在線自整定模糊PID溫度控制系統設計

應杰

摘要： 基于溫度控制，其是一個包含時滯性、非線性的負載系統。傳統方法對其進行控制效果不能很好地達到要求。因此，本研究設計一種通過使用模糊自整定控制的方法進而實現對溫度進行控制的系統，并且可依據溫度差異和變化率及時整定控制器的系數。系統以分布式控制系統（簡稱DCS系統，本文采用重慶川儀自動化股份公司PAS300分布式控制系統）為控制主體，利用溫度傳感器對溫度進行收集，通過控制電加熱爐加熱時的功率或者蒸汽管道的流量從而控制溫度。并在環境下，搭建模糊自整定控制器仿真模型，依據該仿真發現此方法比傳統的控制方法具有更好的穩健性，能完成較好的溫度管控。

關鍵詞：在線自整定;模糊溫度控制; 分布式控制系統

隨著科學技術及工業技術的不斷進步與發展，溫度控制成為了工業生產領域的主要組成部分。在目前來說，我國工業生產的自動化程度較低，特別是溫度控制PID的自控率較低，所以每一個步驟基本上都是通過人工進行的。由于人工的效率低，準確度不高進而影響到工業產品的生產效率和品質。如今，分布式控制系統技術被廣泛應用到各個領域，為人們日常生產生活帶來了方便。本研究將分布式控制系統應用到溫度控制，對溫度進行智能化管控，繼而滿足產品對于溫度的需求，從而盡可能的提升產品品質和經濟效益。另外，本研究還提出一種模糊自整定控制方法，利用模糊控制規則，對控制器三個參數進行平衡，從而使其達到最佳管控狀態。

一、系統簡介

在工業生產溫度反應工程中，必須要經過熱源的幫助才能對反應溫度進行管控。一般工業生產情況下，使用電加熱器或者熱蒸汽作為熱源，調整電加熱器的加熱功率或者熱蒸汽流量大小對溫度進行控制。重慶川儀自動化股份公司PAS300分布式控制系統控制器DUP6310/DP6410采用英國ARM Cortex-A8 32位高速處理器為中心，通過使用溫度傳感器對實時溫度進行測量，通過溫度模塊采集，然后上傳到控制器中，與之前設定好的溫度進行相關計算，在控制器中會計算出一個控制信號，再經過D/A轉換模塊發送到溫度控制器中，進而對電加熱爐的加熱功率進行有效控制，從而對產品溫度進行調節。

二、系統硬件設計

溫度控制系統硬件包含了溫度采集模塊、溫度設定和顯示模塊、核心控制模塊、D/A 轉換模塊（模擬量輸出模塊）。

（一）核心控制模塊

本系統采用的DPU6310作為控制器，其是重慶川儀控制系統有限公司上海分公司所生產的一種低消耗、高功能的控制器，CPU采用ARM9 A8，主頻達到600MHz，內存256MB。方便用戶使用，在控制器芯片上擁有靈活的可編程，從而讓控制器為更多的嵌入式管控應用系統提供敏捷、可靠的解決方案。

（二）溫度采集模塊

本研究通過使用6110溫度模塊實現溫度信號的采集，可測得溫度范圍在-200℃～800℃準確度高達0.5%，滿足系統對于溫度的要求.信號采集如圖1。

（三）模擬量輸出模塊

溫度控制輸出模塊采用的是AO6110，模塊每通道預留2位接線端子輸出至現場信號，可輸出4～20mA電流信號。信號輸出如圖2。

三、控制算法設計

（一）模糊論域及隸屬度函數

對于溫度真實值與目標值之間的誤差和誤差變化率都是模糊控制的輸入參數，控制器的參數的修正量為輸出參數。對于其語言變量模糊子集都選用。其中代表的是負大， 代表的是負中，代表的是負小， 代表的是零，代表的是正小，代表的是正中，代表的是正大。其次，它們的模糊論域均取為以及在模糊子集中對于隸屬度函數選擇了三角形，隸屬度函數如圖 3所示。

（二）制定控制規則

在傳統的控制中，比例系數作用就是加快系統的反應速度，進而提高準確度;積分系數的作用是解除系統的平衡性誤差;微分系數的作用是優化系統的靈活特性，進而有效的控制偏差向其他方向發生變化。對于模糊控制的規則來說，其是依據產品的溫度要求規律以及相關人員積攢的經驗，加之對溫度控制進行綜合性思考以及對不同環境因素其他方面的影響而創建的關系表。通過仔細的分析和研究，基于溫度控制系統情況下采用控制器三個參數調整量的模糊規則。

（三）輸出信息的解模糊

在溫度控制過程中，經過對模糊邏輯進行相關縝密的推理之后，進而得到的三個控制參數的模糊集合，但是這三個參數不能當作準確值直接的輸出而是需要通過解模糊之后才可以。本研究在解模糊的過程中選用的是重心方法，將輸出量先進性性細化，然后再轉化成精確量，隨后把結果放入到模糊控制查詢表中并存在控制器DPU6310中。在系統運行過程中，需要對表格進行查詢進而對輸出量進行確認，從而避免資源浪費，提升了整個系統的反應速度。

四、算法仿真及分析

（一）仿真模型

在使用環境當中要分別的創建模糊自整定控制系統和常規控制系統，然后對兩者的仿真曲線進行相關性對比與研究，仿真模型如圖4所示。

（二）仿真結果及分析

經過時常的仿真，得到如圖 5 所示的溫度曲線。通過圖5所示仿真曲線，得出在仿真結果條件下，模糊自整定控制器所獲得的系統響應曲線在峰值時間和超調量都要比傳統的 控制器要好很多，說明了模糊自整定 控制器具有反應快、性能好的優點。

結論

綜上所述，本文主要是在重慶川儀自動化股份有限公司PAS300分布式控制系統基礎上實現了一個溫度控制部分，該系統具有架構簡單、性能較高的特點。對于復雜的溫度控制系統來說，提出了模糊自整定控制算法，并在的環境中進行模型的建立和仿真。通過結果表明，模糊自整定控制器相較于常規控制器系統具有更好的穩定性能，符合當前對溫度控制需求，具有較強的可行性。

參考文獻

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