模糊控制在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

權(quán) 悅，國(guó) 海

(安徽科技學(xué)院 工學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

模糊控制在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

權(quán) 悅，國(guó) 海

(安徽科技學(xué)院 工學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

根據(jù)材料拉伸試驗(yàn)對(duì)加熱爐的控制要求，本文設(shè)計(jì)了一種 PID控制與模糊控制相結(jié)合的智能恒溫控制系統(tǒng)．系統(tǒng)的核心控制單元采用具有模糊指令的MC9S12DG128單片機(jī)，通過在線模糊推理來實(shí)時(shí)調(diào)整PID的控制權(quán)重，實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的分段控制．實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有較好的控制性能．

模糊控制；恒溫；MC9S12DG128

溫度是影響材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要因素之一，因此爐溫的控制在拉伸試驗(yàn)中就顯得尤為重要．目前，電加熱爐是拉伸試驗(yàn)常用的加熱器材，一般采用常規(guī) PID控制．由于溫度控制對(duì)象大多具時(shí)變性、大滯后等特性，采用常規(guī)的PID控制很難做到各參數(shù)的優(yōu)化組合，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制特性．模糊控制是目前應(yīng)用較為廣泛的控制技術(shù)，它可以依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)，把系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性用模糊量和模糊關(guān)系函數(shù)來表示，具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠較好地適應(yīng)溫控系統(tǒng)[1]．

1 恒溫加熱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的工作要求，筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)機(jī)拉伸加熱控制系統(tǒng)由溫度智能控制模塊、驅(qū)動(dòng)控制電路2部分組成，如圖1．其中控制模塊以Freescal半導(dǎo)體公司的MC9S12DG128為核心，主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理以及PWM的輸出控制．MC9S12DG128是一種16位的單片機(jī)，內(nèi)部集有8路的16位A/D轉(zhuǎn)換器和8路獨(dú)立的PWM控制器，可以有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)并且易于擴(kuò)展；并支持模糊指令，可以方便地實(shí)現(xiàn)模糊運(yùn)算程序．驅(qū)動(dòng)控制部分主要是通過 PWM來改變可控硅的導(dǎo)通角，改變加熱爐在一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制溫度的變化．

圖1 恒溫加熱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的控制方案

在本系統(tǒng)中我們根據(jù)輸入偏差和偏差變化率的關(guān)系，通過模糊推理得到不同階段 PID輸出的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)PID的分段控制[2-3]，以便使其能更好地適應(yīng)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)變化的要求，控制方框圖如圖2所示．

2.1 控制策略

由于被控對(duì)象是一個(gè)連續(xù)變化的溫升曲線，且具有延遲大、純滯后的特性，所以在控制過程中根據(jù)不同的偏差調(diào)節(jié)PID的輸出權(quán)重，如圖3所示．

由圖 3可以看出，T1段的溫度偏差 E＞0，偏差變化率 ΔE＞0，說明當(dāng)前溫度值低于給定值，且誤差的絕對(duì)值朝減小的方向變化．在這個(gè)區(qū)域總的控制策略是在起始階段，增大PID控制的輸出，使加熱爐迅速升溫；隨著溫度的不斷升高，在逐漸削弱PID控制的輸出權(quán)重．

圖3 溫控對(duì)象的特性曲線

由上圖可以看出，T1段的溫度偏差 E＞0，偏差變化率 ΔE＞0，說明當(dāng)前溫度值低于給定值，且誤差的絕對(duì)值朝減小的方向變化．在這個(gè)區(qū)域總的控制策略是在起始階段，增大PID控制的輸出，使加熱爐迅速升溫；隨著溫度的不斷升高，在逐漸削弱PID控制的輸出權(quán)重．

T2段的溫度偏差 E＜0，偏差變化率 ΔE＞0，說明當(dāng)前溫度值大于給定值，誤差絕對(duì)值朝增大的方向變化．由于本燒結(jié)爐系統(tǒng)無制冷裝置，采用零輸出控制策略，使溫度迅速下降．

T3段的溫度偏差 E＜0，偏差變化率 ΔE＜0，說明當(dāng)前溫度值仍大于給定值，但誤差變化的趨勢(shì)是漸小的．這時(shí)將逐漸增加PID控制器的權(quán)重．

T4段的溫度偏差 E＞0，偏差變化率 ΔE＜0，說明當(dāng)前溫度值低于給定值，誤差變化趨勢(shì)漸大．此時(shí)將設(shè)定PID輸出權(quán)重為重大，使其飽和以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度時(shí)間．

以上是我們?cè)谡{(diào)節(jié)電熱爐溫度時(shí)所采取的控制的策略，通過人為的改變PID控制器的輸出權(quán)重，以適應(yīng)系統(tǒng)快速性的要求．當(dāng)爐溫的變化曲線處于CD之間時(shí)，認(rèn)為加熱爐處于保溫階段．此時(shí)，我們僅采用PID控制來穩(wěn)定爐溫，即在這個(gè)區(qū)域PID控制器的輸出權(quán)重為1．

2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器由兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出變量組成，輸入變量分別為溫度的偏差E和偏差變化率ΔE，偏差E取值為NB、NS、O、PS、PB，偏差變化率ΔE取值為NB、NS、O、PS、PB，輸出語(yǔ)言變量為PID的輸出權(quán)重U，它的取值為O、PS、PM、PB[5]．結(jié)合上面的分析并參考人工經(jīng)驗(yàn)，我們可以得到 PID輸出權(quán)重U的模糊規(guī)則表(表1)．

表1 模糊控制規(guī)則表

在模糊控制的具體實(shí)現(xiàn)過程中，我們沒有采用常用的離線推理方法，而是利用MC9S12DG128所特有的模糊指令來實(shí)現(xiàn)在線推理，計(jì)算流程如圖4所示．S12的模糊指令主要包括MEN、REV、REVN和WAV 4條指令[6]，其具體用法如下：

圖4 S12模糊指令執(zhí)行流程

1) MEN指令是單個(gè)隸屬度函數(shù)計(jì)算的核心指令，有它將過程變量變成模糊輸入．每個(gè)隸屬度函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須用4個(gè)字節(jié)無符號(hào)數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述：即{起點(diǎn)的X坐標(biāo)，終點(diǎn)的X坐標(biāo)，前沿斜率，后沿斜率}，這里起點(diǎn)和終點(diǎn)的X坐標(biāo)均采用類似歸一化的數(shù)值，即必須將輸入的范圍映射到$00-$FF中去；前后沿斜率的符號(hào)固定不變，只需要給出具體數(shù)值，斜率為無窮大的時(shí)候，用$00表示．隸屬函數(shù)通?？梢杂脭?shù)組的方式進(jìn)行表示：const uchar INPUT_MFS_E[N1][4]={ a1,a2,a3,a4……}．其中N1為變量論域的個(gè)數(shù)，(a1，a2，a3，a4)4個(gè)數(shù)字就可以來表示一個(gè)形狀為三角形或梯形的隸屬函數(shù)．通過 MEN指令調(diào)用上面的數(shù)組就可以完成輸入量的模糊化處理．

2) REV 指令是規(guī)則推理的核心指令，由他根據(jù)模糊輸入確定模糊輸出．所謂模糊邏輯的規(guī)則就是一個(gè)模糊邏輯表達(dá)式，如：IF E is NB AND ΔE is NB THEN U is PS．一般我們也是用數(shù)組的方式來表示這種推理關(guān)系，如：const uchar RULE_START[5N2+1]={ (N2*0)+0,(N2*1)+0,0xfe,(N2*0)+0+ N1,0xfe, …0xff}．其中N2為模糊推理的規(guī)則數(shù)．在數(shù)組中“oxfe”是分割標(biāo)志，每?jī)蓚€(gè)“oxfe”表示一條規(guī)則，第一個(gè)“oxfe”前的數(shù)值表示輸入量的關(guān)系，第二個(gè)“oxfe”前的數(shù)值表示此時(shí)的輸出．“0xff”是推理結(jié)束標(biāo)志．

3) WAV指令是解模糊階段的核心指令，使用重心法與EDIV指令配合完成模糊輸出到控制輸出的變換．

對(duì)于PID控制器本系統(tǒng)采用了常用的增量式PID算法．我們?cè)O(shè)定模糊控制器的輸出為u，PID的輸出為f，那么整個(gè)控制器的輸出為uf，這樣就可以基本實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐的分段控制．

本文結(jié)合材料拉伸試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)了一種采用模糊與PID控制相結(jié)合的加熱爐恒溫控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)以應(yīng)用于材料拉伸試驗(yàn)中，實(shí)踐表明這種控制系統(tǒng)兼顧了上述2種控制策略的優(yōu)點(diǎn)，有效的地改善了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性．

[1] 湯兵勇,路林吉.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2002:67-70.

[2] 李向華,張小芳,陸起涌.模糊控制在恒溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2003, 24 (4): 351-353.

[3] 俞紅衛(wèi).一種PID控制與模糊控制相結(jié)合的智能溫度控制系統(tǒng)[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2007,7(2): 106-109.

[4] 孫桂玲,金鎮(zhèn).基于LMS算法自調(diào)整模糊溫度控制器的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(11):3108-3110.

[5] 車暢,胡丹,鄧成中.溫度模糊控制器設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(5):93-94.

[6] 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:234-245.

Abstract:Based on the requirement of the material tensile test, the paper designs an intelligent thermostatically controlling system with PID control and Fuzzy control. The system applies MC9S12DG128 as its key part. It can realize segment control by automatically tuning the weight of PID through the fuzzy algorithm. The result shows that the system has perfect dynamic performance.

Key words:fuzzy control; constant temperature; MC9S12DG128

(責(zé)任編校：李建明英文校對(duì)：李玉玲)

The Application of Fuzzy Control in a Constant Temperature System

QUAN Yue, GUO Hai

(Engineering Institute, Anhui Science and Technology University, Fengyang, Anhui 233100,China)

TP273

A

1673-2065(2011)01-0102-04

2010-09-25

權(quán) 悅(1981-),男,山東濟(jì)寧人,安徽科技學(xué)院工學(xué)院教師,工學(xué)碩士;

國(guó) 海(1973-),男,黑龍江伊春人,安徽科技學(xué)院工學(xué)院副教授,工學(xué)碩士.