模糊控制在恒溫控制系統中的應用

權 悅，國 海

(安徽科技學院 工學院，安徽 鳳陽 233100)

模糊控制在恒溫控制系統中的應用

權 悅，國 海

(安徽科技學院 工學院，安徽 鳳陽 233100)

根據材料拉伸試驗對加熱爐的控制要求，本文設計了一種 PID控制與模糊控制相結合的智能恒溫控制系統．系統的核心控制單元采用具有模糊指令的MC9S12DG128單片機，通過在線模糊推理來實時調整PID的控制權重，實現溫控系統的分段控制．實踐表明，該系統具有較好的控制性能．

模糊控制；恒溫；MC9S12DG128

溫度是影響材料拉伸試驗數據的重要因素之一，因此爐溫的控制在拉伸試驗中就顯得尤為重要．目前，電加熱爐是拉伸試驗常用的加熱器材，一般采用常規 PID控制．由于溫度控制對象大多具時變性、大滯后等特性，采用常規的PID控制很難做到各參數的優化組合，會嚴重影響系統的控制特性．模糊控制是目前應用較為廣泛的控制技術，它可以依據人工經驗，把系統的動態特性用模糊量和模糊關系函數來表示，具有較強的魯棒性，能夠較好地適應溫控系統[1]．

1 恒溫加熱控制系統的結構

根據材料拉伸試驗機的工作要求，筆者設計的實驗機拉伸加熱控制系統由溫度智能控制模塊、驅動控制電路2部分組成，如圖1．其中控制模塊以Freescal半導體公司的MC9S12DG128為核心，主要實現溫度數據的采集、處理以及PWM的輸出控制．MC9S12DG128是一種16位的單片機，內部集有8路的16位A/D轉換器和8路獨立的PWM控制器，可以有效地簡化系統的硬件結構并且易于擴展；并支持模糊指令，可以方便地實現模糊運算程序．驅動控制部分主要是通過 PWM來改變可控硅的導通角，改變加熱爐在一個周期內的加熱時間，進而控制溫度的變化．

圖1 恒溫加熱控制系統的結構圖

2 系統的控制方案

在本系統中我們根據輸入偏差和偏差變化率的關系，通過模糊推理得到不同階段 PID輸出的權重，實現PID的分段控制[2-3]，以便使其能更好地適應被控對象動態變化的要求，控制方框圖如圖2所示．

2.1 控制策略

由于被控對象是一個連續變化的溫升曲線，且具有延遲大、純滯后的特性，所以在控制過程中根據不同的偏差調節PID的輸出權重，如圖3所示．

由圖 3可以看出，T1段的溫度偏差 E＞0，偏差變化率 ΔE＞0，說明當前溫度值低于給定值，且誤差的絕對值朝減小的方向變化．在這個區域總的控制策略是在起始階段，增大PID控制的輸出，使加熱爐迅速升溫；隨著溫度的不斷升高，在逐漸削弱PID控制的輸出權重．

圖3 溫控對象的特性曲線

由上圖可以看出，T1段的溫度偏差 E＞0，偏差變化率 ΔE＞0，說明當前溫度值低于給定值，且誤差的絕對值朝減小的方向變化．在這個區域總的控制策略是在起始階段，增大PID控制的輸出，使加熱爐迅速升溫；隨著溫度的不斷升高，在逐漸削弱PID控制的輸出權重．

T2段的溫度偏差 E＜0，偏差變化率 ΔE＞0，說明當前溫度值大于給定值，誤差絕對值朝增大的方向變化．由于本燒結爐系統無制冷裝置，采用零輸出控制策略，使溫度迅速下降．

T3段的溫度偏差 E＜0，偏差變化率 ΔE＜0，說明當前溫度值仍大于給定值，但誤差變化的趨勢是漸小的．這時將逐漸增加PID控制器的權重．

T4段的溫度偏差 E＞0，偏差變化率 ΔE＜0，說明當前溫度值低于給定值，誤差變化趨勢漸大．此時將設定PID輸出權重為重大，使其飽和以提高系統的響應速度時間．

以上是我們在調節電熱爐溫度時所采取的控制的策略，通過人為的改變PID控制器的輸出權重，以適應系統快速性的要求．當爐溫的變化曲線處于CD之間時，認為加熱爐處于保溫階段．此時，我們僅采用PID控制來穩定爐溫，即在這個區域PID控制器的輸出權重為1．

2.2 模糊控制器的設計

模糊控制器由兩個輸入和一個輸出變量組成，輸入變量分別為溫度的偏差E和偏差變化率ΔE，偏差E取值為NB、NS、O、PS、PB，偏差變化率ΔE取值為NB、NS、O、PS、PB，輸出語言變量為PID的輸出權重U，它的取值為O、PS、PM、PB[5]．結合上面的分析并參考人工經驗，我們可以得到 PID輸出權重U的模糊規則表(表1)．

表1 模糊控制規則表

在模糊控制的具體實現過程中，我們沒有采用常用的離線推理方法，而是利用MC9S12DG128所特有的模糊指令來實現在線推理，計算流程如圖4所示．S12的模糊指令主要包括MEN、REV、REVN和WAV 4條指令[6]，其具體用法如下：

圖4 S12模糊指令執行流程

1) MEN指令是單個隸屬度函數計算的核心指令，有它將過程變量變成模糊輸入．每個隸屬度函數的數據結構必須用4個字節無符號數的數據結構來描述：即{起點的X坐標，終點的X坐標，前沿斜率，后沿斜率}，這里起點和終點的X坐標均采用類似歸一化的數值，即必須將輸入的范圍映射到$00-$FF中去；前后沿斜率的符號固定不變，只需要給出具體數值，斜率為無窮大的時候，用$00表示．隸屬函數通常可以用數組的方式進行表示：const uchar INPUT_MFS_E[N1][4]={ a1,a2,a3,a4……}．其中N1為變量論域的個數，(a1，a2，a3，a4)4個數字就可以來表示一個形狀為三角形或梯形的隸屬函數．通過 MEN指令調用上面的數組就可以完成輸入量的模糊化處理．

2) REV 指令是規則推理的核心指令，由他根據模糊輸入確定模糊輸出．所謂模糊邏輯的規則就是一個模糊邏輯表達式，如：IF E is NB AND ΔE is NB THEN U is PS．一般我們也是用數組的方式來表示這種推理關系，如：const uchar RULE_START[5N2+1]={ (N2*0)+0,(N2*1)+0,0xfe,(N2*0)+0+ N1,0xfe, …0xff}．其中N2為模糊推理的規則數．在數組中“oxfe”是分割標志，每兩個“oxfe”表示一條規則，第一個“oxfe”前的數值表示輸入量的關系，第二個“oxfe”前的數值表示此時的輸出．“0xff”是推理結束標志．

3) WAV指令是解模糊階段的核心指令，使用重心法與EDIV指令配合完成模糊輸出到控制輸出的變換．

對于PID控制器本系統采用了常用的增量式PID算法．我們設定模糊控制器的輸出為u，PID的輸出為f，那么整個控制器的輸出為uf，這樣就可以基本實現對電加熱爐的分段控制．

本文結合材料拉伸試驗的要求，設計了一種采用模糊與PID控制相結合的加熱爐恒溫控制系統．該系統以應用于材料拉伸試驗中，實踐表明這種控制系統兼顧了上述2種控制策略的優點，有效的地改善了系統的響應速度，提高了系統的穩定性．

[1] 湯兵勇,路林吉.模糊控制理論與應用技術[M].北京:清華大學出版社, 2002:67-70.

[2] 李向華,張小芳,陸起涌.模糊控制在恒溫系統中的應用[J].儀器儀表學報, 2003, 24 (4): 351-353.

[3] 俞紅衛.一種PID控制與模糊控制相結合的智能溫度控制系統[J].上海應用技術學院學報, 2007,7(2): 106-109.

[4] 孫桂玲,金鎮.基于LMS算法自調整模糊溫度控制器的仿真研究[J].系統仿真學報,2006,18(11):3108-3110.

[5] 車暢,胡丹,鄧成中.溫度模糊控制器設計[J].西華大學學報,2006,25(5):93-94.

[6] 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京:清華大學出版社,2004:234-245.

Abstract:Based on the requirement of the material tensile test, the paper designs an intelligent thermostatically controlling system with PID control and Fuzzy control. The system applies MC9S12DG128 as its key part. It can realize segment control by automatically tuning the weight of PID through the fuzzy algorithm. The result shows that the system has perfect dynamic performance.

Key words:fuzzy control; constant temperature; MC9S12DG128

(責任編校：李建明英文校對：李玉玲)

The Application of Fuzzy Control in a Constant Temperature System

QUAN Yue, GUO Hai

(Engineering Institute, Anhui Science and Technology University, Fengyang, Anhui 233100,China)

TP273

A

1673-2065(2011)01-0102-04

2010-09-25

權 悅(1981-),男,山東濟寧人,安徽科技學院工學院教師,工學碩士;

國 海(1973-),男,黑龍江伊春人,安徽科技學院工學院副教授,工學碩士.