技術指南來了（le）！智能石墨消解（jiě）儀PID控溫（wēn）技術（shù）應用

智能石墨消解儀是一種新型的濕（shī）法消解（jiě）設備，是一款（kuǎn）樣品前處（chù）理加（jiā）熱、消解、趕酸的儀器，能滿足控溫（wēn）消解的要求。本文以智能石墨消解儀為研究對象，根據控溫消解的特（tè）點，采用專家控製和增量式PID相結合的方法，並引入智能積（jī）分，設計了一種溫度（dù）控製算法（fǎ）。MATLAB仿（fǎng）真和實際應（yīng）用（yòng）表明，該算法完全適用於石墨消解（jiě）儀的溫度控製，並（bìng）取得了良好的控（kòng）製效果（guǒ）。

1前言

濕法消解是目前化學分析實驗室最常用（yòng）的無（wú）機分析樣品前（qián）處理方法之一。對（duì）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（liǎng）個方麵：

①加熱可以促進（jìn）
消解，但溫度過高會使消解液沸騰（téng）溢出（chū），造成樣（yàng）品失量；

②采用分段階梯式升溫，選擇（zé）合適的控溫流程，將會達到較（jiào）優的消解效率與效果。
智能石墨消解儀是一種新型（xíng）的濕法消解（jiě）設備，采用（yòng）高純（chún）石墨作（zuò）為導熱媒介（jiè），其良好的導熱性能，可保證溫度的均勻性和準（zhǔn）確測量。然而由於（yú）其（qí）熱（rè）容量也比較大，因此石（shí）墨消解儀溫度控製係統存在一定的時滯和比較大的慣性，給自動控製帶來了一定的困難。

PID控製方法由於具有結構（gòu）簡單、穩定性（xìng）能好、可靠性高等（děng）優點，在各種工業控製領域中已得到了廣（guǎng）泛的應用。但是（shì），對於大滯後、時變的（de）、非線性的複雜係（xì）統，采用常規（guī）PID控製較難（nán）獲（huò）得高品（pǐn）質的控製效果，因此往（wǎng）往需要對常規PID控製算法進行改進。而專家（jiā）PID控製是對（duì）常規PID控製算法（fǎ）的一種改進，是利用專家（jiā）經驗來設計PID參（cān）數。專家PID具有響應速度（dù）快、超調小，甚至沒（méi）有（yǒu）超調等優點.

2專家PID控製（zhì）原理

PID控製原理控製器是通過對誤差e（t）進行比例（P）積分（I）微（wēi）分（D）運算後，將運算結果加權（quán）作為控製器的輸出模擬PID的控（kòng）製規律可用下式表示：
增量式PID控製算法（fǎ）的好處是：由於計算機輸出的是增（zēng）量，所以誤動作的（de）時候對輸出的影響比較小，必要的時候可以使用邏（luó）輯判斷的方法將這種影響消除。算式中不需要對誤差進行（háng）累加，控製增量△u（k）的確定僅與最近的k、k-1、k-2次的采樣值有關，所以能夠（gòu）比較容易的通過（guò）加權（quán）處理獲得比較好的控製（zhì）效（xiào）果。

2.3專家PID控製

專家控製的實質是基於受控（kòng）對象和控製規律的各種知識，並以（yǐ）智能的方式利用這些知識來設計控製（zhì）器。而專家PID控製（zhì）就是專家控製與PID控製的結（jié）合，即根據專家經驗知識對PID控製的參數進行在線實時調整。

由於專家PID控製（zhì）的核（hé）心是對控製過（guò）程（chéng）的經驗知識和控製規律的知識，因此能對（duì）PID參數實現最優調整，兼顧係統的快速反應和（hé）超調量，實現係統的最佳控（kòng）製。

3專家PID算法設計

本文的（de）研究對象是一個典型（xíng）的溫度控製係統。理論分析和實驗結果表明：電（diàn）加熱裝置一（yī）般可用一個一階慣性和滯後環節來描述。通過開（kāi）環階躍響應，求得係統的大（dà）致數學模型為：

從係統的數學模型來看，本係統主要（yào）由兩大特點：①存在50s的滯（zhì）後環節；②係統的慣性相對較大。
根據控溫（wēn）消解的要求，本係統（tǒng）必須能夠實現多步階梯式升溫，而（ér）每個階（jiē）梯又包（bāo）含線性升溫和恒溫保（bǎo）持兩個階（jiē）段根據本係統的特點，理想的升溫曲線大（dà）致如圖1：

根據（jù）係統特性，設計（jì）控製規則如下：（1）在啟動階段，由於係統存在（zài）一定的時滯和較大的慣性，必須加以比較強的控製作用，才能使係統盡快響應因此應根（gēn）據本階梯的最終穩定溫（wēn）度和升溫速率加入前饋控製量，控製器輸出為：
長圖（tú）

圖中紅色曲（qǔ）線為目（mù）標溫度曲線，藍（lán）色線為係統輸出溫度曲線（xiàn）。從仿真結果來看：①在開始時係統能（néng）快速啟動；②在線性升溫階段則能（néng）準確的跟蹤目標溫度曲線，實現線性升（shēng）溫；③而在進入穩定溫度後，最大超調僅為0.5℃。因（yīn）此，控製效果還是（shì）比較理想的。

4實際應用與控製效（xiào）果

本（běn）算法主要應用於智能（néng）石墨消解儀，其係統結構圖如圖3所示（shì）。其主控（kòng）單位采用ADUC831，而溫度傳感器則（zé）采用高精度的Pt1000鉑電阻，輸出控製方式為PWM控製。

實際（jì）控製過程如下：

（1）連續A/D采樣，並進行軟硬件濾波，去除幹擾信號；

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

（3）進行PID控製（zhì）運（yùn）算，求取輸出控製值；

（4）執（zhí）行係統輸出，調節加熱功率；

（5）等待（dài）下一周期。

雖（suī）然在MATLAB仿真時，本算法已取得了不錯控製效果，但畢竟數學建模是（shì）一種理想化、簡單化的過程（chéng），與實際係統（tǒng）總存（cún）在偏差，因此通過仿真得到的參數在實際係統的控製中並不（bú）能直接采用，而必須通過實際試驗進行調整。在多次實驗調整後，本算法在實際係統中也取得了（le）優良的控製效果。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（xiàng）同。而實際溫度曲線也與仿真結果相似，進入穩定溫度階段後，最大超調量（liàng）為1.3℃，則比仿真結果（guǒ）稍大（dà）一些。

5結束語

本文通過仿真和實際實驗，證明采用（yòng）專家係統對（duì）PID控製參數進（jìn）行在線實時調整，在溫度控製（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，從而也體現了專家PID控製（zhì）算法的適應性（xìng）與優越（yuè）性（xìng）。

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