基于模糊PID的嵌入式恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐文晴 秦嶺

【摘要】針對(duì)溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)PID控制器的局限性，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID自適應(yīng)控制算法的新型高精度恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM9微處理器為核心處理器，可以實(shí)時(shí)采集、顯示和記錄溫度值，同時(shí)通過(guò)模糊自整定PID控制策略完成對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制和處理，最后應(yīng)用JLINK接口電路以方便數(shù)據(jù)的下載與調(diào)試。在此基礎(chǔ)上完成了實(shí)物測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制精度較高，實(shí)時(shí)性較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】恒溫控制;模糊PID;嵌入式系統(tǒng)

1.引言

溫度的測(cè)量與控制是很多生產(chǎn)過(guò)程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，溫度的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但是由于溫度具有慣性、滯后、非線性等特點(diǎn)，溫度控制技術(shù)還存在著比較多的問(wèn)題與困難。如何提高溫度控制技術(shù)的精度和實(shí)時(shí)性，滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的控制要求，已成為目前溫度控制研究領(lǐng)域中比較重要的課題。對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展具有實(shí)際意義。

本文以恒溫箱為研究對(duì)象，基于模糊自整定PID控制策略。同時(shí)以ARM9為核心控制處理器，提出了一種嵌入式恒溫控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)實(shí)物測(cè)試證明該方案是行之有效的。

2.系統(tǒng)組成及基本功能

如圖1所示，系統(tǒng)主要由控制器模塊、溫度檢測(cè)模塊、溫度控制模塊、參數(shù)輸入按鍵模塊、LCD顯示模塊以及處理器外圍電路等部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)采用STM32F103RBT6處理器為核心處理芯片，通過(guò)溫度傳感器（DS18B20）檢測(cè)恒溫箱的實(shí)時(shí)溫度，并傳送給處理器。處理器將實(shí)時(shí)溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，將差值經(jīng)模糊PID自適應(yīng)控制算法處理來(lái)得到控制信號(hào)及其占空比，通過(guò)PWM脈寬調(diào)制器控制晶閘管工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)智能控制。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了溫度報(bào)警功能，如果超出了規(guī)定的監(jiān)控溫度范圍，則通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警告聲。

圖2是溫度加熱控制模塊的電路圖，采用晶閘管觸發(fā)電路，主要包括驅(qū)動(dòng)可控硅電路模塊（光電耦合電路）、過(guò)0檢測(cè)模塊（基于光耦實(shí)現(xiàn)）、繼電器開(kāi)關(guān)模塊等部分。加熱部分主要通過(guò)晶閘管T435（4A，400-800V）來(lái)控制與調(diào)節(jié)加熱膜的溫度。晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片MOC3022，具有光耦和電氣隔離功能。

3.參數(shù)自整定模糊-PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器的結(jié)構(gòu)已知，通過(guò)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足控制要求，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，精度較高，易于設(shè)計(jì)，目前廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、冶金和輕工等工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中。但是傳統(tǒng)的PID控制的參數(shù)整定多是依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)和被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)控制對(duì)象的參數(shù)發(fā)生變化后，系統(tǒng)的控制效果將會(huì)受到很大影響，需要重新對(duì)系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，非常繁瑣。而模糊控制不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，自適應(yīng)強(qiáng)，但是模糊控制精度不高，控制效果粗糙，不能滿(mǎn)足恒溫控制系統(tǒng)高精度的要求。所以，將PID控制與模糊控制結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)參數(shù)自整定模糊-PID控制器，既有了PID控制的高精度的優(yōu)點(diǎn)，又有了模糊控制的自適應(yīng)強(qiáng)及控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 PID參數(shù)模糊自整定結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)由一個(gè)常規(guī)的PID控制器和一個(gè)模糊控制器組成（如圖3所示）。其中偏差和偏差的變化率作為模糊系統(tǒng)的輸入，三個(gè)PID參數(shù)的變化值作為輸出。在控制過(guò)程中對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測(cè)分析，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，從而在線實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自整定。

根據(jù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、響應(yīng)速度、超調(diào)量等要求制定模糊規(guī)則表，如表1～.3所示，分別為三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表，其中字母NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示模糊輸入變量的模糊子集，即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

表1 的規(guī)則表

表2 的規(guī)則表

表3 的規(guī)則表

圖4 模糊PID控制程序流程圖

表4 溫控系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

測(cè)試次數(shù) 設(shè)定溫度（℃） 實(shí)測(cè)溫度（℃） 誤差（℃）

1 25 25.2 0.2

2 30 30.4 0.4

3 37 37.4 0.4

4 40 40.5 0.5

5 43 43.7 0.7

6 45 45.2 0.2

7 50 50.3 0.3

8 58 58.6 0.6

9 60 60.4 0.4

10 65 65.6 0.6

根據(jù)各參數(shù)模糊控制模型和各模糊子集的隸屬度賦值表，應(yīng)用模糊推理設(shè)計(jì)PID修正參數(shù)并帶入下列式中：

（1）

（2）

（3）

其中是初始參數(shù)，是經(jīng)模糊控制器運(yùn)算得到的修正參數(shù)。在整個(gè)控制過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)不斷檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)輸出值，并隨時(shí)計(jì)算出偏差及偏差變化率，然后模糊化后得到，再通過(guò)查詢(xún)模糊規(guī)則表即可得到三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量，進(jìn)而完成控制器參數(shù)的調(diào)整，具體程序流程如圖4所示。

4.實(shí)物測(cè)試結(jié)果及其分析

分別完成系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計(jì)后，對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于模糊PID的嵌入式恒溫控制系統(tǒng)溫度控制效果較好，實(shí)時(shí)性較優(yōu)，基本能滿(mǎn)足控制要求。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文基于ARM9微處理器設(shè)計(jì)了一種恒溫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度信號(hào)的測(cè)量、顯示、控制以及報(bào)警等。它能對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制精度較高。經(jīng)過(guò)實(shí)物仿真測(cè)試，證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，運(yùn)行可靠，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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