基于自整定PID的溫度控制器設(shè)計

楊振元+關(guān)艷翠+趙碩偉

摘 要：為進一步提高工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度控制精度，本文以工業(yè)電阻爐的溫度控制器設(shè)計作為主要月那就內(nèi)容，通過對系統(tǒng)的模糊化原理進行闡述和分析，進而對基于AT89C52單片機的溫度電阻爐的模糊控制規(guī)則與模糊PID參數(shù)自整定方法展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：AT89C52單片機；溫度控制器；模糊自整定PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.002

0 前言

對模糊控制進行分析可知，其通過對人類的模糊性行為進行模仿，并在操作人員自然語言式經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，從而實現(xiàn)對輸出輸出變量的控制，將其與常規(guī)PID控制進行有積結(jié)合，并利用模糊推理判斷的相關(guān)思維，對PID參數(shù)展開在線自整定處理，對于實現(xiàn)工業(yè)過程的精確控制具有重要意義。

1 系統(tǒng)控制原理

對基于自整定PID的溫控系統(tǒng)原理進行如下分析：在一般PID算法的支持下，計算出既有系統(tǒng)的偏差與偏差變化率，分別以e和ec予以表示，根據(jù)模糊個則，展開e和ec的模糊推理，同時，實現(xiàn)對各類參數(shù)（主要包括KP、KI和KD，均為輸出語言變量）的在線自整定。相關(guān)步驟為：將語言變量選定為e和ec，并定義以下幾種模糊狀態(tài)，分別為負強、負中、負弱、零、正弱、正中、正強，并分別以NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB予以表示，并設(shè)定各模糊狀態(tài)下組成的論域以{-1，-2，-3，0，1，2，3}表示，以正弱、正中、正強表示KP、KI和KD三個模糊狀態(tài)，相應(yīng)地，其所對應(yīng)的論域則表示為{1，2，3}[1]。

自整定PID參數(shù)的控制規(guī)則如下：（1）系統(tǒng)溫升過慢或溫差變化較小，則增加KP；（2）若系統(tǒng)溫升較快且難以達到穩(wěn)定值，則增加KI；（3）若當(dāng)溫度值相對穩(wěn)定時，系統(tǒng)溫度輸出存在波動，則應(yīng)增加KD；（4）若控制器輸出對干擾信號的反應(yīng)具有較強的敏感性，則應(yīng)適當(dāng)減小KD。根據(jù)這一規(guī)則進行相應(yīng)的操作，具體操作方法為，在不同e、ec情況下，歸納論域為{1，2，3}的三個輸出變量的自整定要求，并以一具體采樣時刻對應(yīng)的偏差及其變化率計算三個輸出變量，具體計算形式分別如式1、式2和式3所示。

2 模糊自整定PID控制器硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)以AT89C52作為主要控制器件，對AT89C52單片機進行分析可知，其主要是由256B的RAM與一支持反復(fù)擦寫的8kb只讀存儲器構(gòu)成，其實質(zhì)是一個8K字節(jié)閃爍且可編程和可擦出的只讀存儲器向外延伸的具有較低電壓和較高電能的CMOS8位處理器，對于單片機本身而言，其通過應(yīng)用ATMEL的高密度非易失現(xiàn)代存儲器生產(chǎn)技術(shù)，在兼容MC-51這一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時，也能夠?qū)ο嚓P(guān)指令集予以兼容[2]。筆者所設(shè)計的溫度控制器擴展8kb數(shù)據(jù)存儲器使其隨機存取器的容量達到264B，在并行接口電路8155A芯片的支持下將顯示電路、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器和鍵盤予以擴展，在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)R-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通信電路的工作。在控制器方面，其具體工作過程為：單片機對由溫度傳感器傳出的電壓信號進行采集，通過對數(shù)據(jù)處理程序進行調(diào)用進行A/D轉(zhuǎn)換，將當(dāng)前溫度值予以顯示，并將這一數(shù)值傳至上位機，對于采樣值而言，其則在單片機模糊推理獲得具體控制值后，由單片機將具體的溫度控制信號發(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)。

3 基于自整定PID的溫度控制器軟件設(shè)計

首先，給出系統(tǒng)主程序的設(shè)計方法，其主要由三種中斷組成，即串行通信中斷、溫度傳感器采樣溫度信號中斷和初始溫度終端服務(wù)程序，每次在計算機完成溫度采集后，則會發(fā)出相應(yīng)的穿串行通信信號的請求，并將所采集的溫度信號傳送到和系統(tǒng)相連的上位機中予以顯示。

其次，是對定時器中斷服務(wù)子程序進行設(shè)計，設(shè)置定時器的采樣周期，在此過程中，考慮到電阻爐自身是純滯后的延時系統(tǒng)，因此，為進一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，經(jīng)考慮后，以8s作為單片機采樣的具體時間間隔，而在抵達預(yù)先設(shè)定的時間后，則會由定時器將中斷請求信號傳至單片機中，單片機在接收到這一信號后，便會進入執(zhí)行采樣的終端程序。最后，是對模糊推理子程序的設(shè)計?？刂破饕噪p輸入、單輸出控制器為主，溫度控制計算的具體步驟為：首先，對誤差及其變化率的論域以及相關(guān)控制量的論域予以控制，并劃分具體論域的實際變化范圍，對于具有較高控制精度要求的PID溫度控制器，可將相應(yīng)的變化范圍劃分為7檔，并確保各檔同其所在論域中的某一元素相對應(yīng)，至此，PID溫控系統(tǒng)當(dāng)中的實際測量參數(shù)則可被量化成論域所包含的元素[3]。其次，系統(tǒng)以離線計算的方式生成模糊控制表，在系統(tǒng)運行過程中，單片機主程序中斷，而相應(yīng)的查表子程序則被執(zhí)行，進而獲得最終控制量。

4 結(jié)論

本文通過基于模糊自整定PID控制器的控制原理進行闡述和分析，進而對以AT89C52單片機為主的模糊自整定PID控制器的硬件部分進行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，對基于自整定PID溫度控制器的軟件部分展開了詳細地設(shè)計和分析。研究結(jié)果表明，模糊自整定PID溫度控制器通過將模糊控制規(guī)則與PID控制進行結(jié)合，能夠有效提高溫度控制器的控制精度。未來，還需進一步加強對自整定PID溫度控制器的設(shè)計與研究，為提高工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度控制的穩(wěn)定性和精度奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]李巖，唐重和，劉克平.基于ARM9Linux系統(tǒng)的模糊自整定PID溫度控制器的設(shè)計[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，03（14）：252-257.

[2]王偉.熱處理爐模糊自整定PID溫度控制器的設(shè)計及其仿真[J].常熟高專學(xué)報，2013，06（08）：47-49.

[3]牟贇，侯力，王炳炎等.基于Matlab的2種Fuzzy-PID控制器的設(shè)計與仿真[J].機械與電子，2013，01（19）：70-72.