基于仿人智能控制的恒溫水浴槽溫度控制的研究

點擊次數(shù)：200 發(fā)布時間：2014-12-11

 恒溫水浴鍋廣泛應用于各大中院校、醫(yī)療、石油化工、衛(wèi)生防疫及環(huán)境監(jiān)測等科研部門，恒溫水浴鍋亦可作為生物生化、細胞及菌種等各種液態(tài)和固態(tài)化合物的培養(yǎng)。而溫度作為一項重要指標，其控制精度直接關系到培養(yǎng)對象的質(zhì)量和培養(yǎng)效果。合理的控制培養(yǎng)溫度，能顯著縮短加熱時間，降低能耗，提率。
       恒溫水浴鍋的溫度控制具有非線性、時變性、純滯后、大慣性和升溫單向性等特點，難以建立的數(shù)學模型，傳統(tǒng)的PID控制算法是過程控制中應用的一種基本控制規(guī)律，具有穩(wěn)定性高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但對非線性時變系統(tǒng)來說，很難到達高標準要求。
       而恒溫水浴鍋的仿人智能控制算法主要的研究目標不是被控對象，而是控制器本身如何對控制專家行為進行模擬，如同有經(jīng)驗的操作人員可以憑借經(jīng)驗使控制達到較為滿意的效果。因此提出仿人智能控制，從控制結構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)點是不需要被控對象的數(shù)學模型就能夠?qū)崿F(xiàn)快速地控制，恒溫水浴鍋具有結構簡單、適應性強、魯棒性強等特點。
       筆者基于ATmega16(L)單片機，結合仿人智能控制算法，設計開發(fā)了一種恒溫水浴鍋，并已轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品上市，取得了良好的經(jīng)濟效益。
       恒溫水浴鍋的仿人智能控制主要是根據(jù)控制器輸入信號的大小、方向及變化趨勢作出相應的決策，以選擇適當?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，通過特征辨識與特征記憶，識別系統(tǒng)當前的特征狀態(tài)，然后采取適當?shù)目刂颇B(tài)，從而實現(xiàn)針對不同目標采取不同策略的控制。
    恒溫水浴鍋設計目標就是使系統(tǒng)的動態(tài)響應在理想的誤差時相軌跡上滑動，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，使實際溫度值盡快穩(wěn)定在設定值附近。經(jīng)編程實現(xiàn)后取得了較為理想的控制效果。
結果與討論
     恒溫水浴鍋的仿人智能控制是依靠準確地識別誤差的各種特征來作出相應的控制策略，并且使用開、閉環(huán)控制相結合的控制模式，使系統(tǒng)的快速性、平穩(wěn)性準確性等控制品質(zhì)能夠較容易地統(tǒng)一起來。相比傳統(tǒng)PID控制，仿人智能控制對被控對象的識別依賴性小，在溫度控制上，控制策略簡單，控制參數(shù)易于調(diào)節(jié)，響應速度快，具有較好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。恒溫水浴鍋的本控制算法經(jīng)過在不同型號的恒溫水(油)浴箱上實驗，均取得了較為理想的實驗結果。選取一個典型的實例作為控制結果的對比對比圖如圖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。
結束語
      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，根據(jù)仿人智能控制的性能特點，作了較詳細的研究和對比。采用以上的控制算法，可以做到穩(wěn)定性、快速性和準確性的兼顧，有較強的魯棒性，而且對比較難以控制的對象有較好的控制效果。在實際調(diào)試中，取得了理想的控制效果。