智能溫度模糊控制PID系統設計

李 雪，劉 燕（通訊作者），朱二光，馬 欣

（大連民族大學 信息與通信工程學院 遼寧 大連 116600）

1 引言

針對一些非線性、不確定性控制系統，常規的PID控制效果不理想的缺點，提出了一種模糊自整定PID溫度控制系統設計，利用模糊邏輯控制對溫度進行在線調整，滿足其控制要求。該系統可全面實現全自動化、無人化，都可減少可控因素帶來的損失，利用溫度感應器、報警器、人機接口，通過對單片機的控制實現智能自動控溫，解決由于溫度控制不穩定而帶來的一系列問題。

2 模糊PID控制算法

在傳統PID控制算法的基礎上，引入PID參數自整環節，通過設定的糊控制規則，利用控制參數誤差E和誤差變化Ec作為控制輸入，來實現控制參數的自適應整定，以滿足不同的溫度控制時段對E和EC參數要求。

模糊PID控制算法是利用模糊集合理論，構建參數KP、KI、KD與誤差變化EC間的函數關系：

KP、KI、KD參數在自整定時，通過定時檢測E和Ec的數值，按照模糊控制規則在線自整定控制參數，以滿足不同溫度控制時段的控制要求，使受控的溫度控制系統獲得良好的動態和靜態特性。圖1中為基于模糊控制規則的在線PID參數自整定原理。

圖1 PID參數模糊自整定控制原理Fig.1 Control diagram of PID parameter fuzzy self-tuning

3 基于單片機的溫度模糊控制器的硬件系統組成

根據模糊溫度控制系統的功能要求，該控制系統有單片機、前向通道、后向通道、人機交互和安全模塊組成。其中前向通道是指被測系統的溫度傳感器檢測到的信號輸入到單片機最小控制系統的通道，包括溫度傳感器信號采集、放大及濾波等環節。后向通道是單片機控制系統對被控對象的輸出控制通道，包括信號光電隔離、功率放大驅動及控制執行等環節。人機交互用來實現用戶與系統交互的通道，包括系統的溫度控制和實時溫度顯示，以及系統報警和“看門狗”功能。

4 溫度糊控制器前向通道設計

單片機模糊控制器的前向通道由溫度傳感器、溫度變送器和A/D轉換器等部分組成。根據系統控制精度，溫度傳感器采用鎳鉻/鎳硅熱電偶實現，其溫度檢測范圍為0～1300攝氏度，對應的電壓信號輸出范圍為0～52.37毫伏；為了保證其輸出的信號能夠變為0～5V標準模擬信號，在A/D采集之前必須增加溫度變送器環節，這里采用DBW型溫度變送器，實現毫伏信號經放大的標準輸出。鑒于溫度信號輸出為非線性輸出，需要進行軟件方面的非線性關系的修正，來確保輸入毫伏信號與溫度之間的線性關系。圖2是ADC0801與單片機最小系統的接口電路設計。

圖2 ADC0801與單片機的接口設計Fig.2 Interface design of ADC0801 and SCM

5 溫度模糊控制器后向通道設計

后向通道是對溫控對象執行操作的輸出通道，依據單片機的自整定后輸出的控制策略對爐溫系統進行輸出控制，爐溫輸出輸出控制范圍采用可控硅交流調功方式實現，即在固定輸出周期內，改變加熱負載上交流電壓輸出周波數目來調節負載的發熱量。為使控制輸出電路設計簡化，執行電路輸出設計采用過零檢測電路，通過開關量控制可控硅在交流過零點導通和關斷。具體電路如圖3所示。

圖3 輸出通道設計Fig.3 Output channel design

6 溫度模糊控制器的軟件實現

6.1 溫度模糊控制器主程序設計

模糊控制器軟件設計包括數據采集、溫度顯示、參數整定的推理及串行通信等部分。圖4就是單片機模糊控制器主程序流程圖。

圖4 主程序結構圖Fig.4 Structure diagram of main program

6.2 溫度模糊控制器的算法設計

為滿足單片機模糊控制器的實時性要求，采用合成推理查表法的模糊控制算法。圖5為模糊控制器算法程序框圖。

圖5 合成推理查表法程序框圖Fig.5 program chart of composite inference look-up table

模糊控制表的合成推理查表法的實現原理為：依據溫度實時采樣得到的輸出信息y(k)，從而獲得當前偏差信號e(k)及偏差變化信號ec(k)，先經過限幅處理，再經過信號的量化輸出E和EC。依據當前的E和EC，查模糊控制表則能得到控制量的變化Δu。把此變化值乘以比例因子后得到當前控制量的實際增量輸出。

7 結語

利用本文所設計優化型溫度模糊控制器，工業電阻爐的溫度控制取得了比較好的控制效果，該系統具有較快的升溫速度，超調小，控制精度在士2℃范圍之內，具有較強的環境擾動抑制能力，系統運行可靠穩定。