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(mǎn)足控溫消解的要求。本文以智能石墨消解儀為研究對象，根據控溫消解的特點(diǎn)，采用專(zhuān)家控制和增量式PID相結合的方法，并引入智能積分，設計了一種溫度控制算法。MATLAB仿真和實(shí)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(xué)分析實(shí)驗室最常用的無(wú)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，主要表現在以下兩個(gè)方面：

①加熱可以促進(jìn)
消解，但溫度過(guò)高會(huì )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(huì )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存在一定的時(shí)滯和比較大的慣性，給自動(dòng)控制帶來(lái)了一定的困難。

PID控制方法由于具有結構簡(jiǎn)單、穩定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)變的、非線(xiàn)性的復雜系統，采用常規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PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)。而專(zhuān)家PID控制是對常規PID控制算法的一種改進(jìn)，是利用專(zhuān)家經(jīng)驗來(lái)設計PID參數。專(zhuān)家PID具有響應速度快、超調小，甚至沒(méi)有超調等優(yōu)點(diǎn).

2專(zhuān)家PID控制原理

PID控制原理控制器是通過(guò)對誤差e（t）進(jìn)行比例（P）積分（I）微分（D）運算后，將運算結果加權作為控制器的輸出模擬PID的控制規律可用下式表示：
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(dòng)作的時(shí)候對輸出的影響比較小，必要的時(shí)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(jìn)行累加，控制增量△u（k）的確定僅與最近的k、k-1、k-2次的采樣值有關(guān)，所以能夠比較容易的通過(guò)加權處理獲得比較好的控制效果。

2.3專(zhuān)家PID控制

專(zhuān)家控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對象和控制規律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來(lái)設計控制器。而專(zhuān)家PID控制就是專(zhuān)家控制與PID控制的結合，即根據專(zhuān)家經(jīng)驗知識對PID控制的參數進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)調整。

由于專(zhuān)家PID控制的核心是對控制過(guò)程的經(jīng)驗知識和控制規律的知識，因此能對PID參數實(shí)現最優(yōu)調整，兼顧系統的快速反應和超調量，實(shí)現系統的最佳控制。

3專(zhuān)家PID算法設計

本文的研究對象是一個(gè)典型的溫度控制系統。理論分析和實(shí)驗結果表明：電加熱裝置一般可用一個(gè)一階慣性和滯后環(huán)節來(lái)描述。通過(guò)開(kāi)環(huán)階躍響應，求得系統的大致數學(xué)模型為：

從系統的數學(xué)模型來(lái)看，本系統主要由兩大特點(diǎn)：①存在50s的滯后環(huán)節；②系統的慣性相對較大。
根據控溫消解的要求，本系統必須能夠實(shí)現多步階梯式升溫，而每個(gè)階梯又包含線(xiàn)性升溫和恒溫保持兩個(gè)階段根據本系統的特點(diǎn)，理想的升溫曲線(xiàn)大致如圖1：

根據系統特性，設計控制規則如下：（1）在啟動(dòng)階段，由于系統存在一定的時(shí)滯和較大的慣性，必須加以比較強的控制作用，才能使系統盡快響應因此應根據本階梯的最終穩定溫度和升溫速率加入前饋控制量，控制器輸出為：
長(cháng)圖

圖中紅色曲線(xiàn)為目標溫度曲線(xiàn)，藍色線(xiàn)為系統輸出溫度曲線(xiàn)。從仿真結果來(lái)看：①在開(kāi)始時(shí)系統能快速啟動(dòng)；②在線(xiàn)性升溫階段則能準確的跟蹤目標溫度曲線(xiàn)，實(shí)現線(xiàn)性升溫；③而在進(jìn)入穩定溫度后，最大超調僅為0.5℃。因此，控制效果還是比較理想的。

4實(shí)際應用與控制效果

本算法主要應用于智能石墨消解儀，其系統結構圖如圖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(shí)際控制過(guò)程如下：

（1）連續A/D采樣，并進(jìn)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，并根據系統狀態(tài)，計算求取kp，ki，kd；

（3）進(jìn)行PID控制運算，求取輸出控制值；

（4）執行系統輸出，調節加熱功率；

（5）等待下一周期。

雖然在MATLAB仿真時(shí)，本算法已取得了不錯控制效果，但畢竟數學(xué)建模是一種理想化、簡(jiǎn)單化的過(guò)程，與實(shí)際系統總存在偏差，因此通過(guò)仿真得到的參數在實(shí)際系統的控制中并不能直接采用，而必須通過(guò)實(shí)際試驗進(jìn)行調整。在多次實(shí)驗調整后，本算法在實(shí)際系統中也取得了優(yōu)良的控制效果。圖4為實(shí)際的溫度曲線(xiàn)：

本次實(shí)驗是從室溫25.4℃升溫到95℃，升溫時(shí)間25min，平均升溫速率約為2.8℃/min，與仿真實(shí)驗大致相同。而實(shí)際溫度曲線(xiàn)也與仿真結果相似，進(jìn)入穩定溫度階段后，最大超調量為1.3℃，則比仿真結果稍大一些。

5結束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真和實(shí)際實(shí)驗，證明采用專(zhuān)家系統對PID控制參數進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)調整，在溫度控制中可以取得良好的控制效果，具有響應速度快，超調小等優(yōu)點(diǎn)，從而也體現了專(zhuān)家PID控制算法的適應性與優(yōu)越性。

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