基于模糊PID的溫度控制系統設計分析*

新疆石河子職業技術學院 新疆 石河子 832000

隨著工業化進程的發展，溫度控制系統在工業生產中的應用越來越廣泛。其結構也隨著功能需求的增加，越來越復雜。常見的工業溫度控制系統普遍存在非線性、慢時變和純滯后等顯著特征[1]。常見PID控制的參數往往具有可變性、整定性差、關聯性、不確定性、對運行環境適應性差，導致溫度控制器效果不佳。具有參數自整定優勢的模糊控制PID算法對這一點具有顯著的提升效果。本設計主要利用模糊邏輯算法，將溫度作為首要的調控對象，借助MATLAB中的仿真工具箱對常規PID和模糊PID曲線進行對比分析，結合結果，針對常見問題提出改進方案，對溫度控制系統進行改進設計。

1 PlD控制算法概述

1.1 常規PID控制原理

PID控制器較為簡單，其工作原理是一種線性控制方式，根據系數變動而發生變化。通過控制器發生比例作用（P）、微分作用（I）、積分作用（D），將3項結果相加，就可得到控制器輸出參數。3個參數各司其職，比例部分可以消除微差，微分部分可幫助減少靜態誤差，積分部分可幫助縮短調節時間[2]。這3個變量如能完美搭配，可呈現出極好的控制效果，使溫度控制系統運行快捷、功能穩定，準確地將對象的溫度調整到理想狀態，實現溫度控制目標。

1.2 常規PID控制器缺陷

然而常規的PID控制器具有的滯后性、時變性使得參數不穩定，無法在規定時間內獲取一個穩定的值，相應的各項參數誤差過大，無法達到目標控制效果，嚴重地甚至會引發設備故障，影響產品質量和項目進度，造成生產損失。基于此，模糊控制算法應運而生。

1.3 模糊PID

（1）模糊控制的原理。模糊控制的原理是結合基于模糊控制算法的PID參數整定與模糊理論，利用PID的3個參數對其加以整定，進而構建一個功能完善、參數變化相對穩定的PID控制器。模糊控制算法是將模糊化的控制規則存儲在系統的控制設備中，這些控制規則主要是熟練技術人員的實踐操作經驗和一些專家提出的設計理念，可視為一種規則庫。當使用模糊控制器時，系統會將傳感器回傳的監測信號進行模糊化分析，并在規則庫中進行實時對比分析，匹配后得出最終的輸出信號。這一控制器主要由模糊集理論、模糊語言的變量和模糊控制算法的識別與邏輯推理3個模塊構成。

（2）模糊自適應原理。一般來說，模糊自適應PID是通過模糊推理誤差和誤差變化率，并將推理結果與模糊規則庫中的數據和規則進行對比分析，進而進行參數的整定。這一環節主要是根據傳感器信號經過不斷的修正過程，最終確定3個修正后的參數數值，使得輸出的信號更精準，最后達到的控制效果才能滿足預期。

2 模糊PlD在溫度控制器中的具體應用

溫度控制系統是應用PID控制器為控制核心最常見的一種設備。對溫度的控制實際是將溫度數值作為調控目標。目前，常見的應用是模糊自整定參數調整。

常見的溫度控制系統由溫度采樣結構、反饋電路、半導體制冷器、驅動電路以及保護電路組合而成[3]，多采用單閉環形式。工作流程如下：

2.1 溫度采集與調控過程

首先，設定一個初始值，啟動設備后，溫度采樣設備會通過反饋電路向控制器傳輸一個信號值。其次，反饋的設置和初始設定值基于PID運算后會獲得一個溫度輸出控制值，這一數值經過驅動電路會獲得一個控制電壓，也稱控制信號，其會直接被傳送至半導體制冷器。最后，被用于控制該設備的工作狀態和功率值，進而精確調控溫度系統的輸出值，數值波動較小，誤差相對常規PID控制器要小得多，達到的溫度值更為理想。

2.2 水溫控制系統應用PID控制器的調控原理

以本設計提出的水溫控制器為例。分兩種情況進行解析：第一，當水溫控制設備開始運行，傳感器（溫度采樣結構）信號會先傳輸到模糊PID控制器中，當前溫度如果低于設定值，反饋電路會通過固態繼電器打開加熱開關，對水進行加熱，然后將水輸送至水箱，水流經內置的溫度傳感器，會傳遞一個溫度信號給模糊控制器。并且這一溫度信號穩定，可使實際溫度與目標溫度長時間一致，極大地方便了生產和生活。第二，當水溫高于設定值，信號會分為兩組，第一組會通過仿真信號模擬控制器作用于角度控制器，使制冷模塊的輸出功率得以控制，第二組溫度信號會進入可編程邏輯控制器，基于PLC綜合判斷結果來決定輸出方式。一般可分為單路和雙路輸出。雙路輸出的制冷效果會比單路輸出的效果更好，具體要根據設定的目標溫度數值確定。在線PID的參數自整定可滿足控制溫度快、數值精準、調節時間短等要求。

3 結束語

本文提出的基于模糊PID的溫度控制系統，實際也是一種基于繼電器反饋的參數自整定PID控制系統，其能實現在線自適應調整輸出參數，用于工業溫度控制系統的控溫效果顯著。隨著科技發展，逐漸出現了基于人工智能、遺傳理論的更深層次的復合模糊控制算法，這些技術必將為PID的長遠發展添加助力。