基于Labview的模糊PID溫度控制系統(tǒng)

聶樂樂，李麗娟，王勁松，徐波，秦國愛

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

溫度控制在工程、生產(chǎn)和生活中應(yīng)用廣泛，在控制中經(jīng)常會(huì)遇到時(shí)變性強(qiáng)、滯后大、線性度差的受控對象［1］。傳統(tǒng)的溫度控制需要掌握受控對象的數(shù)學(xué)模型，很難確定PID的三個(gè)參數(shù)。本系統(tǒng)采用模糊PID控制，由于模糊PID不需要控制對象的數(shù)學(xué)模型而是通過實(shí)時(shí)測量的溫度值與設(shè)置溫度的差值作為控制量的大小，使不同的控制對象都能得到最佳的PID調(diào)整。采用PID控制克服了傳統(tǒng)溫度控制的缺點(diǎn)，又具有了精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性好的特點(diǎn)。上位機(jī)用Labview軟件設(shè)計(jì)的控制和顯示程序使得系統(tǒng)控制靈活、方便觀察。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件電路主要由Atmega16的最小系統(tǒng)、AD590的溫度采集電路、繼電器的控制電路、串口傳輸電路構(gòu)成。溫度傳感器選用線性度高的AD590溫度傳感器，靈敏度為1μA/℃。AD590隨溫度變化輸出的電流值通過信號處理電路轉(zhuǎn)化為電壓值，輸入到Atmega16的AD輸入口經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過串口傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)的模糊PID程序輸出控制量控制Atmega16輸出PWM波，PWM波控制加熱裝置，保證環(huán)境的溫度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 模糊PID原理

PID因結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、魯棒性好、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)在工程的控制中得到廣泛的應(yīng)用。模糊PID以溫度變化E和溫度變化率ΔE作為控制輸入量，以PID輸出量得到其修正值ΔKP，ΔKI，ΔKD［2］，并實(shí)時(shí)調(diào)整PID的參數(shù)值具體關(guān)系式如下所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

采用模糊PID控制可以獲得良好的實(shí)時(shí)特性，使得系統(tǒng)的溫度控制靈活、響應(yīng)度高。由于引入積分區(qū)別于普通的PI控制，可以消除靜態(tài)誤差。設(shè)計(jì)的原理如圖2所示。

圖2 模糊PID原理Fig.2 Principle of fuzzy PID

KP、KI、KD分別是比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)［4］，這三個(gè)參數(shù)的設(shè)定規(guī)則

1.當(dāng)E的絕對值取值較大的時(shí)候，為防止較大超調(diào)的系統(tǒng)響應(yīng)，KI=0，KP、KD的取值應(yīng)該盡量大。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table

2.當(dāng)E的絕對值取值大小適中的時(shí)候，為使系統(tǒng)具有的響應(yīng)超調(diào)比較小，KP的取值比較?。籏D的取值影響系統(tǒng)的響應(yīng)度。

3.當(dāng)E的絕對值較小的時(shí)候，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，KP與KI取值大，而此種情況下KD的取值嚴(yán)重影響系統(tǒng)的振蕩情況，所以取值很重要。

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，模糊控制規(guī)則如表1所示。

溫度控制系統(tǒng)將采集到的實(shí)時(shí)溫度信號與上位機(jī)設(shè)置的溫度值比較，獲得系統(tǒng)的輸入信號變量溫度偏差E和Ec，將其定義為模糊集上的論域：E、Ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}［5］。三個(gè)輸出控制量的修正值ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}［6］，集合中的各個(gè)元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大［7］。 ΔKP論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}，ΔKI論域{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，ΔKD論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}。其隸屬函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 隸屬函數(shù)曲線模型Fig.3 Curve model of menbership function

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的，LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是使用的圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。采用Labview設(shè)計(jì)可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能［6］。虛擬儀器價(jià)格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。

圖4 程序圖Fig.4 Program graph

本設(shè)計(jì)采用Labview編寫上位機(jī)串口傳輸程序和溫度的模糊PID控制程序。串口傳輸?shù)漠?dāng)前溫度值與設(shè)置溫度值比較確定PID控制的參數(shù)KP、KI、KD，通過串口在傳輸?shù)较挛粰C(jī)用來控制PWM波得輸出。程序圖如圖4所示。

溫度的顯示用Labview的波形和溫度計(jì)顯示控件，這樣可以直觀的顯示當(dāng)前溫度值和溫度的變化曲線，使得系統(tǒng)控制靈活，直觀性強(qiáng)。經(jīng)過多次的系統(tǒng)調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面圖Fig.5 PC interfac

從圖中可以看出系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果，當(dāng)設(shè)置溫度為30的時(shí)候測得環(huán)境的溫度變化曲線平滑，環(huán)境溫度控制精度高。由此可見本系統(tǒng)既具有控制靈活、適應(yīng)性比較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又保證了精度。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是在ICCAVR的編譯環(huán)境下，編寫的C語言程序，實(shí)現(xiàn)溫度的采集，并通過AVR單片機(jī)的ADC模塊，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。Atmega16對接收到的二制數(shù)與上位機(jī)發(fā)送的控制變量通過模糊PID控制PWM得輸出，輸出的PWM波通過繼電器來控制加熱棒的工作。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Process chart of program

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7給出了當(dāng)設(shè)定溫度為30°C的時(shí)候，采用模糊PID控制得到的溫度曲線。

圖7 仿真結(jié)果（T=30℃）Fig.7 Result of simulation(T=30℃)

從圖中可以總結(jié)出，該系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能，時(shí)變性好，對純滯后、非線性的一階大慣性系統(tǒng)可以取得很好的效果。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用上位機(jī)模糊PID控制PWM波輸出，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。在調(diào)試的過程中運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、精度高、應(yīng)用廣泛。并且采用模糊PID提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

［1］王吉龍.基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)［J］.電子工程師，2008，54（5）：77-79.

［2］陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1998，1：72-75.

［3］李濤，王圓妹.基于PWM的模糊PID溫度控制系統(tǒng)研究［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（10）：32-34.

［4］PASSION KM，YURKOVICH S.Fuzzy control［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001：374-378.

［5］張浩宇，姜濤.基于模糊PID控制的摩擦負(fù)載系統(tǒng)的研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011：34（2）：67-70.

［6］周黎英，趙國樹.模糊PID控制算法在恒速升溫系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀器儀表學(xué)報(bào).2008.29（2）33-35.

［7］LIU D X.PID control and program realizeing method［J］.Chinese Joumal of Neijiang Teacher’s Colleage，2005，20（6）：20-23.