技術指南來了！智能石墨消解儀PID控溫技術應用

智能石墨（mò）消解儀是一種（zhǒng）新型的濕法（fǎ）消解設備，是一款樣品前處理加熱、消解（jiě）、趕酸的儀器，能滿足控溫消解的要求。本文以智能石墨消解儀為（wéi）研究對象，根據控溫（wēn）消（xiāo）解的特點，采用專家（jiā）控製和增量式PID相結合（hé）的方法，並引入智能積分，設計了一種溫度控製算法。MATLAB仿真（zhēn）和實際應用表明，該算法（fǎ）完全適用於石墨（mò）消解（jiě）儀（yí）的（de）溫度（dù）控製，並取得了良好（hǎo）的控（kòng）製效果。

1前言

濕法消解是目前（qián）化（huà）學分（fèn）析（xī）實驗室最常用的無機分析樣品前處（chù）理方法之（zhī）一。對於濕法消解而言，溫度控製對消解效果極為重要，主要表現在以下兩個方麵：

①加熱可（kě）以促進
消解，但（dàn）溫度過（guò）高會使消解液沸騰溢出，造成樣品（pǐn）失量；

②采用分段階（jiē）梯式升溫，選擇（zé）合適的控溫流程，將會達到較優的消解效率與效果（guǒ）。
智能石墨消（xiāo）解儀是一種新型的濕法（fǎ）消解設備，采用高純石（shí）墨（mò）作為導（dǎo）熱媒介，其良好的導熱性能，可保（bǎo）證溫度的均勻性和準確測量。然而由於其熱容量也（yě）比較大，因此石墨消解儀溫度控製係統存在一定的時滯和比較（jiào）大的慣性，給自動控製帶來了一定的困難。

PID控製（zhì）方法由於具有結構簡（jiǎn）單、穩定性能好、可靠性高等優點，在各種工業控製領域中已得到了廣泛的應用。但是，對於大滯後、時變的（de）、非線性的複雜係統（tǒng），采（cǎi）用常規PID控製較難獲得高品質的控製效果，因此往往需（xū）要對常規（guī）PID控製算法進行改進（jìn）。而專家（jiā）PID控製是對常規PID控製算法的（de）一種改進，是利用專家經驗來設計PID參數。專家PID具有響應速度快、超調小，甚至沒有超調等（děng）優點.

2專家PID控製原理（lǐ）

PID控製原理控製器是通過對誤差e（t）進行比例（P）積（jī）分（I）微（wēi）分（D）運算後，將運算結果加權作為控（kòng）製器的輸出模擬PID的控製規律可用下式表示：
增量式PID控製算法的好（hǎo）處是（shì）：由於計算機輸出的（de）是增量，所以誤動作的時候對輸出的影響比較小，必要的時候可以使用邏輯判斷的方（fāng）法將這種影響消（xiāo）除（chú）。算式中不（bú）需要對誤差（chà）進行累加，控製增量△u（k）的確（què）定僅與最近的k、k-1、k-2次（cì）的采樣值有關，所以能夠比較容易的通過加權處理獲（huò）得（dé）比較好的控製效果。

2.3專家PID控製

專（zhuān）家控製的實質是基於受控對象和控製規律（lǜ）的各種知識，並以智能（néng）的方式利用這些知識來設計控製（zhì）器。而專家PID控製就是專家控製與PID控製的結合，即根據（jù）專家經驗知識對PID控（kòng）製的參數進行在線實時調整（zhěng）。

由於專家PID控製的核心（xīn）是對控製過程的（de）經（jīng）驗知識和控製規律的知識，因此（cǐ）能對PID參數實現（xiàn）最優（yōu）調整（zhěng），兼顧係統的快（kuài）速反應和超調（diào）量，實現係統的（de）最佳控製。

3專（zhuān）家PID算法設計

本文的研究對（duì）象是一個典（diǎn）型的溫（wēn）度控（kòng）製係統（tǒng）。理論分析和實驗結果表明：電加熱裝置一般可用一個一階慣性（xìng）和滯後環節來描述。通過開環階躍響應，求得係統的大致數（shù）學模型為：

從係統的數（shù）學模（mó）型來看，本係統主要由（yóu）兩大特（tè）點：①存在50s的滯後環節；②係統的慣性（xìng）相對較大。
根（gēn）據控溫消解的要求，本係統必（bì）須能夠實現多步階梯式升溫，而每個階梯又包含線性升（shēng）溫和恒溫保持兩個階段（duàn）根據本係統（tǒng）的（de）特點，理（lǐ）想的升溫曲（qǔ）線大致如圖1：

根據係統特性，設計控製規則如下：（1）在啟動階（jiē）段，由於係統存在一定（dìng）的時滯和較大的慣性，必須加以比較強的控製作用，才能（néng）使係統盡快響應因此應根據本階梯的最終穩定溫度和升溫速率加入前饋控製（zhì）量，控製器輸出為：
長圖

圖中（zhōng）紅色曲線為目標溫度曲線（xiàn），藍色線為（wéi）係統輸出溫度曲線。從仿真結果來看：①在開始時係統能快速（sù）啟動（dòng）；②在線性（xìng）升溫階段則能準確的跟蹤目標溫度（dù）曲線，實現線性升溫；③而在進入穩定（dìng）溫度後，最大超調僅為0.5℃。因（yīn）此，控製效果還是比較理想的。

4實（shí）際應用（yòng）與控製效果

本算法主（zhǔ）要（yào）應用於智（zhì）能石墨消解儀，其係統結構圖如圖3所示。其主控單位采用ADUC831，而溫度傳感器則采（cǎi）用高精度的（de）Pt1000鉑電阻，輸出控製方式為PWM控（kòng）製。

實際（jì）控（kòng）製過（guò）程如下：

（1）連續A/D采樣（yàng），並進行軟（ruǎn）硬件濾（lǜ）波，去除幹擾信號；

（2）計算誤差e和誤差變化值Δe，並根據係統狀態，計算求（qiú）取kp，ki，kd；

（3）進行PID控製運算，求取輸出控製值；

（4）執（zhí）行（háng）係統輸出，調節加熱功率；

（5）等待下一周期。

雖然在MATLAB仿真時，本算法（fǎ）已取得（dé）了不錯控製效果，但畢竟數學建模是一種理（lǐ）想（xiǎng）化、簡單化（huà）的過程，與（yǔ）實際係統總（zǒng）存在偏差，因此通過仿真得到的參數在實際係統的控製（zhì）中並不（bú）能直接采用，而必須通過實際試驗（yàn）進行調整。在多次實驗調整後，本算法在實際係統（tǒng）中也取得了優（yōu）良的控製效果。圖4為實際的溫度曲線（xiàn）：

本次實（shí）驗是（shì）從室溫25.4℃升溫到95℃，升溫時間25min，平均升溫速率約為2.8℃/min，與仿真實驗大致相同（tóng）。而實際溫度曲（qǔ）線也與仿真結果相似，進入穩定溫度階段後，最大超調量為1.3℃，則比仿真結果稍大一些。

5結（jié）束語

本文通過仿真和實際實驗，證明采用（yòng）專家係統對PID控製參（cān）數進行在線實時調整，在（zài）溫度控製（zhì）中可以取得良好的控製效果，具有響應速度快，超調小等優點（diǎn），從而也體現了專家PID控製算法的適應性與優（yōu）越性。

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