基于自整定PID的溫度控制器設計

楊振元+關艷翠+趙碩偉

摘 要：為進一步提高工業生產過程中的溫度控制精度，本文以工業電阻爐的溫度控制器設計作為主要月那就內容，通過對系統的模糊化原理進行闡述和分析，進而對基于AT89C52單片機的溫度電阻爐的模糊控制規則與模糊PID參數自整定方法展開了深入研究。

關鍵詞：AT89C52單片機；溫度控制器；模糊自整定PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.002

0 前言

對模糊控制進行分析可知，其通過對人類的模糊性行為進行模仿，并在操作人員自然語言式經驗總結的基礎上，從而實現對輸出輸出變量的控制，將其與常規PID控制進行有積結合，并利用模糊推理判斷的相關思維，對PID參數展開在線自整定處理，對于實現工業過程的精確控制具有重要意義。

1 系統控制原理

對基于自整定PID的溫控系統原理進行如下分析：在一般PID算法的支持下，計算出既有系統的偏差與偏差變化率，分別以e和ec予以表示，根據模糊個則，展開e和ec的模糊推理，同時，實現對各類參數（主要包括KP、KI和KD，均為輸出語言變量）的在線自整定。相關步驟為：將語言變量選定為e和ec，并定義以下幾種模糊狀態，分別為負強、負中、負弱、零、正弱、正中、正強，并分別以NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB予以表示，并設定各模糊狀態下組成的論域以{-1，-2，-3，0，1，2，3}表示，以正弱、正中、正強表示KP、KI和KD三個模糊狀態，相應地，其所對應的論域則表示為{1，2，3}[1]。

自整定PID參數的控制規則如下：（1）系統溫升過慢或溫差變化較小，則增加KP；（2）若系統溫升較快且難以達到穩定值，則增加KI；（3）若當溫度值相對穩定時，系統溫度輸出存在波動，則應增加KD；（4）若控制器輸出對干擾信號的反應具有較強的敏感性，則應適當減小KD。根據這一規則進行相應的操作，具體操作方法為，在不同e、ec情況下，歸納論域為{1，2，3}的三個輸出變量的自整定要求，并以一具體采樣時刻對應的偏差及其變化率計算三個輸出變量，具體計算形式分別如式1、式2和式3所示。

2 模糊自整定PID控制器硬件設計

硬件結構以AT89C52作為主要控制器件，對AT89C52單片機進行分析可知，其主要是由256B的RAM與一支持反復擦寫的8kb只讀存儲器構成，其實質是一個8K字節閃爍且可編程和可擦出的只讀存儲器向外延伸的具有較低電壓和較高電能的CMOS8位處理器，對于單片機本身而言，其通過應用ATMEL的高密度非易失現代存儲器生產技術，在兼容MC-51這一通用工業標準的同時，也能夠對相關指令集予以兼容[2]。筆者所設計的溫度控制器擴展8kb數據存儲器使其隨機存取器的容量達到264B，在并行接口電路8155A芯片的支持下將顯示電路、AD數模轉換器和鍵盤予以擴展，在進行數模轉換后，實現R-232C標準接口通信電路的工作。在控制器方面，其具體工作過程為：單片機對由溫度傳感器傳出的電壓信號進行采集，通過對數據處理程序進行調用進行A/D轉換，將當前溫度值予以顯示，并將這一數值傳至上位機，對于采樣值而言，其則在單片機模糊推理獲得具體控制值后，由單片機將具體的溫度控制信號發送至執行機構。

3 基于自整定PID的溫度控制器軟件設計

首先，給出系統主程序的設計方法，其主要由三種中斷組成，即串行通信中斷、溫度傳感器采樣溫度信號中斷和初始溫度終端服務程序，每次在計算機完成溫度采集后，則會發出相應的穿串行通信信號的請求，并將所采集的溫度信號傳送到和系統相連的上位機中予以顯示。

其次，是對定時器中斷服務子程序進行設計，設置定時器的采樣周期，在此過程中，考慮到電阻爐自身是純滯后的延時系統，因此，為進一步提升系統穩定性，經考慮后，以8s作為單片機采樣的具體時間間隔，而在抵達預先設定的時間后，則會由定時器將中斷請求信號傳至單片機中，單片機在接收到這一信號后，便會進入執行采樣的終端程序。最后，是對模糊推理子程序的設計。控制器以雙輸入、單輸出控制器為主，溫度控制計算的具體步驟為：首先，對誤差及其變化率的論域以及相關控制量的論域予以控制，并劃分具體論域的實際變化范圍，對于具有較高控制精度要求的PID溫度控制器，可將相應的變化范圍劃分為7檔，并確保各檔同其所在論域中的某一元素相對應，至此，PID溫控系統當中的實際測量參數則可被量化成論域所包含的元素[3]。其次，系統以離線計算的方式生成模糊控制表，在系統運行過程中，單片機主程序中斷，而相應的查表子程序則被執行，進而獲得最終控制量。

4 結論

本文通過基于模糊自整定PID控制器的控制原理進行闡述和分析，進而對以AT89C52單片機為主的模糊自整定PID控制器的硬件部分進行設計，在此基礎上，對基于自整定PID溫度控制器的軟件部分展開了詳細地設計和分析。研究結果表明，模糊自整定PID溫度控制器通過將模糊控制規則與PID控制進行結合，能夠有效提高溫度控制器的控制精度。未來，還需進一步加強對自整定PID溫度控制器的設計與研究，為提高工業生產過程中溫度控制的穩定性和精度奠定良好基礎。

參考文獻：

[1]李巖，唐重和，劉克平.基于ARM9Linux系統的模糊自整定PID溫度控制器的設計[J].長春工業大學學報（自然科學版），2013，03（14）：252-257.

[2]王偉.熱處理爐模糊自整定PID溫度控制器的設計及其仿真[J].常熟高專學報，2013，06（08）：47-49.

[3]牟贇，侯力，王炳炎等.基于Matlab的2種Fuzzy-PID控制器的設計與仿真[J].機械與電子，2013，01（19）：70-72.