基于仿人智能控制的恒溫水浴槽溫度控制的研究

點(diǎn)擊次數(shù)：192 發(fā)布時(shí)間：2014-12-11

 恒溫水浴鍋廣泛應(yīng)用于各大中院校、醫(yī)療、石油化工、衛(wèi)生防疫及環(huán)境監(jiān)測(cè)等科研部門，恒溫水浴鍋亦可作為生物生化、細(xì)胞及菌種等各種液態(tài)和固態(tài)化合物的培養(yǎng)。而溫度作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，其控制精度直接關(guān)系到培養(yǎng)對(duì)象的質(zhì)量和培養(yǎng)效果。合理的控制培養(yǎng)溫度，能顯著縮短加熱時(shí)間，降低能耗，提率。
       恒溫水浴鍋的溫度控制具有非線性、時(shí)變性、純滯后、大慣性和升溫單向性等特點(diǎn)，難以建立的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的PID控制算法是過程控制中應(yīng)用的一種基本控制規(guī)律，具有穩(wěn)定性高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)非線性時(shí)變系統(tǒng)來說，很難到達(dá)高標(biāo)準(zhǔn)要求。
       而恒溫水浴鍋的仿人智能控制算法主要的研究目標(biāo)不是被控對(duì)象，而是控制器本身如何對(duì)控制專家行為進(jìn)行模擬，如同有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可以憑借經(jīng)驗(yàn)使控制達(dá)到較為滿意的效果。因此提出仿人智能控制，從控制結(jié)構(gòu)和行為兩方面模擬專家行為，能夠按照系統(tǒng)輸出的變化調(diào)整系統(tǒng)的增益，該算法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就能夠?qū)崿F(xiàn)快速地控制，恒溫水浴鍋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。
       筆者基于ATmega16(L)單片機(jī)，結(jié)合仿人智能控制算法，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種恒溫水浴鍋，并已轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品上市，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
       恒溫水浴鍋的仿人智能控制主要是根據(jù)控制器輸入信號(hào)的大小、方向及變化趨勢(shì)作出相應(yīng)的決策，以選擇適當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ健：銣厮″伒姆氯酥悄芸刂频幕舅枷胧?模擬人的啟發(fā)式和直覺推理邏輯，通過特征辨識(shí)與特征記憶，識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)前的特征狀態(tài)，然后采取適當(dāng)?shù)目刂颇B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同目標(biāo)采取不同策略的控制。
    恒溫水浴鍋設(shè)計(jì)目標(biāo)就是使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在理想的誤差時(shí)相軌跡上滑動(dòng)，只要在e-e平面上劃分出螺桿特征模式區(qū)域，即可根據(jù)特征模式的分類來識(shí)別系統(tǒng)的不同狀態(tài)特征。圖3為控制器的相平面圖。
    在*象限，采用比例模式，加快響應(yīng)速度
    在第二象限，保持模式，使超調(diào)量不至于過大;
    在第三象限，采用比例模式，提前加熱，使系統(tǒng)下調(diào)量不至于過多;
    在第四象限，采用保持模式，使實(shí)際溫度值盡快穩(wěn)定在設(shè)定值附近。經(jīng)編程實(shí)現(xiàn)后取得了較為理想的控制效果。
結(jié)果與討論
     恒溫水浴鍋的仿人智能控制是依靠準(zhǔn)確地識(shí)別誤差的各種特征來作出相應(yīng)的控制策略，并且使用開、閉環(huán)控制相結(jié)合的控制模式，使系統(tǒng)的快速性、平穩(wěn)性準(zhǔn)確性等控制品質(zhì)能夠較容易地統(tǒng)一起來。相比傳統(tǒng)PID控制，仿人智能控制對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別依賴性小，在溫度控制上，控制策略簡(jiǎn)單，控制參數(shù)易于調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快，具有較好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。恒溫水浴鍋的本控制算法經(jīng)過在不同型號(hào)的恒溫水(油)浴箱上實(shí)驗(yàn)，均取得了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。選取一個(gè)典型的實(shí)例作為控制結(jié)果的對(duì)比對(duì)比圖如圖4所示，仿人智能控制在快速性和穩(wěn)定性上都優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。
結(jié)束語(yǔ)
      探討了恒溫水浴鍋的仿人智能控制與傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)仿人智能控制的性能特點(diǎn)，作了較詳細(xì)的研究和對(duì)比。采用以上的控制算法，可以做到穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的兼顧，有較強(qiáng)的魯棒性，而且對(duì)比較難以控制的對(duì)象有較好的控制效果。在實(shí)際調(diào)試中，取得了理想的控制效果。