基于Labview的模糊PID溫度控制系統

聶樂樂，李麗娟，王勁松，徐波，秦國愛

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

溫度控制在工程、生產和生活中應用廣泛，在控制中經常會遇到時變性強、滯后大、線性度差的受控對象［1］。傳統的溫度控制需要掌握受控對象的數學模型，很難確定PID的三個參數。本系統采用模糊PID控制，由于模糊PID不需要控制對象的數學模型而是通過實時測量的溫度值與設置溫度的差值作為控制量的大小，使不同的控制對象都能得到最佳的PID調整。采用PID控制克服了傳統溫度控制的缺點，又具有了精度高，實時性強、可靠性好的特點。上位機用Labview軟件設計的控制和顯示程序使得系統控制靈活、方便觀察。

1 系統結構圖

系統硬件電路主要由Atmega16的最小系統、AD590的溫度采集電路、繼電器的控制電路、串口傳輸電路構成。溫度傳感器選用線性度高的AD590溫度傳感器，靈敏度為1μA/℃。AD590隨溫度變化輸出的電流值通過信號處理電路轉化為電壓值，輸入到Atmega16的AD輸入口經A/D模塊轉化為數字量，通過串口傳輸給上位機，上位機的模糊PID程序輸出控制量控制Atmega16輸出PWM波，PWM波控制加熱裝置，保證環境的溫度。系統結構如圖1所示。

2 模糊PID原理

PID因結構簡單、穩定性高、適應能力強、魯棒性好、調整方便等優點在工程的控制中得到廣泛的應用。模糊PID以溫度變化E和溫度變化率ΔE作為控制輸入量，以PID輸出量得到其修正值ΔKP，ΔKI，ΔKD［2］，并實時調整PID的參數值具體關系式如下所示：

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

采用模糊PID控制可以獲得良好的實時特性，使得系統的溫度控制靈活、響應度高。由于引入積分區別于普通的PI控制，可以消除靜態誤差。設計的原理如圖2所示。

圖2 模糊PID原理Fig.2 Principle of fuzzy PID

KP、KI、KD分別是比例參數、積分參數、微分參數［4］，這三個參數的設定規則

1.當E的絕對值取值較大的時候，為防止較大超調的系統響應，KI=0，KP、KD的取值應該盡量大。

表1 模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rule table

2.當E的絕對值取值大小適中的時候，為使系統具有的響應超調比較小，KP的取值比較小；KD的取值影響系統的響應度。

3.當E的絕對值較小的時候，為使系統穩定，KP與KI取值大，而此種情況下KD的取值嚴重影響系統的振蕩情況，所以取值很重要。

根據以上經驗，模糊控制規則如表1所示。

溫度控制系統將采集到的實時溫度信號與上位機設置的溫度值比較，獲得系統的輸入信號變量溫度偏差E和Ec，將其定義為模糊集上的論域：E、Ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}［5］。三個輸出控制量的修正值ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}［6］，集合中的各個元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大［7］。 ΔKP論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，ΔKI論域{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，ΔKD論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。其隸屬函數曲線如圖3所示。

圖3 隸屬函數曲線模型Fig.3 Curve model of menbership function

3 軟件程序設計

3.1 上位機程序設計

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司開發的，LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是使用的圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。采用Labview設計可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能［6］。虛擬儀器價格低，而且其基于軟件的體系結構還大大節省了開發和維護費用。

圖4 程序圖Fig.4 Program graph

本設計采用Labview編寫上位機串口傳輸程序和溫度的模糊PID控制程序。串口傳輸的當前溫度值與設置溫度值比較確定PID控制的參數KP、KI、KD，通過串口在傳輸到下位機用來控制PWM波得輸出。程序圖如圖4所示。

溫度的顯示用Labview的波形和溫度計顯示控件，這樣可以直觀的顯示當前溫度值和溫度的變化曲線，使得系統控制靈活，直觀性強。經過多次的系統調試，其調試結果如圖5所示。

圖5 上位機界面圖Fig.5 PC interfac

從圖中可以看出系統的調試結果，當設置溫度為30的時候測得環境的溫度變化曲線平滑，環境溫度控制精度高。由此可見本系統既具有控制靈活、適應性比較強的優點，又保證了精度。

3.2 下位機程序設計

軟件設計是在ICCAVR的編譯環境下，編寫的C語言程序，實現溫度的采集，并通過AVR單片機的ADC模塊，實現模數轉換。Atmega16對接收到的二制數與上位機發送的控制變量通過模糊PID控制PWM得輸出，輸出的PWM波通過繼電器來控制加熱棒的工作。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Process chart of program

4 實驗結果

圖7給出了當設定溫度為30°C的時候，采用模糊PID控制得到的溫度曲線。

圖7 仿真結果（T=30℃）Fig.7 Result of simulation(T=30℃)

從圖中可以總結出，該系統具有很好的動態性能，時變性好，對純滯后、非線性的一階大慣性系統可以取得很好的效果。

5 結束語

本設計采用上位機模糊PID控制PWM波輸出，實現溫度的控制。在調試的過程中運行穩定。系統采用單片機實現溫度控制結構簡單、成本低廉、精度高、應用廣泛。并且采用模糊PID提高了系統的實時性和準確性。

［1］王吉龍.基于模糊PID的溫度控制系統［J］.電子工程師，2008，54（5）：77-79.

［2］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.工業儀表與自動化裝置，1998，1：72-75.

［3］李濤，王圓妹.基于PWM的模糊PID溫度控制系統研究［J］.自動化技術與應用，2008，27（10）：32-34.

［4］PASSION KM，YURKOVICH S.Fuzzy control［M］.北京：清華大學出版社，2001：374-378.

［5］張浩宇，姜濤.基于模糊PID控制的摩擦負載系統的研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2011：34（2）：67-70.

［6］周黎英，趙國樹.模糊PID控制算法在恒速升溫系統中的應用［J］.儀器儀表學報.2008.29（2）33-35.

［7］LIU D X.PID control and program realizeing method［J］.Chinese Joumal of Neijiang Teacher’s Colleage，2005，20（6）：20-23.