。原理如圖3：
圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的原理框圖
2.4 Fuzzy-PID控制算法的PID控制
模糊控制不需知道被控對(duì)象的精確模型，易于控制不確定對(duì)象和非線性對(duì)象。PID本質(zhì)是線性控制。將模糊控制與PID結(jié)合多，以Fuzzy-PID混合控制為例，據(jù)給定值與測量值之偏差e選擇智能控制器，根據(jù)e的變化選擇控制方法，當(dāng)|e|≤emin或|e|≥emax時(shí)，采用PID控制；當(dāng)emin≤|e|≤emax時(shí)，采用Fuzzy控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4。
圖4 Fuzzy-PID混合控制結(jié)構(gòu)框圖
2.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的PID控制
在PID控制的基礎(chǔ)上，加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫控器，如圖5。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫控器NNC是前饋控制器，通過對(duì)PID溫控器的輸出進(jìn)行學(xué)習(xí)，在線調(diào)整自己，目標(biāo)是使反饋誤差e(t) 或u(t)趨近于零，使自己逐漸在控制中占據(jù)主導(dǎo)地位，以減弱或最終消除反饋控制器的作用。暉儀表YR-GAD系列人工智能調(diào)節(jié)器/溫控器使用的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法。
圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)框圖
2.6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的PID控制
將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯推理網(wǎng)絡(luò)模型和快速的自學(xué)習(xí)算法，通過網(wǎng)絡(luò)的離線訓(xùn)練和在線自學(xué)習(xí)使調(diào)節(jié)器具有自調(diào)整、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，達(dá)到模糊智能控制。如圖6。
圖6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.7 遺傳PID控制算法的PID控制
遺傳PID控制是將調(diào)節(jié)器參數(shù)構(gòu)成基因型，將性能指標(biāo)構(gòu)成相應(yīng)的適應(yīng)度，利用遺傳算法來整定調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)，不要求系統(tǒng)是否為連續(xù)可調(diào)，能否以顯式表示。基于遺傳算法的自適應(yīng)PID控制的原理框圖如7。遺傳PID溫控系統(tǒng)將測量值與給定值進(jìn)行比較，用遺傳控制算法來優(yōu)化PID參數(shù)，然后將控制量輸出，實(shí)現(xiàn)將PID參數(shù)串接構(gòu)成完整染色體，從而構(gòu)成遺傳空間中的個(gè)體，過通過繁殖交叉和變異遺傳操作生成新一代群體，經(jīng)過多次搜索獲得最大適應(yīng)度值的個(gè)體。
圖7 基于遺傳算法的自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)圖
2.8 廣義預(yù)測PID控制算法的PID控制
預(yù)測控制(Predictive Control)是基于模型的計(jì)算機(jī)控制算法。其預(yù)測模型有脈沖響應(yīng)模型、階躍響應(yīng)模型、CAMRMA模型和CARIMA模型。基于CARIMA模型的廣義預(yù)測控制(GPC)是一種新型計(jì)算機(jī)PID控制算法。
3、常見溫度控制方法的對(duì)比分析
通過上述PID控制算法的原理分析，表1給出各種溫度控制特性與控制器應(yīng)用場合的情況。
昌暉儀表在本文介紹的PID控制算法中，常規(guī)PID控制、常規(guī)PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制屬于單一控制；Fuzzy-PID控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳PID控制、自適應(yīng)廣義預(yù)測及控制、模糊/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/遺傳控制屬于復(fù)合控制。
使用不同PID算法的溫控器在實(shí)際應(yīng)用中所呈現(xiàn)的控溫效果不同，溫控器價(jià)格也不相同，這就是市場上常見的溫控器價(jià)格存在巨大差異的主要原因之一。
下面昌暉儀表對(duì)各種PID算法控制特性和應(yīng)用做介紹，方便大家初步判斷你手中的溫控器是否適合現(xiàn)場工況使用。
1、常規(guī)PID控制算法
◆控制特性：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，性價(jià)比高。缺點(diǎn)是魯棒性不強(qiáng)；適應(yīng)性不快；協(xié)調(diào)性不夠好等。
◆常規(guī)PID控制算法的溫控器應(yīng)用場合：易于建立的線性溫度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象模型。
2、模糊控制算法
◆控制特性：與傳統(tǒng)的PID控制相比，響應(yīng)快，超調(diào)量小，魯棒性強(qiáng)。
◆模糊控制算法的溫控器應(yīng)用場合：純滯后，參數(shù)時(shí)變或非線性的溫度控制系統(tǒng)，如干燥機(jī)、工業(yè)爐等的溫度控制。
3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法
◆控制特性：魯棒性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，算法簡單，易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)
◆神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的溫控器應(yīng)用場合：多變量、多參數(shù)、非線性與時(shí)變系統(tǒng)。如：電阻爐的溫度控制等。
4、Fuzzy-PID控制算法
◆控制特性：具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，只要知道部分知識(shí)即可建立BP算法。
◆Fuzzy-PID控制算法的溫控器應(yīng)用場合：一些大滯后系統(tǒng)中自動(dòng)尋優(yōu)P、I、D參數(shù)，如管式加熱爐的溫度控制。
5、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法
◆控制特性：動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能達(dá)到高精度的快速控制，具有極強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)能力，穩(wěn)定性好。
◆模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的溫控器應(yīng)用場合：需要不斷修正控制參數(shù)的溫度控制系統(tǒng)。如熱電偶校驗(yàn)儀等控溫裝置。
6、遺傳PID控制算法
◆控制特性：調(diào)試方便，控制精度高，抗干擾性強(qiáng)，較高的穩(wěn)定性能。
◆遺傳PID控制算法的溫控器應(yīng)用場合：尋求全局最優(yōu)且不需任何初始信息的P、I、D參數(shù)尋優(yōu)溫控系統(tǒng)中，如陀螺溫控系統(tǒng)。
7、自適應(yīng)廣義預(yù)測及控制算法
◆控制特性：魯棒性強(qiáng)，控制精度高。
◆自適應(yīng)廣義預(yù)測及控制算法的溫控器應(yīng)用場合：醫(yī)用溫度控制，如微波熱療中的溫度控制。
8、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法
◆控制特性：模糊控制魯棒性強(qiáng)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)與上升時(shí)間快，超調(diào)小，PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)好和穩(wěn)態(tài)精度高。
◆模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的溫控器應(yīng)用場合：具有較太的滯后性，非線性、時(shí)定性的溫度控制系統(tǒng)，如高分子聚合物反應(yīng)溫度控制等。
9、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳控制算法
◆控制特性：實(shí)現(xiàn)溫度隨外界干擾條件的乏化，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和控制規(guī)律的功能，具有良好的溫度跟蹤性能和抗干擾能力。
◆模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳控制算法的溫控器應(yīng)用場合：對(duì)升溫速度和恒溫過程的精度要求較高的控制系統(tǒng)，如淬此爐溫度控制等。
將線性與非線性控制相結(jié)合。使溫度能滿足用戶的精度要求是溫控系統(tǒng)的最終目的。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的應(yīng)用場合、不同的加熱對(duì)象、不同的控制要求和控制精度，選擇不同PID控制算法的溫控器及控制方式。
能熟練進(jìn)行PID參數(shù)整定，將溫度控制系統(tǒng)投自動(dòng)，這代表著工程技術(shù)人員的自動(dòng)化技能水平，但很多人并未真正掌握PID控制和PID參數(shù)整定，習(xí)慣于依賴溫控器的自整定功能完成參數(shù)整定，但在串級(jí)溫度控制等復(fù)雜過程控制時(shí)就束手無策。在本站“溫控器”產(chǎn)品頁面免費(fèi)分享白志剛工程師編著的《自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定》一書，書中內(nèi)容沒有高深的理論公式，全是實(shí)戰(zhàn)干貨，理解了此書內(nèi)容真諦，高中學(xué)歷的儀表人也能整定PID參數(shù)，將PID控制弄透徹！對(duì)您有幫助，還是免費(fèi)的，趕快去產(chǎn)品頁面“溫控器”免費(fèi)領(lǐng)取這本書！
