基于遺傳算法的溫度控制系統設計

摘要：溫度控制在現代自動化工業現場非常普遍：比如在冶金、化工、建材等各類現代工業中，均廣泛使用反應爐、加熱爐等設備，這類設備在工作過程中往往需要對其溫度進行準確的測控。常規的溫度控制算法往往是采用PID等基本過程的控制算法，但是PID往往難以達到很多場合對于控制速度、精度等方面的要求。嘗試使用遺傳算法來進行溫度控制，并進行了Multisim仿真分析。仿真結果證明新的算法，其控制效果改進明顯。

關鍵詞：溫度控制；PID算法；遺傳算法；Multisim仿真

中圖分類號：TN91934；TP399文獻標識碼：A文章編號：1004373X（2012）18001603

引言

溫度控制系統在現代工業中極為常見，一般是作為一個龐大系統的子系統而出現的，大多傳統的方法是采用PID算法[1]。但是PID算法有著明顯的弱點：若比例系數過小，則系統反應呆滯，而比例系數增大，雖然能適當提高系統靈敏度，卻同時引起系統衰減振蕩次數增多，延長系統的調節時間；對于積分系數的調節，也有類似的問題，因為積分的意義主要是克服靜態誤差，可積分作用的加入同時會使系統的動態性能變壞；盡管可以利用微分的作用，來適當改善系統的動態性能，可是在特定情況下，微分也可能使系統的動態性能變得更壞。

鑒于此，本文考慮使用遺傳算法來代替常規的PID算法，實現溫度的測控。遺傳算法，是一種基于群體策略類型的算法，它通過對較優群體基因的共享，使得整個群體逐步向最優的山谷（山峰）聚集。進化策略，按照（μ，λ）的規則來看，則要求各個位置的點各自向多個方向搜索，并在總體結果取排名靠前的一群作為下一次的起始搜索點。那么在比較的過程中，全局的信息起到了甄別位置優劣的作用[23]。

1系統硬件結構

系統整體硬件結構如圖1所示。圖中的熱電偶感知烘烤爐的溫度并將其轉換為電信號，該電信號經過濾波、整形放大，再由CD4050進行電平轉換，才可交給A/D轉換器處理。A/D轉換器的結果作為CPLD的輸入信號，也是遺傳算法的輸入參數，為了提高整個系統的實時處理速度，將整個遺傳算法交給CPLD來實現。單片機則根據CPLD的處理結果，實時更新PWM波形的占空比，進而實現電爐絲實時加熱功率的調節和控制[4]。

需要強調的是，CPLD不僅僅是遺傳算法的實現器件，還是A/D轉換器與單片機之間的連接接口器件。為了清晰起見，CPLD、單片機以及A/D轉換器三者之間的連接關系如圖2所示[5]。