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，根據控溫消解的特點，采用專家控制和增量式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仿真和實際應用表明，該算法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構簡單、穩定性能好、可靠性高等優點，在各種工業控制領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，采用常規 PID 控制較難獲得高品質的控制效果，因此往往需要對常規 PID 控制算法進行改進。而專家PID 控制是對常規PID 控制算法的一種改進，是利用專家經驗來設計 PID 參數。專家 PID 具有響應速度快、超調小，甚至沒有超調等優點.
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，所以誤動作的時候對輸出的影響比較小，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）的確定僅與最近的 k、k-1、k-2 次的采樣值有關，所以能夠比較容易的通過加權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設計控制器。而專家 PID 控制就是專家控制與 PID 控制的結合，即根據專家經驗知識對 PID 控制的參數進行在線實時調整。
由于專家 PID 控制的核心是對控制過程的經驗知識和控制規律的知識，因此能對 PID 參數實現調整，兼顧系統的快速反應和超調量，實現系統的控制。
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。理論分析和實驗結果表明：電加熱裝置一般可用一個一階慣性和滯后環節來描述。通過開環階躍響應，求得系統的大致數學模型為：
根據控溫消解的要求，本系統必須能夠實現多步階梯式升溫，而每個階梯又包含線性升溫和恒溫保持兩個階段根據本系統的特點，理想的升溫曲線大致如圖1：
根據系統特性，設計控制規則如下： （1）在啟動階段，由于系統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：
圖中紅色曲線為目標溫度曲線，藍色線為系統輸出溫度曲線。從仿真結果來看：①在開始時系統能快速啟動；②在線性升溫階段則能準確的跟蹤目標溫度曲線，實現線性升溫；③而在進入穩定溫度后，超調僅為 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。
實際控制過程如下：
（1）連續 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，并根據系統狀態，計算求取kp，ki，kd；
（3）進行 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，本算法已取得了不錯控制效果， 但畢竟數學建模是一種理想化、簡單化的過程，與實際系統總存在偏差，因此通過仿真得到的參數在實際系統的控制中并不能直接采用，而必須通過實際試驗進行調整。 在多次實驗調整后，本算法在實際系統中也取得了優良的 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果相似，進入穩定溫度階段后，超調量為 1.3℃，則比仿真結果稍大一些。
5 結束語
本文通過仿真和實際實驗，證明采用專家系統對 PID 控制參數進行在線實時調整，在溫度控制中可以取得良好的控制效果，具有響應速度快，超調小等優點，從而也體現了專家 PID 控制算法的適應性與*性。
