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格丹納DS系列智能石墨消解儀是一種新型的濕法消解設備，是一款樣品前處理加熱、消解、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研究對象，根據(jù)控溫消解的特點，采用專家控制和增量式PID相結(jié)合的方法，并引入智能積分，設計了一種溫度控制算法。MATLAB仿真和實際應用表明，該算法完全適用于石墨消解儀的溫度控制，并取得了良好的控制效果。

1 前言

濕法消解是目前化學分析實驗室常用的無機分析樣品前處理方法之一。對于濕法消解而言，溫度控制對消解效果極為重要，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

①加熱可以促進

消解，但溫度過高會使消解液沸騰溢出，造成樣品失量；

②采用分段階梯式升溫，選擇合適的控溫流程，將會達到較優(yōu)的消解效率與效果。

智能石墨消解儀是一種新型的濕法消解設備，采用高純石墨作為導熱媒介，其良好的導熱性能，可保證溫度的均勻性和準確測量。然而由于其熱容量也比較大，因此石墨消解儀溫度控制系統(tǒng)存在一定的時滯和比較大的慣性，給自動控制帶來了一定的困難。

PID 控制方法由于具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，在各種工業(yè)控制領(lǐng)域中已得到了廣泛的應用。但是，對于大滯后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)，采用常規(guī) PID 控制較難獲得高品質(zhì)的控制效果，因此往往需要對常規(guī) PID 控制算法進行改進。而專家PID 控制是對常規(guī)PID 控制算法的一種改進，是利用專家經(jīng)驗來設計 PID 參數(shù)。專家 PID 具有響應速度快、超調(diào)小，甚至沒有超調(diào)等優(yōu)點。

2 專家PID控制原理

PID控制原理控制器是通過對誤差e（t）進行比例（P）積分（I）微分（D）運算后，將運算結(jié)果加權(quán)作為控制器的輸出模擬PID的控制規(guī)律可用下式表示：

增量式 PID 控制算法的好處是：由于計算機輸出的是增量，所以誤動作的時候?qū)敵龅挠绊懕容^小，必要的時候可以使用邏輯判斷的方法將這種影響消除。算式中不需要對誤差進行累加，控制增量△u（k）的確定僅與 k、k-1、k-2 次的采樣值有關(guān)，所以能夠比較容易的通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。

2.3 專家 PID 控制

專家控制的實質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來設計控制器。而專家 PID 控制就是專家控制與 PID 控制的結(jié)合，即根據(jù)專家經(jīng)驗知識對 PID 控制的參數(shù)進行在線實時調(diào)整。

由于專家 PID 控制的核心是對控制過程的經(jīng)驗知識和控制規(guī)律的知識，因此能對 PID 參數(shù)實現(xiàn)調(diào)整，兼顧系統(tǒng)的快速反應和超調(diào)量，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

3 專家 PID 算法設計

本文的研究對象是一個典型的溫度控制系統(tǒng)。理論分析和實驗結(jié)果表明：電加熱裝置一般可用一個一階慣性和滯后環(huán)節(jié)來描述。通過開環(huán)階躍響應，求得系統(tǒng)的大致數(shù)學模型為：

根據(jù)控溫消解的要求，本系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)多步階梯式升溫，而每個階梯又包含線性升溫和恒溫保持兩個階段根據(jù)本系統(tǒng)的特點，理想的升溫曲線大致如圖1：

根據(jù)系統(tǒng)特性，設計控制規(guī)則如下： （1）在啟動階段，由于系統(tǒng)存在一定的時滯和較大的慣性，必須加以比較強的控制作用，才能使系統(tǒng)盡快響應因此應根 據(jù)本階梯的穩(wěn)定溫度和升溫速率加入前饋控制量 ，控制器輸出為：

圖中紅色曲線為目標溫度曲線，藍色線為系統(tǒng)輸出溫度曲線。從仿真結(jié)果來看：①在開始時系統(tǒng)能快速啟動；②在線性升溫階段則能準確的跟蹤目標溫度曲線，實現(xiàn)線性升溫；③而在進入穩(wěn)定溫度后，超調(diào)僅為 0.5℃。因此，控制效果還是比較理想的。

4 實際應用與控制效果

本算法主要應用于智能石墨消解儀，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。其主控單位采用ADUC831，而溫度傳感器則采用高精度的Pt1000鉑電阻，輸出控制方式為 PWM 控制。

實際控制過程如下：

（1）連續(xù) A/D 采樣，并進行軟硬件濾波，去除干擾信號；

（2）計算誤差 e 和誤差變化值Δe，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，計算求取kp，ki，kd；

（3）進行 PID 控制運算，求取輸出控制值；

（4）執(zhí)行系統(tǒng)輸出，調(diào)節(jié)加熱功率；

（5）等待下一周期。

雖然在MATLAB仿真時，本算法已取得了不錯控制效果， 但畢竟數(shù)學建模是一種理想化、簡單化的過程，與實際系統(tǒng)總存在偏差，因此通過仿真得到的參數(shù)在實際系統(tǒng)的控制中并不能直接采用，而必須通過實際試驗進行調(diào)整。 在多次實驗調(diào)整后，本算法在實際系統(tǒng)中也取得了優(yōu)良的 控制效果。圖 4 為實際的溫度曲線：

本次實驗是從室溫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。而實際溫度曲線也與仿真結(jié)果相似，進入穩(wěn)定溫度階段后，超調(diào)量為 1.3℃，則比仿真結(jié)果稍大一些。

5 結(jié)束語

本文通過仿真和實際實驗，證明采用專家系統(tǒng)對 PID 控制參數(shù)進行在線實時調(diào)整，在溫度控制中可以取得良好的控制效果，具有響應速度快，超調(diào)小等優(yōu)點，從而也體現(xiàn)了專家 PID 控制算法的適應性與優(yōu)越性。

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