基于仿人智能控制的恒温水浴槽温度控制的研究
时间:2014-12-11 阅读:191
恒温水浴锅广泛应用于各大中院校、医疗、石油化工、卫生防疫及环境监测等科研部门,恒温水浴锅亦可作为生物生化、细胞及菌种等各种液态和固态化合物的培养。而温度作为一项重要指标,其控制精度直接关系到培养对象的质量和培养效果。合理的控制培养温度,能显著缩短加热时间,降低能耗,提率。
恒温水浴锅的温度控制具有非线性、时变性、纯滞后、大惯性和升温单向性等特点,难以建立的数学模型,传统的PID控制算法是过程控制中应用的一种基本控制规律,具有稳定性高、易于实现等优点,但对非线性时变系统来说,很难到达高标准要求。
而恒温水浴锅的仿人智能控制算法主要的研究目标不是被控对象,而是控制器本身如何对控制专家行为进行模拟,如同有经验的操作人员可以凭借经验使控制达到较为满意的效果。因此提出仿人智能控制,从控制结构和行为两方面模拟专家行为,能够按照系统输出的变化调整系统的增益,该算法的主要优点是不需要被控对象的数学模型就能够实现快速地控制,恒温水浴锅具有结构简单、适应性强、鲁棒性强等特点。
笔者基于ATmega16(L)单片机,结合仿人智能控制算法,设计开发了一种恒温水浴锅,并已转化为实际产品上市,取得了良好的经济效益。
恒温水浴锅的仿人智能控制主要是根据控制器输入信号的大小、方向及变化趋势作出相应的决策,以选择适当的控制模式。恒温水浴锅的仿人智能控制的基本思想是:模拟人的启发式和直觉推理逻辑,通过特征辨识与特征记忆,识别系统当前的特征状态,然后采取适当的控制模态,从而实现针对不同目标采取不同策略的控制。
恒温水浴锅设计目标就是使系统的动态响应在理想的误差时相轨迹上滑动,只要在e-e平面上划分出螺杆特征模式区域,即可根据特征模式的分类来识别系统的不同状态特征。图3为控制器的相平面图。
在*象限,采用比例模式,加快响应速度
在第二象限,保持模式,使超调量不至于过大;
在第三象限,采用比例模式,提前加热,使系统下调量不至于过多;
在第四象限,采用保持模式,使实际温度值尽快稳定在设定值附近。经编程实现后取得了较为理想的控制效果。
结果与讨论
恒温水浴锅的仿人智能控制是依靠准确地识别误差的各种特征来作出相应的控制策略,并且使用开、闭环控制相结合的控制模式,使系统的快速性、平稳性准确性等控制品质能够较容易地统一起来。相比传统PID控制,仿人智能控制对被控对象的识别依赖性小,在温度控制上,控制策略简单,控制参数易于调节,响应速度快,具有较好的动态性能和静态性能。恒温水浴锅的本控制算法经过在不同型号的恒温水(油)浴箱上实验,均取得了较为理想的实验结果。选取一个典型的实例作为控制结果的对比对比图如图4所示,仿人智能控制在快速性和稳定性上都优于传统PID控制。
结束语
探讨了恒温水浴锅的仿人智能控制与传统PID控制的优缺点,根据仿人智能控制的性能特点,作了较详细的研究和对比。采用以上的控制算法,可以做到稳定性、快速性和准确性的兼顾,有较强的鲁棒性,而且对比较难以控制的对象有较好的控制效果。在实际调试中,取得了理想的控制效果。