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一组遗传算子,包括4个基本操作:选择、复制、交叉、变异。基于遗传算法的自适应PID控制的一种原理框图如图3-3所示,图中省略了遗传算法的具体操作过程。其思想就是将控制器参数构成基因型,将性能指标构成相应的适应度,便可利用遗传算法来整定控制器的最佳参数,并且不要求系统是否为连续可微的,能否以显式表示。当遗传算法用于PID控制参数寻优时,其操作流程主要包括: ①优化问题表示,包括确定待寻优参数、参数编码成位串、形成个体; ②生成初始种群; ③通过复制、交叉、变异等算子更新种群; ④结束进化过程。在许多情况下, PID控制器为混合控制器,如一种基于遗传算法的模糊PID控制器。模糊PID控制器中需要做调整最多的是各个模糊集合的隶属函数,这是决定模糊控制性能的关键。模糊PID在正式投入使用并胜任工作之前,需反复试凑,这其实是一个寻优过程,而这项工作可以由遗传算法来完成。
+参考模型-PID控制器被控对象GA算法进化控制器
图3-3 基于遗传算法的PID控制
基于遗传算法的PID具有以下特点:①把时域指标同频域指标做了紧密结合,鲁棒性和时域性都能得到良好保证；②采用了新型自适应遗传算法,收敛速度和全局优化能力大大提高；③具有较强的直观性和适应性；④较为科学地解决了确定参数搜索空间的问题,克服了人为主观设定的盲目性。在应用方面，文献针对新一代资源卫星使用遗传算法PID参数自整定的方法进行了卫星姿态控制,有效地消除了可转动载荷对卫星姿态的影响。提出了一种基于改进遗传算法寻优的神经网络PID控制方法,不仅解决了遗传算法存在的缺陷,而且提高了寻优精度和快速收敛性能。
3.5.4 智能PID控制器研究及应用展望
除上述的三种控制方法以外,专家控制、学习控制、仿人控制、免疫算法等都在发展之中。纵观近年来智能PID控制的发展,可以大致归纳出以下特点:
① 智能复合控制成为提供和改善智能控制性能的有效途径,并成为研究的重点。近几年来,模糊控制与神经网络的结合代表着控制与智能系统研究的一个新的趋势,另外有一个值得注意的动向是利用遗传算法GA对神经网络的PID控制器的权系数进行寻优,而将遗传算法应用于模糊控制,被证明是调整规则和隶属函数的一种有效方法。将遗传算法、模糊控制和免疫反馈机理与传统的PID控制相结合,提出了基于遗传整定的模糊免疫PID控制算法并将它应用在双容液位系
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统的控制中。
② PID控制重新受到广泛重视,并和智能控制等方法结合,形成新一轮的研究热潮。国际著名学术刊物Control Engineering Practice和IEEE Control SystemsMagazine分别于2001 和2006 年出版了PID 控制特辑。2000年, IFAC数字控制工作组在西班牙Terrassa举行了专题为“Past, Present and Future of PID Control”的PID控制学术会议。国际著名控制理论学者AS2TROM教授指出,PID控制器在未来的控制工程中仍将继续扮演重要的角色,同时将成为各种复杂控制器的基本单元。国内学者吴宏鑫院士提出的“特征建模”理论 ,第一次从理论上论证了PID控制器广泛应用的理论依据并且指出,PID控制器具有独特的优越性,它将成为复杂系统智能控制中最基本、最基础的子控制单元。
③ 在理论研究特别在应用方面,国内与国外差距明显。国外如日本、欧美等国家不但在理论研究方面走在前列,而且已经有成功应用的产品, Yokogawa电气和Fuji电气的温度控制器,它们把模糊逻辑与标准的PID控制集成在一起来抑制超调,取得了成功。而国内重复研究的多,创造性研究的少;停留于仿真成果的多,能够在工程上应用的少,尤其是运行时间较长的智能PID控制器可以说微乎其微。这一状况需要广大理论工作者和工程技术人员共同努力,尽快转变这一局面。
3.6 加热炉控制方式的选择
在工业生产过程中，加热炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。加热炉温度控制具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠燃料加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 PID 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内[14]。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。
人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。
从以上的分析可知模糊自整定 PID 控制[15]应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制[16]，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效
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果。
3.7 本章小结
本章主要介绍了PID控制。随着PID控制控制器的发展，其很多优异的特点使其对工业控制中很多复杂难以控制的指标的控制具有很优秀的效果。正如前面章节所介绍工业加热炉的温度控制指标具有大惯性、纯滞后性、时变性等特点，难以建立精确的数学模型，因此在本论文的设计中选择PID控制器具有很优秀的效果。本章首先讨论了PID控制器的发展现状，追溯了过去50年中PID的发展成长过程。其中调节PID控制参数的方法取得了极大的发展，如 Coon-Cohen 响应曲线法；还有使用Nyquist 曲线法的，如Ziegler-Nichols 连续响应法。这些方法是我们所熟悉并经常运用比较实用的方法。下面两节分别介绍了两种新型的PID控制：模糊PID控制、模糊自整定PID控制。这两种新型的控制器在本文所涉及的工业加热炉温度的控制方面具有较为突出优良的特点。跟着第三节根据上述PID控制器的特点以及本文加热炉温度的性质特点，讲述了加热炉控制方式的选择。并确定PID参数模糊自整定控制在本论文设计中有较好的效果。
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4 PLC温度控制装置硬件设计
4.1 PLC温度控制系统的组成及设计
PLC温度控制系统通常由温度传感器、温度调理、A\\D、D\\A转换装置、受控对象组成。其中在PLC中进行软件编程实现PID控制功能外外围电路中加入控制参考信号实现对系统输出温度的控制，温度传感器信号将温度物理信号转变为电信号，传感器电路通常由PT100铂电阻以及桥式放大电路组成。PT100放置于受控对象运行处用可以测得其温度实际变化情况。PT100铂电阻在零摄氏度时的电阻成比例增加0.4欧姆，依靠PT100铂电阻的阻值和温度正比例特性将温度信号转换为电信号。由于PLC得输入A\\D转换环节对输入信号的幅值有一定的范围限制，因此，为最大限度的利用输入的精度和PLC的分辨率，需要经过级联方式运算放大器放大时信号能够被PLC采集。PLC同时采集控制指令信号以及所调理之后的信号，通过编程实现的内部控制环节（PID控制环节）实现对系统的控制和控制指令信号的产生，形成控制信号发给受控对象，这样通过对系统待测量于给定参考信号之间电压误差信号的控制实现对系统输出的控制[17]，其中PLC主控系统喂温度的控制提供算法支持其为温度控制系统的核心部分。另外，PLC器件可以通过串口于上位机以及触摸屏等外围设备相连接，实现良好的人机界面。
如图4-1为加热炉温度控制装置基本构成
三相电源SpPLC控制器D\\ASCR加热炉T-PvA\\D传感器
图4-1 加热炉控制装置基本构成
它由PLC主控系统、移相触发模块、整流器SCR、加热炉、传感器等5个部分组成。
加热炉温度控制实现过程是：首先传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给三相整流电路（SCR）一个触发脉冲（既控制脉冲），这样通过SCR的输出我 们
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控制了鼓风机的鼓风速度以及燃料的进料情况惊醒调节，也既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用。 4.1.1 D\\A转换器的简介
D/A转换器的作用是将数字信号转换成相应的模拟信号，D/A转换器的转换原理是将输入数字信号按其权值分别转换成模拟信号，再通过运算放大器求和相加。因此，D/A转换器的核心部分是一个能实现按权转换的电阻解码网络，此外，还有基准电压、电子开类、求和电路、数码寄存等部分，如图4-2
D
图4-2 D\\A转换器框图
数码 寄存 电子 开关 解码 网络 求和 电路 基准 电压 u 主要性能指标如下：
(1)分辨率 分辨率是指对输出电压的分辨能力，当D/A转换器输入相邻两个数码时所对应的输出电压之差为最小可分辨电压，分辨率的定义为最小可分辨电压与最大输出电压之比。可表示为： 分辨率?ULSBUFSR?12n?1 （4-1）
可以看出，分辨率的数值是与转换器输入数字量的有效位数成反比的，即数字量的有效位数越多，则分辨率的数值越小，分辨力越强。因此在实际中常用输入数字量的有效位数来表示分辨率，如12位D/A的分辨率为12位。
(2)转换精度 转换精度分绝对精度和相对精度。D/A转换器的实际输出值与理论计算值之差，称为绝对精度，通常用最小分辨电压的倍数表示，如1/2ULSB就表示输出值与理论值的误差为最小可分辨电压的一半。相对精度是绝对精度与满刻度输出电压(或电流)之比，通常用百分数表示。
(3)转换时间 D/A转换器从接收数字量开始到输出电压或电流达到规定误差范围所需要的时间称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。
D/A转换器的电路结构：D/A转换器按解码网络结构的不同分为权电阻网络、权电流网络、T形电阻网络、倒T形电阻网络等，本文仅以倒T形电阻网络为例介绍转换器的转换原理。