基于LabVIEW的模糊PID溫度控制器

王紅超

(廈門海洋職業技術學院 機電系，福建 廈門 361000)

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基于LabVIEW的模糊PID溫度控制器

王紅超

(廈門海洋職業技術學院 機電系，福建 廈門 361000)

為了克服傳統的電阻爐操作復雜而且控溫精度比較低的問題，組建了一個基于LabVIEW的溫度控制系統，可以方便地設置控溫曲線，控溫精度比較高，還具有保存數據等功能.恒溫控制采用一種改進型的PID控制算法，控制效果明顯優于LabVIEW軟件庫中的VI，使得溫度調節時間大大縮短且沒有明顯的超調.變溫控制采用模糊控制算法，適應性強、動態響應好、控溫精度高.

溫度；模糊控制；PID；LabVIEW

0 引 言

在某些材料制備的過程中，由于熱處理工藝的需要，往往需要將它們放在箱式或管式電阻爐中，按某一設定規律升溫、保溫和降溫，并要求較高的控溫精度.尤其是新型材料的研制，必然需要進行反復、大量的試驗才能確定一種最優的熱處理工藝.傳統的箱式或管式電阻爐大多采用4至5個按鍵用來設定升溫/降溫曲線，操作復雜而且控溫精度比較低.目前PC機已經十分普及，采用基于PC的虛擬儀器技術可以組建一個精度高、功能強、使用方便的溫控儀.

1 系統結構

采用LabVIEW設計了一個溫度控制器，整個系統組成的示意圖如圖1所示.工作過程簡述如下：溫度傳感器選用K型熱電偶，其冷端溫度用半導體溫度傳感器LM35測量；熱電偶和LM35輸出的微弱電壓信號經放大濾波后進行AD轉換，數據采集器將測量到的這兩個電壓值通過USB接口傳送給PC機的LabVIEW程序；LabVIEW程序采用查表并進行線性插值的方法[1]計算出溫控箱里的溫度，然后跟設定的溫度進行比較，調用PID或模糊控制算法得到一個調整電壓，并通過USB接口將電壓值傳送給數據采集器；數據采集器將這個調整電壓轉換成模擬量輸出給功率控制模塊，進而調節電熱絲的加熱功率，最終使溫控箱的溫度和設定值一致.

圖1 溫度控制器系統構成示意圖

電加熱爐是一個慣性大、滯后大、參數時變的非線性對象[2].大量的應用實踐表明，采用傳統的PID控制穩態響應特性較好，但難以得到滿意的動態響應特性.模糊控制的優點是能夠得到較好的動態響應特性，并且無需知道被控對象的數學模型，對被控對象的時滯、非線性和時變性具有一定的適應能力，同時對噪聲也具有較強的抑制能力.模糊控制也存在固有的缺點，容易受模糊規則有限等級的限制而使得穩態誤差較大.本文將這兩種控制方法結合起來，在設定溫度不斷變化的階段采用模糊控制，恒溫控制階段采用優化的PID控制，得到了良好的控制效果.

2 PID控制

PID控制具有算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優點，被廣泛應用于工業過程控制中.應用PID控制需要注意兩個問題，一是比例、微分、積分三個參數的整定，二是飽和現象的抑制.本文用LabVIEW分別編寫了位置式和增量式PID算法，采用擴充臨界比例度法[3]整定PID控制器的參數.

用LabVIEW編寫的位置式PID控制程序在處理積分飽和時采用了一種改進的積分分離法.在系統處于飽和區時將積分器清零，一旦系統脫離飽和區就進行積分累加，即是系統是否脫離飽和區積分分離的判斷條件.一般來說，PID控制器參數的不同、系統受到干擾或所處的環境不同，引入積分的預定門限值也是不同的，故可稱之為積分自動分離PID算法.實際上是綜合了積分分離法和遇限削弱積分法.

增量式PID控制程序處理輸出飽和時應用了遇限削弱積分法[4]的思想，即：當u(k)大于(小于)脈寬調制器可輸入的控制電壓最大值(最小值)時，將只執行減小(增大)u(k)的運算而停止進行增大(減小)u(k)的運算.

LabVIEW的PID Control Toolkit軟件包也提供了一個位置式PID控制子VI，它處理積分飽和的方法是：如果比例項和積分項的和大于(小于)執行元件可輸出的最大值(最小值)，那么積分項等于這個最大值(最小值)減去比例項.這種方法的缺點是：當偏差比較大時即提前制動，延長了調節時間，且輸出跳躍大.

將上述三種控制算法在室溫為20 ℃的環境下分別進行測試，設定的溫度為60 ℃，PID參數均為KP=5.7，TI=0.3，TD=0.075.并與在室溫為20 ℃，控制電壓為10 V(功率控制模塊最大的允許輸入值)時的階躍飛升曲線比較，如圖2所示.將比例系數、積分系數、微分系數在[3,10]、[0.1,0.5]、[0.05,0.1]調整并進行了大量的實驗，得到的響應曲線與圖2類似.

圖2 三種控溫算法的階躍響應曲線

圖2中曲線1是控制電壓保持為最大值10 V時的階躍飛升曲線，曲線2是本文編寫的增量式PID控制算法的控制效果，曲線3是本文編寫的位置式PID控制算法的控制效果，曲線4是LabVIEW自帶的PID控制算法的控制效果.可見本文編寫的兩種PID控制算法的調節時間要明顯優于LabVIEW自帶的PID控制算法，可以讓溫控箱以接近最快的速度達到設定溫度且沒有明顯的超調.因為增量式PID控制算法的程序編寫相對簡單，維護方便，且在本系統中控制效果稍微優于位置式PID控制算法，故恒溫段的控制采用這種算法.

3 模糊控制

模糊控制器選擇的輸入變量為誤差E和誤差的變化EC，輸出變量為控制增量△U，因此它是一個二維模糊控制器.E、EC和△U的模糊集均為：

經過反復實驗調試，確定出E、EC和△U的基本論域分別為[-2.5,+2.5]、[-0.12,+0.15]和[-0.7,+0.7].選擇三角形隸屬函數作為E和EC的隸屬函數，△U則取單點模糊集，如圖3所示.

圖3 E、EC和△U的隸屬函數

經過大量的實驗調整得到的模糊控制規則如表1所示.在程序設計上，將表的模糊控制規則用一個名為control roles的二維數組表示，數組中元素的值對應于表中輸出變量△U的模糊子集，即：PB→0.7，PM→0.3，PS→0.1，O→0，NS→-0.1， NM→-0.3， NB→-0.7.

表1 模糊控制規則表

本文采用代數積—加權平均法進行模糊推理和反模糊處理，這種方法是將模糊控制規則前件隸屬度的乘積作為后件的隸屬度，輸出的精確值用下式求出：

式中，du表示輸出的增量，dui表示某個輸出的模糊子集所對應的數值，μ(dui)表示dui在輸出變量論域上的隸屬度.

綜合以上分析，最終編寫出的模糊控制程序框圖如圖4所示.

圖4 模糊控制子程序框圖

4 PC機程序界面設計

圖5 恒溫控制和變溫控制的程序界面

程序界面如圖5所示，其中圖5(b)是在恒溫控制時控制按鈕區的界面.為了同時顯示設定的溫度曲線和實測的溫度曲線，設置了兩個波形顯示控件：XY Graph和Waveform Chart.XY Graph用于顯示設定的曲線，Waveform Chart位于XY Graph的上層，大小和XY Graph一致，并且被設置為透明，用于顯示實時測量的溫度值.雖然可以用一個XY Graph來顯示兩條曲線，但是因為實測的溫度點數是不斷增加的，這就需要不斷地更新XY Graph界面，當設定值較多時更新界面將占有較多的時間，而且使程序復雜化.

在進行變溫控制時，有3種辦法可以設定溫度升降曲線.點擊“逐點設定”按鈕將彈出“逐點設定升溫降溫曲線”界面；點擊“鼠標繪圖”將彈出“鼠標繪制升溫降溫曲線”界面；點擊“載入數據”按鈕將彈出一個打開文件對話框，選擇一個預先寫好的*.TXT文件，就可以在前面板上看到設定的溫度曲線了，這種方式適合需要精確設定升溫降溫曲線的場合，例如可以把每一種材料的熱處理工藝曲線寫入一個文件中，方便以后的調用.程序還提供了保存數據的功能，保存的數據包括實驗開始時間、設定的溫度曲線和實測的溫度值.

5 結 論

基于LabVIEW設計的溫度控制器可以很方便地設定溫度升降曲線，且溫度控制精度高，恒溫控制時穩態誤差小于0.05 ℃，如圖6所示；變溫控制時跟隨誤差小于0.5 ℃，如圖7所示.

圖6 PID恒溫控制穩態誤差曲線 圖7 模糊變溫控制誤差曲線

[1]游伯坤，等.溫度測量儀表[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2]張化光，等.模糊自適應控制理論及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.7.

[3]曹剛.PID控制器參數整定方法及其應用研究[D].浙江大學碩士學位論文，2004.3.

[4]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002.9.

[責任編輯：徐明忠]

Fuzzy-PID temperature controller based on LabVIEW

WANG Hongchao

(Electrical and Mechanical Department,Xiamen Ocean Vocational College,Xiamen 361100,China)

In order to overcome the traditional resistance furnace operation complex and low accuracy of temperature control problems, formed a temperature control system based on LabVIEW, easy to set the temperature control curve, the temperature control precision is high, also has the functions such as saving data.Temperature control by using a modified PID control algorithm, The control effect is better than that of LabVIEW software library VI, greatly reduces temperature regulating time and no obvious overshoot.Variable temperature control using fuzzy control algorithm, strong adaptability, good dynamic response and high precision of temperature control.

temperature; Fuzzy control; PID; LabVIEW

2016-06-20

王紅超(1981—)，男，河南虞城縣人，廈門海洋職業技術學院講師，碩士，主要從事測控技術、機器人、嵌入式技術的研究.

TP399

A

1672-3600(2017)03-0029-05